Depuis une vingtaine d'années, la physique et les applications des transitions intersousbandes ont connu un essor remarquable. Il reste aujourd'hui deux frontières à explorer : l'extension vers le THz et celle vers le proche infrarouge. Pour atteindre le domaine spectral des télécommunications par fibre optique, les puits et boîtes quantiques GaN/AlN étudiés dans cette thèse sont les candidats les plus sérieux car ils présentent une discontinuité de potentiel suffisamment élevée en bande de conduction (1,75 eV).<br />Je présente en premier lieu mes expériences à température ambiante portant sur les puits quantiques GaN/AlN épitaxiés par jets moléculaires sur substrat saphir (0001). Je montre l'amplification résonante de la génération de second harmonique à λ~1 µm mais aussi la première observation de la luminescence intersousbande à λ~2,1 µm sous pompage optique. <br />J'étudie ensuite le confinement quantique dans des structures à puits quantiques couplés GaN/AlN. Ces structures ont permis de mettre en évidence le transfert tunnel des électrons entre puits quantiques sous application d'une tension et de fabriquer un modulateur électro-optique rapide (3 GHz).<br />Finalement, j'étudie le confinement quantique dans les boîtes quantiques GaN/AlN. Dans ces nano-objets, je mets en évidence à température ambiante l'émission intrabande pz-s à λ~1,48 µm. Je déduis de ces mesures la largeur de raie intrabande d'une boîte unique. Je montre en outre que la durée de vie des électrons excités est ~160 fs via des expériences de pompe-sonde. A partir des mesures de saturation d'absorption et d'émission, j'estime le temps de cohérence des électrons entre les sous niveaux à T2~320 fs.

La génération d'impulsions courtes et de fréquence de répétition élevée est une fonction essentielle dans les systèmes de communication modernes. De plus, un faible niveau de bruit est requis afin d'avoir des systèmes performants. Les lasers à semiconducteurs à blocage de modes permettent justement d'émettre des impulsions subpicosecondes à des fréquences supérieures à plusieurs centaines de GHz. L'utilisation d'une nouvelle génération de structures à fils ou boîtes quantiques, pour la réalisation des zones actives de ces lasers, a conduit à des impulsions très courtes et de haute fréquence avec de très faibles niveaux de bruits, inférieurs à ceux mesurés sur les structures usuelles à puits quantiques. Le laboratoire CNRS Foton-INSA a une expérience de longue date dans la croissance de fils et de boîtes quantiques de haute qualité en InAs sur substrat d'InP. Le but de cette thèse a été d'expérimenter ces structures pour la réalisation de lasers à blocage de modes. Dans un premier temps ces structures ont été caractérisées par des techniques de mesure de photoluminescence et d'électroluminescence afin de sélectionner les plus adaptées pour la réalisation de lasers monomodes à deux sections, l'une amplificatrice et l'autre à absorption saturable afin d'initier le blocage de modes. Les lasers à boîtes quantiques ont présenté un comportement instable. Il s'agit d'une bifurcation du pic d'émission optique vers deux directions dont l'écart augmente avec le courant d'injection. L'origine de ce phénomène a été attribuée à des groupes de boîtes quantiques caractérisées probablement par leur différence de taille. Le blocage de modes a effectivement été obtenu dans des lasers à fils quantiques à une fréquence de 10,6 GHz et de 41 GHz. La caractérisation des impulsions a révélé une forte dérive en longueur d'onde de celles-ci. En effet, une fibre optique monomode d'environ 545 m a été nécessaire pour compresser ces impulsions et atteindre une durée aussi courte qu'une picoseconde. Le niveau de bruit de ces lasers s'avère être 30 fois plus faible que le niveau le plus bas mesuré sur les composants à puits quantiques.

