Ce mémoire présente des travaux portant sur les ondes aux statistiques extrêmes qui représentent un sujet extrêmement attractif en optique depuis qu'une comparaison avec les vagues scélérates océaniques a été proposée fin 2007. Nous décrivons donc les mécanismes de formations de ces structures extrêmes dans le cadre de la propagation guidée de la lumière dans les fibres optiques. Dans une première partie, nous commençons par explorer les ondes scélérates optiques dans les supercontinuums générés par instabilité modulationnelle d'ordre 4 et proposons une méthode de stabilisation basée sur l'utilisation de deux germes continus. Puis, nous continuons avec une étude approfondie sur les amplificateurs Raman à fibre où des conditions d'apparitions des structures géantes sont déterminées. En effet, en présence d'une pompe partiellement incohérente comme le laser Raman fibré, un gain quasi-instantané et un faible walk-off mènent à des statistiques extrêmes. Cela a pu être vérifié que le signal soit continu ou impulsionnel et dans le cadre d'un amplificateur paramétrique basé sur l'instabilité modulationnelle d'ordre 2 incohérente. Dans la dernière partie, un système turbulent est étudié en fonction de l'incohérence ce qui nous a permis d'identifier trois régimes avec, en particulier, le second où il existe des quasi-solitons intermittents. Enfin, nous nous intéressons à des structures non-linéaires appelées Breathers d'Akhmediev, qui présentent des cycles de compression-décompression, et portons notre attention sur leur limite asymptotique : le soliton de Peregrine. Ce dernier est vu comme un prototype très intéressant des vagues scélérates. Nos études expérimentales, menées aux longueurs d'ondes des communications optiques et utilisant différentes méthodes de caractérisations spectro-temporelles, sont complétées par des études numériques et analytiques.

La thèse présente l’étude de la propagation et de l’auto-focalisation de faisceaux d’Airy dans un milieu photoréfractif. Le faisceau d’Airy est un faisceau dit accélérant qui, dans l’espace libre, présente une trajectoire curviligne, ne se déforme pas et est capable de se régénérer après un obstacle. L’auto-focalisation de faisceaux conventionnels, tels les faisceaux gaussiens, a été étudiée dans des milieux nonlinéaires en particulier pour des applications de routage tout-optique. En propageant des faisceaux optiques à travers de tels milieux photosensibles, il est possible de graver optiquement des guides d’onde retraçant la trajectoire de ces faisceaux. C’est dans ce contexte que le faisceau d’Airy suscite beaucoup d’intérêt, grâce à sa forme et sa trajectoire uniques. Dans ce mémoire nous étudions expérimentalement comme théoriquement les mécanismes d’auto-focalisation du faisceau d’Airy. Durant le régime transitoire de l’effet d’auto-focalisation, nous montrons des dynamiques spatiotemporelles singulières qui suggèrent une analogie avec les interactions gravitationnelles entre un objet massique et une onde se propageant dans l’espace-temps courbe. Dans un second temps, nous ajoutons un faisceau d’Airy se propageant dans la direction opposée au premier afin d’analyser leurs interactions. Ensuite, nous testons ces structures guidantes photoinduites par un ou deux faisceaux d’Airy, qui révèlent des possibilités de guidage uniques, non accessibles avec deux faisceaux conventionnels. Ces faisceaux optiques peuvent permettre de réaliser des fonctions de couplage, routage et multiplexage optique. Par ailleurs, nous étudions les limites de la force de guidage en augmentant la nonlinéarité d’autofocalisation du système. Les dynamiques spatiotemporelles qui en dérivent présentent des comportements et une évolution particuliers suggérant des applications dans le routage tout-optique stationnaire tout comme dynamique. Pour conclure, cette thèse nous permet de démontrer les alternatives prometteuses que nous offre le faisceau d’Airy dans la physique générale et plus particulièrement dans la photonique pour le routage tout-optique / In this thesis we study the propagation and the self-focusing of Airy beams in a photorefractive crystal. The Airy beam is a so-called accelerating beam which propagates in free space along a curved trajectory and with a shape-preserving and self-healing nature. The self-focusing of conventional beams, such as Gaussian beams, has been studied in nonlinear media in particular for all-optical routing