Ce travail de thèse concerne l’étude du processus d’instabilité modulationnelle (MI) dans des fibres optiques présentant un profil de dispersion périodique. La MI est un phénomène bien connu mais la majorité des études réalisées dans le contexte des fibres optiques concerne le cas de dispersion uniforme axialement. L’objectif de ces travaux est de démontrer expérimentalement l’établissement de la MI dans une fibre optique micro-structurée (PCF) dont la dispersion varie de façon sinusoïdale. La première partie présente les principales caractéristiques des fibres optiques et les principaux processus physiques mis en jeu, ainsi que les outils de simulations numériques employés. La seconde partie débute par une présentation du contexte de l’étude et est ensuite consacrée aux résultats. Tout d’abord, nous introduisons le concept du mécanisme de quasi-accord de phase (QPM) dans les systèmes périodiques longitudinaux. Ensuite, nous présentons la démonstration expérimentale du processus de MI dans ce type de fibre. Le spectre obtenu est composé de dix lobes de MI sur 10 THz. De plus, nous proposons une description détaillée de la dynamique de formation des différents lobes de MI. Nous démontrons théoriquement et expérimentalement la génération d’une nouvelle famille de lobes de MI due à une combinaison entre la dispersion oscillante et la dispersion d’ordre quatre. Enfin, cette seconde partie est clôturée par l’élaboration d’un outil analytique, basé sur le modèle à trois ondes tronqué. Il permet d’interpréter simplement la dynamique de formation des lobes de MI et de contrôler le spectre de MI d’une fibre à dispersion oscillante. / This thesis concerns the modulation instability (MI) process in optical fibers with a periodic dispersion landscape. MI is a well-known phenomenon but in the context of optical fibers most studies were performed in the presence of uniform dispersion. The aim of this work is to experimentally demonstrate the MI process in a special type of fiber: a photonic crystal fiber (PCF) presenting a sinusoidal dispersion profile. Part 1 focuses on the main characteristics of optical fibers, on the main physical processes occurring in fibers and on three numerical tools used. Part 2 starts with the context of the study. First, we introduce the quasi-phase matching (QPM) mechanism in longitudinal periodic systems. Then, we report an experimental demonstration of the MI process in this kind of fiber. The experimental MI spectrum is composed of ten MI lobes in a range of 10 THz. We propose a detailed description of MI lobes dynamics. We then study the impact of fourth-order dispersion on the MI process in DOFs. We demonstrate theoretically and experimentally the presence of a new MI windows due to a combination of oscillating second-order dispersion and fourth-order dispersion. Finally, this second part ends with the development of an analytical tool based on the truncated three-wave model. It allows simple interpretations of MI lobes dynamics during their propagation. We show that this tool is very accurate and allows controlling MI spectrum of a DOF.

L'objectif de ce mémoire est de développer des logiciels de simulation durables pour les chercheurs en biophotonique. En raison de l'absence de solutions logicielles adaptées aux applications biophotoniques, les chercheurs doivent consacrer beaucoup de temps soit à l'apprentissage de logiciels commerciaux complexes, souvent coûteux et difficiles à modifier, soit au développement de leur propre logiciel. Dans ce dernier cas, le produit est souvent difficile à entretenir ou à utiliser par d'autres chercheurs en raison de l'absence de bonnes pratiques de développement logiciel, comme les tests unitaires et la séparation des responsabilités, ce qui n'est pas prévu dans le programme d'études en biophotonique. En mettant l'accent sur la conception et l'architecture logicielle, ce travail présente comment des solutions de simulation extensibles et maintenables ont été développées en Python pour permettre de simuler facilement la propagation de la lumière dans les tissus et améliorer la qualité d'image d'un système d'imagerie. Un module PyTissueOptics est d'abord développé avec une librarie graphique 3D indépendante pour prendre en charge la propagation de la lumière selon la méthode de Monte Carlo dans des tissus et des environnements 3D complexes. Un module Polarization est ensuite développé pour simuler la propagation de la lumière polarisée dans les composants optiques et les tissus biréfringents. Ce module est ensuite utilisé pour générer des données synthétiques de tomographie à cohérence optique sensible à la polarisation (PS-OCT). Enfin, ces données synthétiques sont utilisées pour entraîner un nouveau modèle d'apprentissage profond, CLNet, afin de nettoyer les tomogrammes PS-OCT et d'obtenir une meilleure qualité d'image. / The goal of this memoir is to develop sustainable simulation software for biophotonics researchers. The lack of good and tailored software solutions for biophotonics applications results in researchers having to take a lot of time to either learn complex commercial software, which is also often expensive and hard to modify, or develop their own software. The latter often yields a product that is hard to maintain or use by other researchers because of a lack of good software development practices, like unit testing and separation of concerns, which is not included in the biophotonics curriculum. With a focus on software design and architecture, this work presents how extensible and maintainable simulation solutions were developed in Python to allow easy simulation of light propagation in tissues and improve the image quality of an imaging system. A PyTissueOptics module is first developed along with an independent 3D graphics framework to support Monte Carlo light propagation in complex 3D tissues and environments. A Polarization module is then developed to simulate polarized light propagation in optical components and birefringent tissues. This module is then used to generate synthetic data of polarization-sensitive optical coherence tomography (PS-OCT). Finally, this synthetic data is used to train a novel deep learning model, CLNet, to clean PS-OCT tomograms and yield an improved image quality.