Ces dernières années, les appareils photos/vidéos numériques grand public sont devenus omniprésents. On peut aujourd'hui trouver des systèmes de captures d'images dans toutes sortes d'appareils numériques comme les téléphones portables, les assistants personnels numériques etc. Malgré une augmentation croissante de la puissance et de la complexité de ces appareils, laqualité de la chaîne de capture d'image, composée du couple système optique/capteur est toujours contrainte à des limitations d'espace et de coût. Les défauts introduits sont nombreuxet dégradent considérablement la qualité des images produites : flou, déformations géométriques, artefacts de couleurs, effets de moire, bruits statiques et dynamiques, etc. Une idée intéressante est de corriger ces défauts de manière algorithmique en utilisant la puissance toujours croissante des architectures de traitements. Dans cette thèse nous nous intéressons particulièrement à deux problèmes issues de l'acquisition de l'image par le capteur : le dématriçage de la matrice de Bayer et la réduction du bruit. Dans la première partie, nous décrivons la structure générale de la chaîne de capture d'image dans les appareils photos/vidéos numériques. Nous présentons le rôle, le fonctionnement et les défauts introduits par chacun de ses éléments. Enfin, nous illustrons comment ces défauts peuvent être corriges par des traitements algorithmiques. Dans la deuxième partie, nous montrons comment l'information de couleur est introduite dans les capteurs numériques. Nous présentons ensuite un état de l'art des algorithmes de dématriçage. Un nouvel algorithme de reconstruction de la matrice de Bayer base sur le principe de l'interpolation directionnelle est propose. Il permet d'associer une qualité d'image produite sans artefacts avec une faible complexité de calculs. Pour mieux comprendre les comportements du bruit dans les capteurs numériques, nous énumérons ses différentes sources et leurs dépendances par rapport aux conditions de prises de vues. Apres avoir présenté l'état de l'art des méthodes de restauration des images bruitées, nous nous intéressons particulièrement aux algorithmes de débruitage à voisinage local et plus précisément au filtre bilatéral. Nous proposons un filtre bilatéral pour la mosaïque de Bayer, adaptatif en fonction de la puissance du bruit dans les images. Dans la troisième partie, nous présentons l'implémentation, l'optimisation et la simulation de l'exécution des algorithmes de dématriçage et de réduction du bruit proposes. La plateforme d'implémentation est le processeur TriMedia TM3270 de NXP semiconductors. Nous montrons que nous arrivons à traiter des images de taille 5 méga-pixels en moins de 0,5 secondes et des images de résolution VGA à une cadence supérieure à 25 images par seconde. Finalement, pour des raisons de standardisation, de rapidité d'exécution et de consommation d'énergie, nous avons conçu une architecture dédiée à l'algorithme de dématriçage propose. Cette architecture permet de multiplier par 10 la rapidité d'exécution obtenue sur le processeur TriMedia TM3270

Des diagnostics optiques non-intrusifs sont développés afin d’améliorer la compréhension des phénomènes d’évaporation de gouttes de combustible multicomposant. La configuration simplifiée retenue est un jet linéaire de gouttes monodispersées. L’évaporation est réalisée soit à la température ambiante, soit à des températures plus élevées de l’ordre de 500°C. Le combustible utilisé est composé d’éthanol et d’acétone, dont les volatilités sont très différentes. Deux nouvelles techniques de mesures fondées sur la Fluorescence Induite par Laser (LIF) ont été développées au cours des ces travaux. La première, la LIF à trois couleurs permet de mesurer la température moyenne de gouttes binaires. La deuxième exploite la fluorescence émise par l’acétone excitée par un rayonnement laser à 266 nm afin de déterminer la composition instantanée du mélange. Les résultats expérimentaux ont été comparés à un modèle à composants discrets utilisant une approche 1D quasi-stationnaire / Non intrusive optical diagnostics are developed to investigate the mechanisms governing multicomponent droplets evaporation. The case of periodically and linearly arranged monodisperse droplets is considered in these experiments. Droplets are injected either at ambient temperature or into a hot air plume at about 500°C. The fuel mixture is made of ethanol and acetone, which exhibit very different volatilities. Two techniques based on Laser Induced Fluorescence (LIF) have been developed to investigate heat and mass transfers. The first one, the three colours LIF allows obtaining the average temperature of binary droplets. The second one used the fluorescence of acetone excited by an UV laser (266 nm) in order to quantify the acetone molar fraction. Finally, measurements are compared with a numerical model that is derived from a discreet component approach and the assumption of 1D quasi-steady evolution of the gas phase

