Dans le contexte de l'expansion de la téléphonie mobile et de l'Internet de l'année 2000, la conception de systèmes de transmission numériques sur fibre optique atteignant des capacités de l'ordre du terabit/s est envisagée par les équipementiers. Ce travail de thèse contribue à répondre à ce défi technologique, dans le cadre des systèmes terrestres utilisant la technique du multiplexage en longueur d'onde (WDM). Les solutions explorées consistent, premièrement en l'évolution du débit par canal de 10 Gbit/s à 40 Gbit/s puis en l'augmentation de la capacité d'information transmise par unité de bande passante optique jusqu'à 1.28 bit.s-1Hz-1. Les adaptations des systèmes sont préalablement analysées par simulations numériques offrant des règles d'ingénierie et des idées nouvelles puis les résultats de ces analyses sont concrétisés par des expériences de transmission démonstratives allant jusqu'à un multiplexage de 256 canaux à 40 Gbit/s soit une capacité totale de 10 Tbit/s.

La demande constante de capacité et la saturation prévue de la fibre monomode ont conduit récemment à des avances technologiques qui ont complètement changé le paysage des télécommunications à fibre optique. Le progrès le plus important était la mise en œuvre d'une détection cohérente à l'aide d'électronique rapide. Cela a permis pas seulement l'utilisation de formats de modulation qui promettent une utilisation plus efficace de la bande passante, mais aussi l’utilisation des algorithmes adaptés pour combattre la dégradation du signal optique due à la propagation. Cette thèse a commencé un peu après le début de cette « ère du cohérent » et son principal objectif était de revoir les effets physiques de la propagation dans des systèmes de transmission terrestres, utilisant le format de modulation QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Le manuscrit est divisé en deux parties. La première partie est consacrée à une étude sur les séquences des données qui doivent être utilisés dans les simulations numériques, lorsqu’un format de modulation avancée est impliqué. La propagation, et en particulier l'interaction entre la dispersion chromatique et les non-linéarités, introduisent une interférence inter-symbole (ISI). Vu que cet ISI dépend de l’enchainement des données transmises, il est évident que le choix de la séquence a une influence sur la qualité estimée du canal. Etant donné que des séquences aléatoires infinies ne sont pas pratiquement réalisables, nous utilisons souvent des séquences « pseudo-aléatoires » (PR), i.e. des séquences déterministes de longueur finie, avec des statistiques équilibrés, qui semblent être aléatoires. Dans la première partie, nous décrivons la méthode de génération de séquences PR avec M. niveaux (M> 2) et nous détaillons leurs propriétés. En outre, nous proposons des outils numériques pour caractériser les séquences non pseudo-aléatoires qu’on utilise souvent dans des simulations, ou parfois aussi dans des expériences au laboratoire. Enfin, nous présentons les résultats de simulations qui permettent de quantifier la nécessité d'utiliser des séquences PR en fonction des paramètres du système. Après avoir établi les séquences finies "les plus adaptées", dans la seconde partie du manuscrit, nous nous concentrons sur l'étude de la propagation, dans le contexte d'un système de transmission QPSK et en supposant une gestion de dispersion et un type de fibre variables. Plus précisément, nous étudions numériquement les statistiques de signaux dégradés dus à l'interaction de la dispersion chromatique avec les effets non linéaires, en négligeant tout effet de polarisation ou inter-canaux, aussi que le bruit des amplificateurs. Dans ce contexte, nous étions intéressés à déterminer si certaines lois empiriques développées pour les systèmes OOK, sont valable dans le cas d'une modulation QPSK, tels que le critère de la phase non-linéaire cumulée (ΦNL) ou des lois qui permettent une optimisation de la gestion de dispersion. Ensuite, nous révélons l'importance de la rotation de la constellation du signal initial, comme un paramètre qui peut fournir des informations pour la post-optimisation de notre système. Nous discutons également autour du fait que la forme de la constellation dépend de la gestion de dispersion et concernant les constellations nous concluons qu'il y en a généralement 3 types, avec: (1) une variance de phase supérieure à la variance d'amplitude (2) une variance d'amplitude supérieure à la variance de phase et (3) avec le signal ayant une constellation qui ressemble à la constellation d’un signal sous l'influence d'un bruit blanc gaussien additif. Enfin, nous fournissons une explication phénoménologique des formes des constellations révélant le fait que des sous-séquences différentes conduisent à un « type » différent de dégradation et nous utilisons ces informations pour définir un paramètre qui quantifie le bénéfice potentiel d'un algorithme de correction du type MAP(Maximum A Posteriori Probability) / The constant demand for capacity increase, together with the foreseen saturation of the single-mode optical fiber, paved the way to technological breakthroughs that have completely changed the landscape of fiber-optic telecommunications. The most important advance was, undeniably, the practical implementation of a coherent detection with the help of high-speed electronics. This has, first, enabled the use of advanced modulation formats that allowed for a more efficient use of the fiber bandwidth, compared to the classical On-Off Keying, while adapted algorithms could not be used in order to mitigate the optical signal degradation. This