D'abord, nous présentons les principes physiques nous permettant de modéliser et comprendre le phénomène de propagation linéaire des impulsions lumineuses dans un milieu homogène, dans les guides d'ondes planaires et enfin dans les fibres optiques microstructurées. Ensuite, nous faisons une analyse mathématique rigoureuse des équations linéaires de propagation et posons le problème comme celui de la recherche de valeurs propres d'opérateurs auto-adjoints dans un espace de Hilbert. On verra que ces résultats théoriques s'appliquent aux équations simulées dans le logiciel Comsol Multiphysics. Enfin, nous recensons et proposons différentes façons de prédire les valeurs de dispersion chromatique et d'atténuation dans les fibres microstructurées à coeur suspendu en utilisant les notions et équations discutés dans les deux premiers chapitres. Le choix de la géométrie, du matériau et de la longueur d'onde de la lumière transmise sont parmi les variables étudiées numériquement. Nous ferons également un exemple détaillé d'utilisation du logiciel Comsol Multiphysics pour construire un modèle de fibre optique microstructurée.

L'objectif général était de faire progresser notre compréhension des caractéristiques du rayonnement solaire dans une gamme optiquement diversifiée des eaux continentales et en particulier pour le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR, 400-700 nm). Les mesures sur le terrain et en laboratoire des propriétés optiques apparentes et inhérentes (les AOP et les IOP, respectivement) ont été réalisées en utilisant des instruments d'optique de pointe. Ces instruments et méthodes avaient jusqu'à ce jour été utilisés surtout aux eaux claires de l'océan au large des zones côtières. J'ai tout d'abord examiné les mécanismes contrôlant les différences de couleur entre les mares thermokarstiques dans le Québec subarctique. Les résultats ont montré que les variations quantitatives du carbone organique dissous et des particules en suspension non algales étaient les facteurs principaux. L'analyse d'une image satellite suggère que ces composantes peuvent être estimées à distance. Les résultats indiquent que la télédétection par satellite pourrait permettre la mise à l'échelle de certains processus biogéochimiques. J'ai par la suite quantifié les processus d'atténuation du PAR dans un réservoir d'eau potable. Les résultats d'analyse du budget de photons ont également révélé les changements spectraux du PAR en fonction de la profondeur affectant l'estimation des coefficients d'absorption moyen du PAR in situ pour la zone euphotique; par exemple, le coefficient de l'eau pure était dix fois plus élevé que celui mesuré dans l'océan. Dans la dernière partie de cette étude, j'ai entrepris une analyse de la «fermeture optique» afin d'évaluer la relation entre les AOP et les IOP pour un lac hypereutrophe urbain. Une similarité a été observée entre la luminance spectrale mesurée par télédétection avec un système de profilage dans l'eau et les valeurs obtenues grâce à un modèle de transfert radiatif (HydroLight). En conclusion, ces études réalisées à trois sites contrastés ont permis d'étendre la gamme de mesures et de modélisation optiques pour les écosystèmes lacustres, et de faire progresser notre compréhension des processus qui influencent l'éclairement spectral dans les eaux douces. Ces résultats soulignent la valeur mais aussi les sources d'incertitude associées à l'application de l'optique hydrologique dans les eaux continentales optiquement complexes.