L’application du concept de synchronisation appliqué aux composants photoniques non-linéaires a permis l’avènement des communications chaotiques optiques. Les systèmes optoélectronique dans ces chaines de transmission ont déjà démontré leur potentiel en termes de sécurité additionnelle au niveau de la couche physique des réseaux optiques. Cependant, la quantification du niveau de sécurité et l’absence d’un cadre déduit aux aspects multi-utilisateurs (techniques de multiplexage spécifiques) ont fortement freiné le déploiement de ces techniques à large échelle. La recherche effectuée dans le cadre de cette thèse a contribué à l’avancement de ces deux questions ouvertes. Dans premier temps, nous nous sommes intéressés à la sécurité d’une classe de générateur optique particulière: les lasers à semi-conducteur à cavité externe (ECSL). Nous proposons d’attaquer le système dans le contexte le plus difficile, celui dans lequel aucune information n’est a priori disponible. La sortie du laser chaotique (l’intensité optique) est enregistrée, et les séries temporelles obtenues sont analysées. La sécurité est comprise dans ce contexte comme étant la quantité d’information sur les paramètres du système (analogue d’une clé dans les systèmes de cryptage conventionnels) et/ou la fonction non-linéaire du système (l’équivalent de l’algorithme de cryptage). Un ECSL est un système possédant un délai (aussi appelé retard), un paramètre critique pour la sécurité. Nous avons étudié l’influence des paramètres ajustable de l’ECSL chaotique sur l’identification du délai: l’intensité de la rétroaction optique, la valeur du délai, et le courant alimentant le laser (aussi appelé courant de pompe). Dans un deuxième temps nous interprétons ces résultats sur la base des régimes dynamiques précédent l’apparition du chaos dans l’ECSL. Nous avons proposé par la suite une architecture pour multiplexer des signaux chaotiques optiques générés par des ECSL. Nous démontrons la supériorité de cette approche en terme d’efficacité spectrale relativement aux méthodes de multiplexage en longueur d’onde (wavelength division multiplexing, WDM) appliquées aux communications optiques par chaos (aussi connues sous le nom de chaotic WDM ). Nous avons adapté un concept fondamental de la théorie de la synchronisation: la décomposition active-passive (APD) en utilisant des composants optiques simples. Nous démontrons la possibilité de multiplexer et démultiplexage de deux signaux chaotiques optiques par synchronisation (en utilisant deux émetteurs et deux récepteurs). Les performances et la robustesse de cette structure sont analysées ainsi que la possibilité de crypter et de décrypter des messages. Après cela, nous avons utilisé une classe de systèmes optoélectroniques différente de celle correspondant au deux premières sections, avec l’objectif d’utiliser un seul oscillateur chaotique pour encoder plusieurs messages au lieu de considérer un oscillateur par message. A cette fin, nous avons modifié une structure d’un générateur de chaos électro-optique existant dans la littérature en lui ajoutant plusieurs boucles de rétroactions non-linéaires. Chacune d’elle est utilisée pour l’encryptage d’un message, réalisée, par exemple, par la modulation du gain non-linéaire de la boucle. Nous avons analysé différentes configurations possibles, ainsi que les propriétés des signaux chaotiques générés au sein de chaque boucle et utilisés pour transporter les différents messages. Nous avons expliqué dans quelle mesure l’orthogonalité (ou décorrélation) entre les différents signaux peut être utilisée à notre avantage pour dériver des équations de décodage de faible complexité algorithmique (comme fonction du nombre d’utilisateurs). Enfin, nous analysons comment certains phénomènes d’interférences entre signaux porteurs peuvent être pris en compte afin de toujours permettre la récupération des messages. / With the rapid development of optical communications and the increasing amount of data exchanged, it has become utterly important to provide effective architectures to protect sensitive data. The use of chaotic optoelectronic devices has already demonstrated great potential in terms of additional computational security at the physical layer of the optical network. However, the determination of the security level and the lack of a multi-user framework are two hurdles which have prevented their deployment on a large scale. In this thesis, we propose to address these two issues. First, we investigate the security of a widely used chaotic generator, the external cavity semiconductor laser (ECSL). This is a time-delay system known for providing complex and high-dimensional chaos, but with a low level of security regarding the identification of its most critical parameter, the time delay. We perform a detailed analysis of the influence of the ECSL parameters to devise how higher levels of security can be achieved and provide a physical interpretation of their origin. Second, we devise new architectures to multiplex optical chaotic signals and realize multi-user communications at high bit rates. We propose two different approaches exploiting known chaotic optoelectronic devices. The first one uses mutually coupled ECSL and extends typical chaos-based encryption strategies, such as chaos-shift keying (CSK) and chaos modulation (CMo). The second one uses an electro-optical oscillator (EOO) with multiple delayed feedback loops and aims first at transposing coded-division multiple access (CDMA) and then at developing novel strategies of encryption and decryption, when the time-delays of each feedback loop are time- dependent.