thesis began a little after the advent of coherent detection and its main objective was to revisit the propagation effects in optical transmission systems using "Quadrature phase shift keying" (QPSK) modulation in the context of terrestrial systems, i.e. for transmission distances of up to about 2000 km. The manuscript is divided into two parts. The first part is dedicated to a study on the data sequences that need to be used in numerical simulations, when advanced modulation is involved. Fiber propagation, and in particular the interplay between chromatic dispersion and nonlinearities, usually introduce a nonlinear inter-symbol interference (ISI) to the transmitted signal. Since this ISI depends on the actual transmitted data pattern, it is obvious that the choice of the sequence used in our numerical simulations will have a direct influence on the estimated channel quality. Since, an infinite length, random sequence is impractical; we very commonly use pseudorandom" (PR) sequences, i.e. finite-length, deterministic sequences with balanced pattern statistics that seem to be random. In the first part we describe the method of generating M-level (with M>2) pseudorandom sequences and we detail their properties. In addition, we propose numerical tools to characterize the non-pseudorandom sequences that we use in numerical simulations, or we are sometimes forced to use in laboratory experiments. Finally, we present results of numerical simulations that quantify the necessity to use PR sequences as a function of our system parameters. After having established the “fairest possible” finite sequences, in the second part of the manuscript, we focus on the study of the nonlinear propagation, in the context of a transmission system using QPSK modulation and assuming a variable dispersion management and fiber type. Specifically, we numerically study the signal statistics due to the interplay of chromatic dispersion and nonlinear effects, neglecting all polarization or multi-wavelength effects and the amplifier noise. In this context, we were first interested in determining whether some empirical laws developed for OOK systems, can be also used in the case of QPSK modulation, such as the criterion of cumulative nonlinear phase (ΦNL) or laws that allow for a quick optimization of the dispersion management. Next we reveal the importance of a global phase rotation added to the initial signal constellation, as a parameter that can provide interesting information for the post-optimization of our system. We also discuss the fact that the constellation shape critically depends on the applied dispersion management, while there are generally 3 types of constellations, concerning the complex signal statistics: (1) the phase variance is higher than the amplitude variance (2) the amplitude variance is higher than the phase variance and (3) the received signal constellation resembles to a constellation of a signal under the influence of just an Additive White Gaussian Noise. Finally, we provide a phenomenological explanation of the constellations shapes revealing the fact that different data sub-sequences suffer from a different kind of signal degradation, while we also use this information to define a parameter that quantifies the potential benefit from a MAP (Maximum A Posteriori probability) correction algorithm

Cette thèse concerne l'étude de la dynamique des structures optiques dissipatives observées dans une cavité à gestion de dispersion utilisant l'évolution non linéaire de la polarisation comme technique de blocage de modes. Nous avons montré expérimentalement l'existence d'une transition graduelle entre le régime de fonctionnement continu et le régime de fonctionnement multi-impulsionnel. Nous nous sommes intéressés à l'état intermédiaire où il nous a été possible d'obtenir divers régimes inédits et d'étudier ainsi le comportement collectif des solitons dissipatifs en présence d'un fond continu. La dynamique de "la pluie de solitons" est une manifestation complexe et fascinante constituée de trois composantes de champ : le fond continu, les solitons de dérive et la phase condensée. Elle s'accompagne d'une circulation d'énergie à travers ces trois composantes. Le mouvement relatif des solitons de dérive ainsi que l'asymétrie temporelle présentent les caractéristiques majeures qui distinguent cette dynamique des autres. D'autres types d'auto-organisation ont été observés et étudiés, comme "le relargage des solitons de la phase condensée" ou bien encore "la vobulation du train de solitons". Nous nous sommes intéressés aussi à la propagation d'une seule impulsion dans la cavité. Pour la première fois, une importante dynamique de respiration spectrale a été prédite dans une cavité à gestion de la dispersion. Nous avons montré qu'une compression temporelle de l'impulsion est accompagnée d'un élargissement spectral d'une grande ampleur dans la partie passive de la cavité et que la largeur de l'impulsion peut dépasser la largeur de la bande passante du milieu amplificateur. Nous avons étudié la dynamique de la respiration spectrale, l'extraction et l'optimisation du signal laser en fonction des paramètres de la cavité et nous avons présenté les caractéristiques d'une cavité qui permet la génération d'une impulsion dont sa largeur spectrale est supérieure à la largeur de la bande passante de l'amplificateur d'un facteur de 2.4. Les dynamiques présentées dans cette thèse témoignent de la complexité et de la richesse de la dynamique dissipative des lasers à fibre fonctionnant en régime de blocage de modes passif par évolution non linéaire de la polarisation.

