Ce manuscrit de thèse présente l’étude d’instabilités non-linéaires et la génération d’ondes scélérates complexes liées à la propagation de la lumière dans des fibres optiques standards des télécommunications optiques. Un rappel est tout d’abord présenté sur les phénomènes physiques linéaires et non-linéaires impliqués et qui peuvent présenter une analogie directe avec le domaine de l’hydrodynamique. Les différentes formes d’ondes scélérates liées au processus d’instabilité de modulation, aussi appelées « breathers », sont alors présentées, elles sont obtenues par la résolution de l’équation de Schrödinger non-linéaire. À partir de ces solutions exactes, divers systèmes expérimentaux sont alors conçus par simulation numérique à partir de deux méthodes d’excitation d’ondes scélérates. La première est une génération exacte à partir des solutions analytiques en effectuant une mise en forme spectrale en intensité et en phase d’un peigne de fréquence optique. La seconde méthode est basée sur des conditions initiales approchées avec des ondes continues modulées sinusoïdalement. Les mesures expérimentales réalisées avec ces deux méthodes démontrent parfaitement la génération d’ondes scélérates complexes (solutions d’ordre supérieur du système) issues de la superposition non-linéaire ou collisions de « breathers » de premier ordre. Enfin, nous avons également étudié un système non-linéaire équivalent au modèle de Manakov, qui fait intervenir la propagation de deux ondes distinctes avec des polarisations orthogonales dans une fibre optique. L’analyse de stabilité et des simulations numériques de ce système multi-variable mettent en évidence un nouveau régime d’instabilité de modulation vectorielle ainsi que de nouvelles solutions d’ondes scélérates noires et couplées en polarisation. Un nouveau système expérimental mis en place a permis de confirmer ces prédictions théoriques avec un excellent accord quantitatif. / This manuscript presents the generation of complex rogue waves related to nonlinear instabilities occurring through the propagation of light in standard optical fibers. Linear and nonlinear physical phenomena involved are first listed, in particular some of them by analogy with the field of hydrodynamics. The different forms of rogue waves induced by the modulation instability process are then presented. They are also known as "breathers", and they are obtained by solving the nonlinear Schrödinger equation. From these exact solutions, various experimental systems were designed by means of numerical simulations based on two rogue-wave excitation methods. The first one is an exact generation of mathematical solutions based on the spectral shaping of an optical frequency comb. The second method uses approximate initial conditions with a simple sinusoidal modulation of continuous waves. For both cases, experimental measurements demonstrate the generation of complex rogue waves (i.e., higher-order solutions of the system) arising from the nonlinear superposition or collision of first-order breathers. Finally, we also studied a nonlinear fiber system equivalent to the Manakov model, which involves the propagation of two distinct waves with orthogonal polarizations. The stability analysis and numerical simulations of this multi-component system highlight a novel regime of vector modulation instability and the existence of coupled dark rogue-wave solutions. A new experimental system setup was conceived and theoretical predictions are confirmed with an excellent quantitative agreement.

Dans cette thèse, nous proposons l'utilisation d'un nouveau type de fibre à cristal photonique, la fibre Kagomé à coeur creux, pour la livraison d'impulsions ultra-courtes en endoscopie non linéaire. Ces fibres permettent la livraison d'impulsions sans distorsion sur une large bande spectrale, avec un faible bruit de fond, grâce à la propagation dans le cœur creux. Nous avons résolu le problème de la résolution spatiale, à l'aide d'une microbille en silice, insérée dans le cœur de la fibre Kagomé. Nous avons développé un système d'imagerie compacte, qui utilise un tube piézo-électrique pour le balayage du faisceau, un système achromatiques de microlentilles et une fibre Kagomé double gaine, spécialement conçue pour l'endoscopie. Avec ce système, nous avons réussi à imager des tissus biologiques, à l'extrémité distale de la fibre (endoscopie), en utilisant des différentes techniques tels que TPEF, SHG et CARS, un résultat qui ne trouve pas d'égal dans la littérature actuelle. L'intégration dans une sonde portable (4,2 mm de diamètre) montre le potentiel de ce système pour de futures applications en endoscopie multimodale in-vivo. / In this thesis, we propose the use of a novel type of photonic crystal fiber, the Kagomé lattice hollow core fiber, for the delivery of ultra-short pulses in nonlinear endoscopy. These fibers allow undistorted pulse delivery, over a broad transmission window, with minimum background signal generated in the fiber, thanks to the propagation in a hollow-core. We solved the problem of spatial resolution, by means of a silica micro-bead inserted in the Kagomé fiber large core. We have developed a miniature imaging system, based on a piezo-electric tube scanner, an achromatic micro-lenses assembly and a specifically designed Kagomé double-clad fiber. With this system we were able to image biological tissues, in endoscope modality, activating different contrasts such as TPEF, SHG and CARS, at the distal end of the fiber, a result which finds no equal in current literature. The integration in a portable probe (4.2 mm in diameter) shows the potential of this system for future in-vivo multimodal endoscopy.