solutions. By propagating optical beams in such photosensitive media, one can induce waveguides with the shape of the optical beams’ trajectories. The unique shape and trajectory of the Airy beam however suggest innovative waveguide possibilities. In this manuscript we theoretically and experimentally study the self-focusing mechanisms of the Airy beam. In particular during the transient self-focusing effect, we enlighten peculiar spatiotemporal dynamics suggesting an analogy with the gravitational interactions between a mass and a wave propagating in a curved spacetime. In a second step we add an Airy beam propagating in the opposite direction to analyze their cross-coupling interactions. The guiding structures induced by one or two counterpropagating Airy beams are then tested and show peculiar guiding possibilities that are not achievable using two conventional beams: optical beams can be guided along curved trajectories and eventually split into multiple beams. Furthermore the limits of the waveguiding strength are studied by increasing the self-focusing nonlinearity of the system. The resulting spatiotemporal dynamics present a peculiar behavior and evolution with possible applications in static and dynamical all-optical routing as well as optical computing such as random number generation. Finally with this thesis we demonstrate that the Airy beam offers promising alternatives in general physics and more specifically in photonics for all-optical routing

L'objectif de cette thèse est d'étudier une technique de combinaison cohérente de faisceaux : l'amplification paramétrique optique (OPA) à multiple pompes. Cette technique permet de transférer instantanément l'énergie de nombreuses pompes en un unique faisceau signal sans stockage d'énergie, et ainsi s'affranchissant d'effets thermiques dans le milieu amplificateur. Ceci peut s'avérer intéressant pour combiner l'énergie de multiples lasers à fibre et réaliser l'amplification à forte cadence de lasers très énergétiques ou d'impulsions à spectre large. A l'aide d'un code de calcul général et d'une étude expérimentale utilisant comme cristal non linéaire du BBO ou du LBO, nous calculons dans un premier temps la localisation des pompes autour du signal à amplifier, ainsi que les tolérances angulaires correspondantes qui déterminent la criticité d'alignement d'une telle configuration. Nous nous intéressons ensuite aux mécanismes de recombinaisons parasites entre une pompe et l'idler correspondant à une autre pompe. Après avoir démontré expérimentalement que ces recombinaisons peuvent dégrader les caractéristiques spatiales et spectrales du signal amplifié, nous montrons qu'il est possible d'éliminer ces risques de couplages néfastes en écartant suffisamment les pompes entre elles. Une modélisation originale de l'OPA multi-pompes suggère de relier ces phénomènes parasites aux effets des réseaux résultant des interactions entre les différentes pompes. La dernière partie présente l'expérience d'OPA à 5 pompes qui nous a permis d'atteindre un rendement de transfert énergétique des pompes vers le signal de 27%, et obtenir ainsi un signal plus énergétique que chaque pompe prise séparément. / This work deals with a technique of combination of coherent beams: Optical Parametric Amplification (OPA) with Multiple Pumps. This technique is used to instantly transfer the energy of several pumps on one beam, without energy storage and thus avoiding thermal effects in the amplifying media. It can be useful to combine energy of numerous fiber lasers and to amplifiy with a high repetition rate very high energy lasers or broadband pulses. With a numerical and experimental study using BBO and LBO as nonlinear crystal, we determine how to dispose the pumps around the signal and the corresponding angular tolerances of such set up. Then we focus our attention on recombining mechanisms between a pump and a non-corresponding idler. We demonstrate experimentally that these cascading effects may decrease the spatial and spectral quality of the amplified signal, and that these phenomena can be avoided with a minimum angle between the different pumps. A novel modelling of multi-pumps OPA links these cascading effects to the gratings generated by the interaction between the pumps. The last part presents a 5 pump OPA experiment. We achieve a pump-to-signal efficiency of 27% and so that a signal more powerful than each pump is obtained.