Ce mémoire de thèse est consacré à l’étude d’une liaison tout-optique longue de 10 km dédiée à l’extension d’un observatoire câblé de fond de mer existant afin d’atteindre de nouvelles zones d’exploration. Les travaux de recherche qui y sont rapportés démontrent la faisabilité de cette liaison tout-optique entre un instrument déporté et une station terrestre avec une seule fibre optique longue de 10 km, qui transmet simultanément la puissance, nécessaire à l’alimentation de l’instrument (quelques centaines de milliwatts), et des données bidirectionnelles en temps réel.Le contexte de cette thèse est présenté au travers d’un état de l’art sur les observatoires câblés et sur la puissance sur fibre. Le choix de la fibre unique et la présence de fortes puissances optiques complexifient la mise en oeuvre de cette extension tout-optique, et sont à l’origine de l’apparition d'interactions entre l’énergie optique dédiée à l'alimentation (@1480 nm) et les données échangées (@1550 nm). Tout au long de ce document, les choix technologiques retenus sont argumentés et les effets optiques non linéaires tels que les diffusions Raman, Brillouin, Rayleigh, l’Émission Spontanée Amplifiée (ASE) sont décrits, modélisés et analysés expérimentalement. L’extension tout-optique proposée a été caractérisée à la fois en régimes statique et dynamique par des mesures du bilan de liaison, du rapport signal à bruit (SNR) et du taux d’erreur binaire (BER). Les résultats obtenus montrent la possibilité de fournir 160 mW électrique à l’instrument déporté en utilisant une source optique continue de 33 dBm sans dégrader excessivement les données bidirectionnelles transmises simultanément (BER<10-7). / This thesis is devoted to the study of a 10 km long all-optical network dedicated to extend a current cabled seafloor observatory, in order to reach new exploration areas. The research work described in this thesis demonstrates the feasibility of this all-optical link between a remote instrument and a shore station with a single 10 km long optical fiber, which simultaneously transmits the energy required to supply the instrument (several hundred milliwatts) and bidirectional data in real time.The thesis context is presented trough an analysis of the cabled seafloor observatories and of the power-over-fiber. The choice of a single optical fiber and the presence of high optical power complicate the implementation of this all-optical extension, and they cause the appearance of interactions between the optical energy dedicated to the power supply (@1480 nm) and the exchanged data (@1550 nm). Throughout this document, the technological choices are explained and the optical nonlinear effects are described, simulated and analyzed experimentally, such as Raman, Brillouin, and Rayleigh scattering and Amplified Spontaneous Emission (ASE). The proposed all-optical extension has been characterized in static and dynamic regimes with measures of the optical link budget, the Signal-to-Noise Ratio (SNR), and the Bit Error Ratio (BER). The results show the possibility to power the remote instrument with 160 mW, when using a continuous high optical laser source of 33 dBm without huge degradation of the bidirectional data transmitted simultaneously (BER<10-7).