A débit de données élevé, typiquement supérieur à 10 Gsymboles/s, les lignes de<p>télécommunication optique à fibre monomode souffrent de façon accrue des distorsions<p>inhérentes à la fibre et à l’architecture de transmission. Nous pouvons classer les<p>effets de fibre en plusieurs catégories:<p>– Les effets linéaires. La dispersion chromatique est entraînée par la dépendance en<p>fréquence de l’indice de réfraction de la fibre. Il en résulte un élargissement des<p>bits optiques. La dispersion des modes de polarisation prend son origine dans<p>la biréfringence de la fibre. La modélisation de cet effet est compliquée par son<p>caractère stochastique et variable dans le temps.<p>– Les effets non linéaires prennent leur origine dans un indice de réfraction de<p>fibre qui dépend du champ optique. Ces effets peuvent être classés en deux<p>catégories. Premièrement, les effets intérieurs à un canal dont le plus influant<p>est l’automodulation de phase qui découle de l’effet Kerr optique :l’intensité<p>d’une impulsion lumineuse influence sa propre propagation. Deuxièmement, il<p>existe des conséquences de l’effet Kerr par lesquelles les différents canaux, se<p>propageant au sein de la même fibre, s’influencent mutuellement. Le phénomène<p>le plus influent parmi ces derniers est la modulation de phase croisée :l’intensité<p>d’un canal influence la propagation dans un canal voisin.<p>– Les pertes par diffusion Rayleigh sont compensées par les amplificateurs distribués<p>le long de la ligne de transmission. L’amplification optique par l’intermédiaire<p>d’émission stimulée dans des dispositifs dopés aux ions Erbium est<p>accompagnée d’émission spontanée amplifiée. Ceci entraîne la présence d’un<p>bruit blanc gaussien se superposant au signal à transmettre.<p>– La gestion des canaux dans le réseau optique implique la présence dans les noeuds<p>du réseau de filtres de sélection, des multiplexeurs et démultiplexeurs.<p>Nous examinerons aussi les effets de ligne non inhérents à la fibre mais à l’architecture<p>de transmission. Les modèles de l’émetteur et du récepteur représentent les imperfections<p>d’implémentation des composants optiques et électroniques.<p>Un premier objectif est de définir et évaluer un format de modulation robuste aux<p>imperfections introduites sur le signal par la fibre optique et par l’émetteur/récepteur.<p>Deux caractéristiques fondamentales du format de modulation, determinants pour la<p>performance du système, sont étudiés dans ce travail :<p>– La forme d’ onde. Les symboles complexes d’information sont mis en forme par<p>un filtre passe-bas dont le profil influence la robustesse du signal vis-à-vis des<p>effets de ligne.<p>– La distribution des fréquences porteuses. Les canaux de communication sont<p>disposés sur une grille fréquentielle qui peut être définie de manière électronique<p>par traitement de signal, de manière optique ou dans une configuration hybride.<p>Lorsque des porteuses optiques sont utilisées, le bruit de phase relatif entre lasers<p>entraîne des effets d’ influence croisée entre canaux. En revanche, les limites des<p>implémentations électroniques sont données par la puissance des architectures<p>numériques.<p>Le deuxième objectif est de concevoir des techniques de traitement numérique du<p>signal implémentées après échantillonnage au récepteur afin de retrouver l’information<p>transmise. Les fonctions suivantes seront implémentées au récepteur :<p>– Les techniques d’estimation et d’égalisation des effets linéaires introduits par la<p>fibre optique et par l’émetteur et le récepteur. Le principe de l’égalisation dans<p>le domaine fréquentiel est de transformer le canal convolutif dans le domaine<p>temporel en un canal multiplicatif qui peut dès lors être compensé à une faible<p>complexité de calcul par des multiplications scalaires. Les blocs de symboles<p>émis doivent être rendus cycliques par l’ajout de redondance sous la forme d’un<p>préfixe cyclique ou d’une séquence d’apprentissage. Les techniques d’égalisation<p>seront comparées en termes de performance (taux d’erreurs binaires, efficacité<p>spectrale) et en termes de complexité de calcul. Ce dernier aspect est particulièrement<p>crucial en vue de l’optimisation de la consommation énergétique du<p>système conçu.