Les propriétés optiques linéaires et non-linéaires de nanoparticules métalliques de tailles non-négligeables comparées à celles des longueurs d’onde excitatrices sont étudiées dans cette thèse. Les informations issues de la symétrie sont mises en avant afin de décrire des nanoparticules appartenant à des groupes ponctuels. Pour cela, un formalisme totalement irréductible est mis en place afin de prendre en compte l’extension spatiale des objets étudiés. Dans ce formalisme, le tenseur de réponse non-linéaire possède un nombre fini de valeurs significatives reliant les composantes multipolaires des champs incidents et sortants. Ce formalisme est alors appliqué analytiquement à l’étude de la réponse non- linéaire du second ordre de nano-étoiles d’or en interprétant des mesures de SHG résolue en polarisation. Finalement, des expériences de spectroscopies multidimensionnelles sont utilisées dans le but de connecter les propriétés spatiales et les propriétés spectrales de ces objets. L’introduction de modes propres définis par la symétrie des objets permet encore une fois de donner un sens physique aux comportements électroniques mis en jeu / Using metallic nanoparticles with a threefold symmetry thorough the study, the impact of the symmetry on the nonlinear properties is investigated. Interpretations of polarization-resolved SHG experiments indicate the importance of multipolar resonances, in particular quadrupole and octupole, to explain the strong values of the nonlinear susceptibilities in such systems. A fully irreducible formalism is then developed to treat extended objects like nanoparticles. In this formalism, the nonlinear response tensor is a discrete set of values easily constrained by symmetries instead of a field. This formalism permits to describe simply linear and nonlinear optical response from nanoparticles. Finally, time-domain experiments are conducted with the aim to connect spatial and spectral properties. These experiments allow to interpret the spectra in terms of eigenmodes

Les matériaux tellurites possèdent des propriétés optiques non linéaires exceptionnelles, avec des valeurs de la susceptibilité optique non linéaire d’ordre trois de l’ordre de 10 à 50 fois supérieures à celle de la silice pure, favorisant alors l’efficacité des effets non linéaires. L’origine de ces propriétés optiques exceptionnelles est associée non seulement à la présence de la paire libre mais aussi à une « délocalisation » électronique très forte le long des ponts Te-O-Te dans des chaînes polymérisées (TeO2)p. Ainsi, nos recherches expérimentales ont porté sur les deux systèmes ternaires suivants : TeO2-TiO2-ZnO (TTZ) et TeO2-GeO2-ZnO (TGZ).Les domaines vitreux ont été délimités, la stabilité thermique augmente en fonction de l’ajout de ZnO, TiO2 et GeO2. L’étude vibrationnelle réalisée par spectroscopie de diffusion Raman et réflectivité spéculaire infrarouge, a mis en évidence une faible dépolymérisation du réseau vitreux par rupture des chaînes formées via des ponts Te-O-Te. Pour les teneurs élevées en ZnO, ce dernier contribue à une compensation de cette rupture par la formation de nouveaux ponts Te-O-Zn et/ou Zn-O-Zn. Une étude complète des propriétés mécaniques a été menée à la fois à température ambiante et en fonction de la température, notamment au passage de la température de transition vitreuse. L’augmentation de la teneur en ZnO dans les verres TTZ et TGZ a augmenté globalement les modules élastiques. Enfin, la diminution de la susceptibilité optique non linéaire du troisième ordre avec l’ajout de ZnO, nous a permis de montrer l’importance de la présence de chaînes composées de ponts Te-O-Te dans la structure du verre à base de dioxyde de tellure. / Tellurite materials possess exceptional nonlinear optical properties, with values of the third-order nonlinear optical susceptibility are 10 to 50 times higher than in pure silica, favoring then the efficiency of the nonlinear effects. The origin of these exceptional optical properties is not only associated with the presence of the electronic lone pair, but also with the very strong electronic "delocalization" along Te-O-Te bridges in polymerized chains (TeO2)p. Our experimental researches concerned the following both ternary glass systems: TeO2-TiO2-ZnO (TTZ) and TeO2-GeO2-ZnO (TGZ).The glass formation domains were determined, the thermal stability increases with the increased amount of ZnO, TiO2 and GeO2. The vibrational study carried out using Raman spectroscopy and specular infrared reflectivity, revealed that the increase of the ZnO amount leads to a slight depolymerization of the glass network by breaking chains formed via Te-O-Te bridges. For higher ZnO contents, the latter contributes to a compensation of this break by the formation of new bridges: Te-O-Zn and/or Zn-O-Zn. Mechanical properties were studied at the same time at room and high temperature, in particular around the glass transition temperature. The increase of the ZnO content in TTZ and TGZ glasses increased globally elastic modulus. Finally, the decrease of the third-order nonlinear optical susceptibility with the increased ZnO concentration emphasizes the role of the presence of chains consisted of Te-O-Te bridges in the structure of the tellurite glass.