Les fibres à cristaux photoniques (PCF) et autres fibres fortement non-linéaires conventionnelles (HNLF) représentent une nouvelle catégorie de guides d'ondes optiques qui possèdent des caractéristiques de dispersion et de non-linéarité inédites. Elles permettent, en effet, d'accroître fortement les effets non-linéaires avec des paramètres de dispersion multiples. De nombreux travaux récents ont déjà exploité ces propriétés pour la génération de spectres à très large bande au moyen de la génération de supercontinuum. L'étude de tels élargissements spectraux, en particulier dans les PCF, nécessite alors une modélisation précise de la propagation des impulsions. L'extension des modèles existants basés sur l'équation non-linéaire d'enveloppe de Schrödinger a été réalisée pour inclure des effets tels que de la dépendance en fréquence de l'aire effective du mode guidé et la génération de troisième harmonique. Les conséquences de tels effets sont décrites ainsi que de nouvelles perspectives pour la génération de supercontinuum. L'autre aspect attrayant de cette nouvelle génération de fibres optiques, en particulier concernant les HNLF, est leur utilisation dans l'important développement actuel des sources fibrées femtosecondes, proche de la longueur d'onde des télécommunications à 1550 nm. Dans ce cadre, deux systèmes expérimentaux ont été mis en place, permettant respectivement d'obtenir par compression non-linéaire des impulsions sub-30 fs et de générer des impulsions paraboliques de manière passive. Ces dispositifs sont basés sur l'utilisation et la gestion de très courtes longueurs de fibres commerciales de type HNLF, menant alors à des dispositifs ultra-compacts.

Ce mémoire porte sur le comportement des solitons affectés, lors de leur entrée dans un guide d'onde à fibre optique, d'une légère distorsion de profil par rapport au profil stationnaire dans le guide. Notre modèle théorique combine l'équation de propagation du champ électrique (Equation de Schrödinger Non Linéaire) et le système d'équations d'évolution des paramètres physiques de l'impulsion (issu de la théorie des coordonnées collectives). Nous dressons une cartographie générale qui dévoile une diversité insoupçonnée de comportements dynamiques au voisinage de l'état stationnaire de l'impulsion, liée à la perturbation initiale du profil de l'impulsion. Cette cartographie établit une classification des solitons en deux grandes familles, correspondant respectivement aux impulsions lumineuses qui génèrent un rayonnement au cours de leur propagation et aux impulsions non rayonnantes. Au sein de chacune de ces deux grandes familles d'impulsions, nous démontrons l'existence de comportements atypiques, que nous qualifions de solitons hyperthermiques (solitons chauds), solitons hypothermiques (solitons froids), et solitons isothermiques, qui correspondent respectivement à des impulsions qui se propagent de manière hautement stable avec un niveau d'énergie supérieur, inférieur, et égal à l'énergie de l'état stationnaire. Aux frontières des domaines d'existence de ces différents types de soliton, nous trouvons des comportements hybrides, correspondant à des solitons qui se refroidissent en cours de propagation suite à une perte significative d'énergie provoquée par un rayonnement intense, et qui changent d'état (de l'hyperthermie à l'hypothermie, ou de l'isothermie à l'hypothermie). Enfin, l'onde de rayonnement émise par une impulsion lumineuse n'est pas identifiée comme étant un processus continuel, mais plutôt comme une bouffée d'énergie émise en début de propagation, et sa suppression dans le guide d'onde est considérée comme réalisable

Les lasers à fibres à modes bloqués font partie des rares systèmes qui permettent de réaliser une variété de fonctions optiques élaborées, au moyen de peu de composants optiques. La gestion de la dispersion apporte à ce type de lasers une variété de comportements, qui est si riche que la cartographie complète et l’analyse détaillée des états stables deviennent difficilement réalisable lorsqu’on utilise les outils conventionnels basés sur les équations de propagation du champ intra-cavité. Dans cette thèse nous montrons que l’adjonction de la technique des coordonnées collectives aux outils théoriques conventionnels, permet de résoudre au moins en partie le problème de la complexité et l’extrême diversité des états stables des cavités gérées en dispersion. En particulier, nous proposons l’ACCD (approche des coordonnées collectives dynamiques), comme un outil théorique permettant de réaliser des gains de performance substantiels dans des opérations de recherche et caractérisation des états stables du laser. D’autre part, le recours à l’approche des cordonnées collectives nous permet de mettre en évidence des effets majeurs induits par certains phénomènes qui étaient jusqu’à présent largement sous-estimés. Notamment, nous mettons en évidence des modifications majeures desdomaines respectifs des différents états stables du laser, qui surviennent lorsqu’on change la bande passant de la fitre. D’autre part, en considérant une cavité où la largeur spectrale du champ lumineux (3.12 THz) est d’un ordre de grandeur plus petite que la largeur de la bande du gain Raman, nous mettons en lumière des effets remarquables de la diffusion Raman sur les phénomènes d’hystérésis. / Mode-locked fiber laser are among the few systems that allow to achieve a variety of elaborate optical functions, by means of few optical components. The