<p>– Les techniques de synchronisation des signaux en temps/fréquence. Avant de<p>pouvoir égaliser les effets linéaires introduits dans la fibre, le signal reçu devra<p>être synchronisé en temps et en fréquence sur le signal envoyé. La synchronisation<p>est généralement accomplie en deux étapes principales :l’acquisition réalisée<p>avant de recevoir les symboles d’information don’t l’objectif est une première<p>estimation/compensation des effets de manière "grossière", le tracking réalisé en<p>parallèle à l’estimation des symboles d’information dont l’objectif est l’estimation<p>/compensation des effets de manière "fine". Les algorithmes d’acquisition et<p>de tracking peuvent nécessiter l’envoi d’informations connues du récepteur.<p>– Les techniques d’estimation et de compensation des imperfections de fonctionnement<p>de l’émetteur et du récepteur. Une structure de compensation des effets<p>introduits par les composants optiques et électroniques sera développée afin de<p>relâcher les contraintes d’implémentation de l’émetteur et du récepteur.<p>Etant donné la très haute cadence à laquelle les échantillons du signal sont produits<p>(plusieurs dizaines de Gech/s), une attention particulière est portée à la complexité de<p>calcul des algorithmes proposés. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La dissertation explore différentes applications des fibres optiques en ingénierie quantique. Deux thématiques sont développées :d'une part l'utilisation des fibres optiques monomodales en silice pour l'implémentation d'algorithmes et de protocoles de communication quantiques et d'autre part l'utilisation de la non-linéarité de ces fibres pour réaliser des sources de paires de photons corrélés. L'étude est à la fois théorique et expérimentale./ The dissertation explores various uses of optical fibers for quantum engineering. Two topics are developed :first the use of single-mode silica fibers for implementing quantum algorithms and communication protocols, second the use of these fibers for generating correlated photon-pairs. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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

The main goal of the master’s thesis was to familiarize with optical networks dilemma and its measuring during fabrication. The whole thesis is divided into several parts where the first part deals with optic fiber dilemma. It describes its kinds, properties and also suggests a basic principle of optic signal dispersion using these fibers. It describes also optical network FTTx architecture (Fiber To The x). The second part of the thesis focuses on methods of measuring key parameters of optical networks. Is brings out the methods of measuring optical loss and dispersive influences. The last and final part in focused on creating a methodical manual for measuring these networks during its fabrication and verifying measuring methods stated in the theoretical part inside a real network. Measuring was implemented on an optical network of Masaryk University in Brno.

The main object of the master thesis was to familiarize with optical networks, describe the latest current technology of passive optical networks and create a simple simulation of our chosen technology. This thesis was divided into several parts. The first part deals with passive network architecture. I illustrated the basic functional elements which are present in optical networks. I described the active elements and principles of data transmission in the distribution network. To conclude this chapter I described the different standards that are defined for the passive network. In second part I familiarized myself with key parameters and their adverse effect on the transmitted signal. Another part deals with the new technologies that are defined for the next generation of passive network NG-PON. I described the principles of data transmission in these networks and their advantages and disadvantages. The last part deals with creating custom simulations of technology defined by standard NG-PON using OptSim 05.02 Subsequently I have collated all the results of the various technologies and show the advantages and disadvantages of each.