Les travaux réalisés dans ce manuscrit portent sur l'étude de la génération de supercontinuum dans des fibres transparentes dans le moyen infrarouge. Afin de générer un supercontinuum entre 3 et 5 µm, nous chercherons à comparer différentes familles de verres tels que les verres de fluorures, les verres d'oxydes de tellures et les verres de chalcogénures. Ces fibres sont pompées à l'aide de laser à fibre émettant autour de 2 µm en régime impulsionnel nanoseconde ou picoseconde. Cette longueur d'onde permet de s'approcher du zéro de dispersion chromatique de certaines fibres. Nous générons un supercontinuum jusqu'à 3800 nm dans des verres fluorés. Une connectique, dont la transmission est d'environ 75 %, est réalisée entre une fibre ZBLAN et une fibre SiO2. Une mesure des raies d'absorption du méthane est réalisée autour de 3300 nm à l'aide du supercontinuum généré dans les verres fluorés. Un supercontinuum est généré jusqu'à 2900 nm dans une fibre en oxyde de tellure. L'étendue du spectre aux grandes longueurs d'onde est limitée par l'atténuation de la fibre. Enfin, plusieurs compositions de verres de chalcogénures sont testées (As38Se62, As40S60, Ge10As22Se68). Ces fibres seront tout d'abord pompées dans leur régime de dispersion normale et nous observerons la formation de 4 sauts Raman successifs. Le gain Raman dans les verres AsSe est estimé à (1,6+/- 0,5) x 10E-11 m/W. Un compromis entre le contrôle de la dispersion chromatique et le couplage dans la fibre nous conduit à réaliser des fibres effilées dont le diamètre varie sur la longueur de la fibre. Nous obtiendrons alors un supercontinuum dans une fibre effilée en verre d'AsSe jusqu'à 2600 nm / The work reported in this thesis deals with the study of the supercontinuum generation in fibers transparent in the mid-infrared. To generate a supercontinuum between 3 and 5 µm we compare different glass families such as fluoride glasses, tellurite glasses and chalcogenide glasses. These fibers are pumped with fiber lasers emitting at 2 µm with nanosecond or picosecond pulse duration. This wavelength allows us to reach the zero dispersion wavelength of the chalcogenide tapered fibers. We report supercontinuum generation up to 3800 nm in a fluoride glass fiber. A connection with 75 % of transmission is made between a ZBLAN and a SiO2 fiber. We also measured absorption lines of the methane at 3300 nm. We report supercontinuum generation up to 2900 nm in an oxyde tellurite fiber. The supercontinuum edge at long wavelength is limited by the OH absorption of the fiber. Finally, several chalcogenide glass compositions and geometries are tested (As38Se62, As40S60, Ge10As22Se68). These fibers are pumped in their normal dispersion regime and we observe the four cascaded Raman shifts. The Raman gain coefficient in the AsSe glasses is estimated to be (1,6+/- 0,5) x 10E-11 m/W.A trade-off between the chromatic dispersion control and the coupling in the fiber leads us to use tapered fibers whose diameter varies along the length of the fiber. We report supercontinuum generation in an AsSe tapered fiber up to 2600 nm

Ce mémoire présente des techniques tout-optiques visant à préserver les paramètres physiques d’un signal télécom au cours de sa propagation dans une fibre optique de plusieurs kilomètres, tels que son état de polarisation, son profil d’intensité et son spectre. Il se compose en deux majeures parties.La première présente tout d’abord l’attraction de polarisation, ayant lieu au cours de l’interaction entre deux faisceaux contrapropagatifs, et qui permet d’imposer un état fixe de polarisation au signal à la sortie de la fibre indépendamment de son état initial. Des applications tout-optiques basées sur l’Omnipolariseur, un dispositif mis au point à Dijon et permettant le contrôle de ce phénomène non linéaire, sont ensuite développées. Elles fonctionnalisent l’état de polarisation d’un signal OOK-RZ à 10 Gbit/s pour mettre au point une mémoire optique à bascule, un routeur, un brouilleur chaotique, et une technique de copie/dissimulation de paquets de données dans une fibre spun de 5 km.La deuxième réalise la première démonstration expérimentale des parois de domaines de polarisation qui annulent les effets dégradant les profils d’intensité et spectral d’un signal codé au cours de sa propagation. Ce phénomène provient du couplage non-linéaire entre les deux modes de polarisation orthogonaux d’une lumière qui se propage dans un milieu Kerr en régime normal de dispersion, et provoque une modulation en opposition de phase des deux modes le long de la fibre. Il est possible de verrouiller deux trains d’impulsions optiques d’intensité complémentaire de sorte à ce que les impulsions ne subissent plus les effets de distorsion intervenant au sein de la fibre afin de conserver l’information à transmettre. Ainsi une propagation sans distorsion a pu être réalisée sur 50 km. / The second performs the first experimental demonstration of the polarization domain walls which cancel the effects which degrade the intensity and spectral profile of a telecom signal during propagation. This phenomenon comes from non-linear coupling between the two orthogonal polarization modes of light propagating in a Kerr medium in normal dispersion regime, and causes a modulation in phase opposition of the two modes along the fiber. It is possible to lock two optical pulse trains complementary intensity so that the pulses do not suffer the effects of distortion occurring in the fiber in order to maintain the information to be transmitted. And a distortion-free propagation was achieved on 50 km.