The topic of this thesis is about experimental study of phenomena which are associated with light propagation in nonlinear dielectric media. In the first part of this work, we study experimentally the snake instability of the bright soliton stripe of the (2+1)-dimensional hyperbolic nonlinear Schrödinger equation. The instability is observed, through spectral measurements, on spatially extended femtosecond pulses propagating in a normally dispersive self-defocusing semiconductor planar waveguide. The second part of this thesis is about light propagation in nonlinear periodic media. We experimentally observe a stationary spatial gap (or Bragg) soliton in a periodic semiconductor planar waveguide. Based on the interference pattern of the soliton beam, we measure the power parameter of the soliton which is related to the position of the spatial spectrum in the linear band gap. <p><p><p>Cette thèse de doctorat a pour sujet l’étude expérimentale de phénomènes associés à la propagation de la lumière dans les milieux diélectriques non linéaires. La première partie porte sur la démonstration expérimentale de l’instabilité serpentine d’une bande solitonique dans un système décrit par une équation de Schrödinger non linéaire à (2+1)-dimensions. L’instabilité est observée sur base de mesures du spectre spatial ainsi que du profil spatio-fréquentiel d’une impulsion femtoseconde après propagation dans un guide plan semi-conducteur qui présente une dispersion normale et une non-linéarité défocalisante. Le second thème abordé concerne la propagation de la lumière dans les milieux non linéaires périodiques. Les expériences réalisées ont montré l’existence du soliton de Bragg spatial stationnaire sous forme de faisceaux se propageant dans des guides plans semi-conducteurs périodiquement gravés. Sur base du profil de la distribution modale en intensité du faisceau soliton, il a été possible de mesurer le paramètre de puissance du soliton de Bragg qui détermine la position du spectre spatial dans la bande interdite linéaire. <p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La demande croissante pour des débits plus élevés a atteint la limite des solutions câblées actuelles. Dans ce contexte, la fibre optique plastique à saut d'indice (SI-FOP), avec son gros diamètre de câble (3 à 4 mm) et sa grande ouverture numérique semble être un candidat idéal pour la transmission du gigabit Ethernet à faible coût. Les avantages de la SI-FOP sont sa simplicité d'utilisation, sa connexion facile, l'installation à la portée de tous et sa longueur d'onde d'utilisation. Dans ce mémoire, nous déterminons un modèle mathématique réaliste de la SI-FOP dans un système à modulation d'intensité et détection directe (IM/DD) utilisant la modulation Discrete Multi Tone (DMT). Les caractéristiques du canal sont évaluées en déterminant la capacité théorique au sens de Shannon et la capacité pratique DMT avec les algorithmes d'allocation de bits (« rate adaptive bit loading ») comme le water-filling, les algorithmes de Chow et de Levin-Campello. Mots clés : fibre optique plastique, saut d'indice, modulation d'intensité, détection directe, modulation DMT, couplage de modes, « power flow equation », problèmes d'optimisation sous-contraintes, « rate adaptive water-filling », algorithme de Chow, algorithme de Levin-Campello, capacité théorique au sens de Shannon, capacité pratique DMT.

Cette thèse est organisé en deux parties. Dans la première partie nous nous adressons à un problème vieux dans la théorie de jauge - le calcul du spectre et des fonctions d'onde. La stratégie que nous proposons est de construire une base d'états stochastiques de liens de Bargmann, construite à partir d'une distribution physique de densité de probabilité. Par la suite, nous calculons les amplitudes de transition entre ces états par une approche analytique, en utilisant des intégrales de chemin standards ainsi que la théorie des groupes. Également, nous calculons numériquement matrices symétrique et hermitienne des amplitudes de transition, via une méthode Monte Carlo avec échantillonnage pondéré. De chaque matrice, nous trouvons les valeurs propres et les vecteurs propres. En appliquant cette méthode â la théorie de jauge U(l) en deux dimensions spatiales, nous essayons d'extraire et de présenter le spectre et les fonctions d'onde de cette théorie pour des grilles de petite taille. En outre, nous essayons de faire quelques ajustement dynamique des fenêtres de spectres d'énergie et les fonctions d'onde. Ces fenêtres sont outiles de vérifier visuellement la validité de l'hamiltonien Monte Carlo, et de calculer observables physiques. Dans la deuxième partie nous étudions le comportement chaotique de deux systèmes de billard classiques, par la théorie des matrices aléatoires. Nous considérons un gaz périodique de Lorentz à deux dimensions dans des régimes de horizon fini et horizon infini. Nous construisons quelques matrices de longueurs de trajectoires de un particule mobile dans ce système, et réalisons des études des spectres de ces matrices par l'analyse numérique. Par le calcul numérique des distributions d'espacement de niveaux et rigidité spectral, nous constatons la statistique des espacements de niveaux suggère un comportement universel. Nous étudions également un tel comportement pour un système optique chaotique. En tant que quasi-système de potentiel, ses fluctuations dans l'espacement de ses niveaux suivent aussi un comportement GOE, ce qui est une signature d'universalité. Dans cette partie nous étudions également les propriétés de diffusion du gaz de Lorentz, par la longueur des trajectoires. En calculant la variance de ce quantité, nous montrons que dans le cas d'horizons finis, la variance de longueurs est linéaire par rapport au nombre de collisions de la particule dans le billard. Cette linéarité permet de définir un coefficient de diffusion pour le gaz de Lorentz, et dans un schéma général, elle est compatible avec les résultats obtenus par d'autres méthodes.