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L'interférométrie visible longue base est une technique d'observation en astronomie permettant de sonder les objets avec une résolution spatiale qu'il est impossible d'atteindre avec un télescope seul. La mise en œuvre au sol de cette méthode est limitée en sensibilité et précision de mesure à cause de la turbulence atmosphérique. Or les nouveaux besoins scientifiques, tels que la détermination des paramètres fondamentaux, l'étude de l'environnement proche ou de la surface des étoiles, requièrent la capacité d'observer des objets de moins en moins brillants et de faire des mesures de plus en plus précises, en interférométrie visible. Pour s'affranchir de la turbulence, l'interférométrie multimode a été développée en reprenant le concept de l'interférométrie des tavelures utilisée sur un seul télescope. Aujourd'hui, pour améliorer davantage les performances des futurs instruments, cette instrumentation évolue vers l'utilisation de la nouvelle génération de détecteur, l'Electron Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD), et de l'emploi des fibres optiques interfacées avec des optiques adaptatives. Cette avancée est motivée par le succès de l'utilisation conjointe de l'optique adaptative et du suivi de franges pour s'affranchir partiellement de la turbulence en interférométrie infrarouge, en 2017 avec l'instrument GRAVITY (Gravity Collaboration et al. 2017). Le prototype FRIEND (Fibered and spectrally Resolved Interferometer - New Design) a été conçu pour caractériser et évaluer les performances de la combinaison de ces éléments, dans le domaine visible. L'amélioration de la précision des instruments interférométriques est apportée par les fibres optiques et par la dynamique du signal délivré par une EMCCD. L'inconvénient de l'emploi des fibres dans le visible est une perte de la sensibilité du fait que le taux d'injection du flux dans celles-ci est très faible à cause de la turbulence atmosphérique. Mais il se trouve que l'optique adaptative et l'EMCCD permettent d'améliorer la sensibilité. En effet, l'optique adaptative maximise l'injection en réduisant l'influence de la turbulence atmosphérique, et l'EMCCD est capable de détecteur de faibles flux. FRIEND prépare ainsi le développement du futur instrument SPICA, recombinant jusqu'à six télescopes (Mourard et al. 2017, 2018). Celui-ci devra explorer la stabilisation des interférences grâce au suivi de franges. Cet aspect n'est pas abordé dans cette thèse. Je présente dans cette thèse le prototype FRIEND, capable de recombiner jusqu'à trois télescopes, opérant dans la bande R en franges dispersées. Il est doté de fibres optiques gaussiennes monomodes à maintien de polarisation et d'une EMCCD. Il est installé sur l'interféromètre visible Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA), au Mount Wilson, en Californie, qui est en train de s'équiper d'optiques adaptatives. J'ai développé des estimateurs de visibilité et de clôture de phase, la méthode de réduction des données de ce prototype et une stratégie d'observation. Grâce à ces outils, j'ai montré que les optiques adaptatives améliorent le taux d'injection dans les fibres. Il est alors apparu que la stabilisation de l'injection est importante pour maximiser le rapport signal-à-bruit dans chaque image. La biréfringence des fibres dégrade les performances de l'instrument mais elle a pu être compensée. J'ai montré qu'un instrument, basé sur la conception de FRIEND, permet d'accéder à des mesures de visibilité faibles avec une précision, inatteignable avec la génération actuelle, grâce au développement et l'utilisation d'un modèle de rapport signal-à-bruit. L'instrument a enfin été testé dans son intégralité sur le système binaire connu ζ Ori A. Cette observation montre la fiabilité et la précision des mesures interférométriques obtenues avec ce prototype, montrant l'intérêt de cette association de technologies pour les futurs interféromètres visibles. / Long baseline visible interferometry in astronomy is an observing technique which allows to get insights of an object with an outstanding angular resolution, unreachable with single-dish telescope. Interferometric measurements with ground-based instrumentation are currently limited in sensitivity and precision due to atmospheric turbulence. However, the new astrophysical needs, particularly the determination of fundamental parameters or the study of the closed environment and the surface of the stars, require to observe fainter objects with a better precision than now in visible interferometry. Ought to overcome the atmospheric