La connaissance de l'impact des aérosols sur le climat, au cours de leur cycle de vie, est aujourd'hui un enjeu majeur de la communauté scientifique. En particulier, les aérosols organiques secondaires (AOS) constituent une part importante de la fraction fine des aérosols et pourtant leurs propriétés optiques et hygroscopiques présentent encore des fortes incertitudes. Cette étude avait pour objectif de comprendre et d'évaluer l'évolution des propriétés optiques et hygroscopiques de l'AOS produit dans la chambre de simulation atmosphérique CESAM à partir de l'ozonolyse de l'α-pinène au cours de sa formation et de son vieillissement dans l'atmosphère. Afin de mener à bien ce projet, un HTDMA a été développé et validé. Cette approche a été complétée en mesurant les propriétés hygroscopiques de l'ensemble de la population polydispersé d'aérosols par humidification au sein de la chambre de simulation. Afin de mettre en évidence des modifications de propriétés optiques, l'évolution temporelle de l'indice complexe de réfraction a été déterminée. La méthodologie a été validée et l'effet du temps de contact des particules avec la vapeur d'eau a été investigué. Cette méthodologie a ensuite été appliquée à l'étude des propriétés optiques et hygroscopiques de l'AOS généré par ozonolyse de l'α-pinène au cours de sa formation et du vieillissement par différents processus: dans le noir, en présence d'un excès d'ozone et par photolyse. Les liens avec des modifications possibles de la composition chimique ont été investigués par des observations et par modélisation / The impact of aerosols on climate represents a major challenge in atmospheric science. This is particularly true for secondary organic aerosols, representing a major fraction of the fine aerosols. However, their optical and hygroscopic properties are poorly understood. The present work investigates the optical and hygroscopic properties of SOA generated from the ozonolysis of α-pinene at first and after having undergone atmospheric ageing reactions using the laboratory smog chamber CESAM. For that purpose, an HTDMA has been built and a new approach has been developed to measure hygroscopic properties of polydispersed aerosols by humidifying them directly in the smog chamber. The refractive index has been calculated to investigate the optical properties changes. The methodology has been validated and the residence time of particles with water vapor has been investigated. Then, it has been applied to study the optical and hygroscopic properties of α-pinene SOA during its formation and during ageing by various processes: reaction in the dark, with ozone, and photolysis. The link with changes in the composition has been investigated by measurements and modeling

L'optique adaptative (OA) permet de corriger en temps réel les déformations du front d'onde induites par la turbulence atmosphérique. Cependant, cette technique aujourd'hui mature connaît une limitation fondamentale : l'anisoplanétisme. Pour y pallier, différents concepts d'OA grand champ ont été développés. La turbulence est alors mesurée dans plusieurs directions afin de l'estimer tomographiquement. Ces systèmes soulèvent des problématiques spécifiques, telles que leurs processus d'étalonnage et leur contrôle temps réel au moyen de lois de commande tomographiques. Mes travaux de recherche ont consisté à modifier et optimiser le banc OA grand champ de l'Onera pour ensuite y implanter et comparer différentes loi de commande tomographiques envisagées pour les futurs instruments. Pour cela, une caractérisation et une implantation de nouveaux composants ont été effectuées, et j'ai développé une procédure d'identification de paramètres système dans un objectif double: alignement du banc et optimisation de lois de commande. Quatre lois de commande, explorant la diversité des solutions proposées, sont ensuite étudiées, du simple reconstructeur moindre carré à la commande optimale linéaire quadratique gaussienne, en passant par des approches de type pseudo boucle ouverte ou miroir déformable virtuel. Pour chacune, une optimisation des facteurs de réglage est effectuée, et une performance en fonction du champ est établie, ce pour plusieurs valeurs de rapport signal à bruit. Les résultats expérimentaux sont mis en regard avec les résultats obtenus par simulation, et les lois de commande sont comparées ensuite en terme de performance, robustesse et simplicité de mise en œuvre. / Adaptive Optics (AO) provides a real-time correction of the atmospheric turbulence effects. This technique is now well mastered; nonetheless it is limited by the anisoplanatism effect. Wide Field AO concepts have been developed to overcome this limitation. Turbulence is probed in several directions in order to perform a tomographic reconstruction of the turbulent volume. These complex systems raise critical challenges such as tomographic control and calibrations.My PhD work is focused on implementation and comparison of different tomographic control schemes developed in the perspective of future systems, after an optimisation of the Onera wide field AO bench. Calibration and integration of new components have been performed, and I have developed a method to identify system parameters with a twofold goal: bench alignment and control laws optimisation. Four control schemes have been studied, exploring the proposed solutions, from the simplest least-square to the optimal linear quadratic gaussian solutions including virtual deformable mirror and pseudo open loop approaches. In each case, an optimisation of tuning factors is performed and low and high noise conditions are explored, for several different fields of views. Experimental results are compared to numerical ones and control laws are analyzed in term of performance, robustness and implementation simplicity.