use of dispersion management brings to this type of lasers a variety of behaviors, which is so rich that the complete mapping and detailed analysis of the stable states becomes impractical when conventional tools based on the intra-cavity field propagation equations, are used. In this thesis we show that the addition of the technique ofcollective coordinates to the conventional theoretical tools, allows to solve at least in part the problem of complexity and diversity of the stable states of the cavity. In particular, we propose the DCCA (dynamical collective coordinate approach), as a theoretical tool to achieve substantial performance gains in search and characterization of stable states of the laser. Furthermore, the use of the collective coordinated approach allows us to highlight major effects induced by certain phenomena that were until now largely underestimated. In particular, we highlight major changes in the respective areas ofthe different stable states of the laser, which occur when changing the width of the band-pass filter BPF. Furthermore, considering a cavity where the spectral width of the light field (3.12 THz) is an order of magnitude smaller than the bandwidth of the Raman gain, we highlight remarkable effects of Raman scattering on hysteresis phenomena.

Cette thèse concerne l'étude de la dynamique des structures optiques dissipatives observées dans une cavité à gestion de dispersion utilisant l'évolution non linéaire de la polarisation comme technique de blocage de modes. Nous avons montré expérimentalement l'existence d'une transition graduelle entre le régime de fonctionnement continu et le régime de fonctionnement multi-impulsionnel. Nous nous sommes intéressés à l'état intermédiaire où il nous a été possible d'obtenir divers régimes inédits et d'étudier ainsi le comportement collectif des solitons dissipatifs en présence d'un fond continu. La dynamique de "la pluie de solitons" est une manifestation complexe et fascinante constituée de trois composantes de champ : le fond continu, les solitons de dérive et la phase condensée. Elle s'accompagne d'une circulation d'énergie à travers ces trois composantes. Le mouvement relatif des solitons de dérive ainsi que l'asymétrie temporelle présentent les caractéristiques majeures qui distinguent cette dynamique des autres. D'autres types d'auto-organisation ont été observés et étudiés, comme "le relargage des solitons de la phase condensée" ou bien encore "la vobulation du train de solitons". Nous nous sommes intéressés aussi à la propagation d'une seule impulsion dans la cavité. Pour la première fois, une importante dynamique de respiration spectrale a été prédite dans une cavité à gestion de la dispersion. Nous avons montré qu'une compression temporelle de l'impulsion est accompagnée d'un élargissement spectral d'une grande ampleur dans la partie passive de la cavité et que la largeur de l'impulsion peut dépasser la largeur de la bande passante du milieu amplificateur. Nous avons étudié la dynamique de la respiration spectrale, l'extraction et l'optimisation du signal laser en fonction des paramètres de la cavité et nous avons présenté les caractéristiques d'une cavité qui permet la génération d'une impulsion dont sa largeur spectrale est supérieure à la largeur de la bande passante de l'amplificateur d'un facteur de 2.4. Les dynamiques présentées dans cette thèse témoignent de la complexité et de la richesse de la dynamique dissipative des lasers à fibre fonctionnant en régime de blocage de modes passif par évolution non linéaire de la polarisation. / This thesis presents a study of the nonlinear dissipative dynamics of localized of self organized structures in passively mode-locked fiber laser through nonlinear polarization evolution. We reveal the existence of a gradual transition from the quasi-cw to mode locked dynamics in the multi-pulsing regime. We emphasize on the intermediate state, where various new dynamics are observed. We study collective behaviors of dissipative solitons in the presence of a continuous background. One of the complex and attractive dynamics presented is the "soliton rain", which composed of three field components : continuous modes of background, drifting of solitons and condensed phase solitons. This dynamic appears when the energy flows through the three components. The relative motion of the drifting solitons and the temporal asymmetry present the major characteristics that distinguish this dynamic. Other types of self-organizations of solitons were observed and studied as the "release of the solitons from the condensed phase" and the "chirped trains with condensed soliton phase". We were also interested in the single pulse propagation. For the first time, an important dynamics of spectral breathing was predicted in a dispersion-managed cavity. We showed that pulse compression dynamics in the passive anomalous fiber can be accompanied by a significant enhancement of the spectral width and that the width of the pulse can exceed the amplifier bandwidth. We studied, the extraction and the optimization of the signal laser according to the parameters of the cavity and we presented the characteristics of a cavity delivering ultra short pulses with a spectral width exceeding the amplifier bandwidth by a factor of 2.4. The dynamics presented in this thesis show the complexity and variety of the dissipative dispersion-managed dynamics in fiber laser mode locked through nonlinear polarization evolution.