turbulence, multispeckle interferometry has been developed by adapting speckle imaging technics used on single-dish telescope. Today, in order to improve the performance of the future combiners, instrumentation progresses to the use of a new generation detector called EMCCD, and the use of optical fibers which are coupled with adaptive optics. This path is chosen thank to the success of the use of the adaptive optics with the fringe tracking in the infrared interferometry in 2017 (Gravity Collaboration et al. 2017), in order to compensate turbulence. FRIEND prototype (Fibered and spectrally Resolved Interferometer - New Design) has been designed to characterize and estimate the performance of such a combination of technologies, in the visible spectral band. The improvement of the precision of the measurements from interferometric instruments is due to optical fibers and the dynamical range of the EMCCD. The counterpart of using the optical fibers is a loss in sensitivity due to a low injection rate of flux into the fibers because of the atmospheric turbulence. On the other hand, sensitivity is improved thanks to adaptive optics and EMCCDs. Indeed, adaptive optics increases the injection rate and EMCCDs can measure low fluxes. Lastly, FRIEND is a pathfinder for the future instrument SPICA which should recombine up to 6 telescopes (Mourard et al. 2017, 2018). Fringe-tracking aspects will have to be studied for SPICA; this topic is not dealt with in this thesis. In this work, I present the FRIEND prototype, which can recombine up to three telescopes and operates in the R band with dispersed fringes. It has Gaussian polarization-maintaining single mode optical fibers and an EMCCD. It is set up at the Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA), at Mount Wilson, in California. CHARA is currently being equipped with adaptive optics. I develop estimators of visibility modulus and closure phase, the data reduction software and an observing strategy. Thanks to that, I am able to show that adaptive optics improves the injection rate. I also demonstrate how important the stabilization of injection is to maximize the signal-to-noise ratio (SNR) per frame. Birefringence of the fibers decreases the performance of the instrument but we manage to compensate it. I show how such an instrument can measure low visibility with a better precision than now by developing and using a SNR model of FRIEND. Finally, FRIEND has entirely been tested on the known binary system ζ Ori A. These observations demonstrate how reliable and accurate the measurements of FRIEND are.

The zebrafish has emerged as an important genetic model system for the study of vertebrate development. However, while genetics is a powerful tool for the study of early gene functions, the approach is more limited when it comes to understanding later functions of genes that have essential roles in early embryogenesis. There is thus a need to manipulate gene expression at different times, and ideally only in some regions of the developing embryo. Methods for conditional gene regulation have been established in Drosophila, C.elegans and the mouse, utilizing conditional gene activation systems such as the Gal4-UAS system (fly) and the cre/lox recombination system (mouse). While these tools are also being developed in zebrafish, the accessibility of the zebrafish embryo makes other approaches both possible and desirable. We have taken advantage of a heat-shock inducible system that uses the hsp70 promoter that is activated by cellular stress, such as heat. Having established that this global heat shock method allows temporal control of gene expression, we aimed to spatially control gene expression by applying controlled thermal heat to only a small region of the embryo. This would allow us to determine cell- and tissue-autonomous roles for developmentally important genes in an embryo with otherwise normal gene function. We have now developed a device that uses a laser to heat a defined region of the embryo, and thus activate the hsp70 promoter only in restricted regions of the embryo. The output of a 75 mW red laser pointer was focused into the 50 µm diameter core of an optical fiber, whose cleaved and coated end was used to heat, and thus induce, gene expression in a defined area. We have established conditions that allow controlled heating and trans-gene activation in small regions of the embryo without inducing cell death. This new tool will allow us to study the cell-autonomous roles of embryonic signaling molecules in cell differentiation, proliferation, and survival in a variety of tissues and at different times.