Nous présentons une série d’expériences sur des particules micrométriques de polystyrène de formes ellipsoïdales. Les rapports d’aspects (k) des particules sont variables, de 0.2 à 8 environ. Ces ellipsoïdes sont manipulés dans l’eau par faisceau laser modérément focalisé. On observe la lévitation et l’équilibre dynamique de chaque particule, dans le volume et au contact d’une interface, solide-liquide ou liquide-liquide. Dans une première partie, nous montrons que des particules de k modéré sont piégées radialement. Par contre, les ellipsoïdes allongés (k>3) ou aplatis (k<0.3) ne peuvent pas être immobilisés. Ces particules « dansent » autour du faisceau, dans un mouvement permanent associant translation et rotation. Les mouvements sont périodiques, ou irréguliers (chaotiques) selon les caractéristiques de la particule et du faisceau. Un modèle en 2d est proposé qui permet de comprendre l’origine des oscillations. La seconde partie est une application de la lévitation optique pour une étude de la transition mouillage total-mouillage partiel des particules à l’interface eau-air. Nous montrons que la dynamique de la transition ne dépend pratiquement pas de la forme de particule, et qu’elle est déterminée par le mécanisme d’accrochage-décrochage de la ligne de contact. / We report experiments on ellipsoidal micrometre-sized polystyrene particles. The particle aspect ratio (k) varies between about 0.2 and 8. These particles are manipulated in water by means of a moderately focused laser beam. We observe the levitation and the dynamical state of each particle in the laser beam, in bulk water or in contact to an interface (water-glass, water-air, water-oil). In the first part, we show that moderate-k particles are radially trapped with their long axis lying parallel to the beam. Conversely, elongated (k>3) or flattened (k<0.3) ellipsoids never come to rest, and permanently “dance” around the beam, through coupled translation-rotation motions. The dynamics are periodic or irregular (akin to chaos) depending on the particle type and beam characteristics. We propose a 2d model that indeed predicts the bifurcation between static and oscillating states. In the second part, we apply optical levitation to study the transition from total to partial wetting of the particles at the water-air interface. We show that the dynamics of the transition is about independent of particle shape, and mainly governed by the pinning-depinning mechanism of the contact line.

Les télécommunications laser en espace libre sont limitées en portée par la turbulence atmosphérique. L'optique adaptative, par la correction de la phase turbulente à l'émission du faisceau, a permis d'étendre leur domaine d'exploitation.Toutefois, sur de longues distances de propagation, cette correction n'est plus suffisante et il faut également précompenser l'amplitude du faisceau émis. De premières études numériques ont montré que le principe de retournement temporel, ou plus exactement de conjugaison de phase bidirectionnelle itérative, conduirait à des conditions satisfaisantes de focalisation du faisceau laser en fort régime de turbulence.Le principe de conjugaison de phase n'ayant été étudié que théoriquement jusque-là, mon travail de thèse s'est attaché à mettre en oeuvre un démonstrateur expérimental pour quantifier les performances de cette technique dans des conditions maîtrisées. En parallèle, une simulation de bout en bout de l'expérience a permis d'évaluer l'influence d'erreurs d'étalonnage sur les performances finales de la correction et de valider les résultats expérimentaux obtenus. Les points durs de la mise en oeuvre d'un système de télécommunications laser en espace libre ont ainsi été identifiés.L'ensemble de ces travaux constitue la toute première démonstration expérimentale du principe de retournement temporel optique. D'autres domaines d'application comme les lasers de puissance ou la propagation à travers des milieux biologiques très diffusants, nécessitant également de corriger le faisceau à l'émission, sont concernés. / Free Space Optical communications (FSO) are range limited due to atmospheric turbulence. Adaptive optics can mitigate turbulence effects by adding a phase modulation on the emitted laser beam. However, both phase and amplitude modulation are needed to perform long range FSO. Previous numerical studies have shown that iterative phase conjugation is an efficient modulation technique for lasercom systems.This PhD thesis is dedicated to the development and the realization of the first experimental demonstration of the iterative phase conjugation principle in a controlled turbulence environment. An optical bench, representative of a long range propagation through strong turbulence, has been scaled down to few-meters propagation in visible.Several methods for complex field measurement and modulation are numerically studied. Selected methods are implemented and tested, such as a novel focal plane technique for complex field measurement. Finally, iterative phase conjugation is performed and results cross-correlated with an end-to-end model representative of the optical bench.This work is the first experimental demonstration of the optical phase conjugation principle. Applications can be found in other fields than lasercoms, such as high power lasers or propagation through highly diffusing biological tissues, both in need of laser emission modulation.