Ce mémoire porte sur le comportement des solitons affectés, lors de leur entrée dans un guide d'onde à fibre optique, d'une légère distorsion de profil par rapport au profil stationnaire dans le guide. Notre modèle théorique combine l'équation de propagation du champ électrique (Equation de Schrödinger Non Linéaire) et le système d'équations d'évolution des paramètres physiques de l'impulsion (issu de la théorie des coordonnées collectives). Nous dressons une cartographie générale qui dévoile une diversité insoupçonnée de comportements dynamiques au voisinage de l'état stationnaire de l'impulsion, liée à la perturbation initiale du profil de l'impulsion. Cette cartographie établit une classification des solitons en deux grandes familles, correspondant respectivement aux impulsions lumineuses qui génèrent un rayonnement au cours de leur propagation et aux impulsions non rayonnantes. Au sein de chacune de ces deux grandes familles d'impulsions, nous démontrons l'existence de comportements atypiques, que nous qualifions de solitons hyperthermiques (solitons chauds), solitons hypothermiques (solitons froids), et solitons isothermiques, qui correspondent respectivement à des impulsions qui se propagent de manière hautement stable avec un niveau d'énergie supérieur, inférieur, et égal à l'énergie de l'état stationnaire. Aux frontières des domaines d'existence de ces différents types de soliton, nous trouvons des comportements hybrides, correspondant à des solitons qui se refroidissent en cours de propagation suite à une perte significative d'énergie provoquée par un rayonnement intense, et qui changent d'état (de l'hyperthermie à l'hypothermie, ou de l'isothermie à l'hypothermie). Enfin, l'onde de rayonnement émise par une impulsion lumineuse n'est pas identifiée comme étant un processus continuel, mais plutôt comme une bouffée d'énergie émise en début de propagation, et sa suppression dans le guide d'onde est considérée comme réalisable / This thesis examines the dynamical behaviour of solitons which are affected, when entering a fiber-optic waveguide, by a slight distortion of profile as compared to the stationary profile in the guide. Our theoretical model combines the propagation equation of the electric field (Non-Linear Schrödinger Equation) and the system of equations of evolution of the physical parameters of the pulse (derived from the collective coordinates theory). We establish a general mapping which reveals an unsuspected diversity of dynamic behaviour around the stationary state of the pulse, in relation with the initial perturbation of the pulse's profile. This mapping establishes a classification of solitons in two broad categories, which correspond to light pulses that generate radiation during their propagation and to non-radiating pulses, respectively. Within each of these two broad classes of pulses, we demonstrate the existence of different kinds of atypical behaviour, which we qualify as hyperthermic solitons (hot solitons), hypothermic solitons (cold solitons) and isothermic solitons, which correspond respectively to pulses that propagate in a highly stable manner with an energy level higher than, lower than, and equal to the energy of the stationary state. On the borders of the domains of existence of these various types of solitons, we find hybrid behaviours, corresponding to solitons that cool during propagation, due to a significant loss of energy caused by an intense radiation, and which change state (from hyperthermia to hypothermia, or from isothermal to hypothermia). Finally, the radiation emitted by a light pulse is not identified as being a continual process, but rather as a ball of energy emitted in the beginning of propagation, and its suppression in the waveguide is considered as practicable