La surveillance globale de l’atmosphère et de la pollution de l’air est devenue un enjeu majeur ces dernières années afin d’estimer les conséquences des activités humaines sur notre environnement. Au cours de ces travaux de thèse, l’objectif a été de développer deux instruments LIDARs en détection directe basés sur des émetteurs multi-longueurs d’onde et multi-espèces mettant en œuvre des sources paramétriques optiques innovantes basées sur la technologie NesCOPO (nested cavity optical parametric oscillator) afin de répondre à deux applications : le suivi de la qualité de l’air sur sites industriels et le suivi des gaz à effet de serre depuis l’espace. Un premier instrument multi-espèces a été développé dans le cadre du suivi de la qualité de l’air sur sites industriels, dans la gamme spectrale 3,3 à 3,8 µm, et dédié à des mesures de concentrations moyennes le long de la ligne de visée pour des portées de l’ordre de la centaine de mètres. Une démonstration du potentiel multi-espèces de l’instrument a été réalisée en mesurant simultanément les concentrations en méthane et en vapeur d’eau atmosphériques. A partir d’une source optique existante dédiée à la mesure du dioxyde de carbone seul, un second émetteur multi-longueurs d’onde et multi-espèces a été développé dans une gamme spectrale autour de 2 µm. Son potentiel pour la mesure des gaz à effets de serre depuis l’espace a été étudié En particulier, nous avons démontré que cet émetteur permet de mesurer trois gaz atmosphériques : CO2, H2O et CH4. Une architecture globale d’instrument intégrant cet émetteur a été proposée, afin de réaliser des mesures résolues spatialement, avec des portées de quelques km. De plus, un code de simulation a été développé pour estimer les performances de cet instrument en détection directe. / Atmospheric global monitoring and air quality are major environmental concerns. Global monitoring of some trace and green-house gases would help to understand the consequences of human activities on our environment. The aim of this work is to develop two multi-wavelengths and multi-species direct detection lidar instruments, based on the same laser transmitter baseline approach - an innovative parametric source, the Nested Cavity optical parametric oscilator-and to target two applications: the monitoring of air quality on industrial sites and the monitoring of greenhouse gases from space. The first instrument was designed for industrial plant monitoring applications, in the 3.3-3.8µm, and allows the measurement of multi-species mean concentrations along the line of sight, over a range of around a hundred meters. This instrument was implemented for simultaneous measurements of atmospheric methane and water vapour.The second instrument targets the green-house gases measurement from space applications. In this frame, a new multi-wavelengths and multi-species emitter was developed at 2 µm for space applications. We have demonstrated that this new emitter could address three species: carbon dioxide, water vapor and methane, and studied his potential for space-borne applications.. The architecture of a complete range-resolved instrument based on this transmitter was proposed. Moreover, a numerical algorithm was developed to estimate the instrument’s performances with a direct detection scheme.

Les composés organiques à base d'hétérocycles pyraniques peuvent être utilisé dans les cellules photovoltaïques ou dans des matériaux du domaine des télécommunications grâce à leurs propriétés en optique non linéaire. Plusieurs de ces composés ont été synthétisés, analysés et testés dans des cellules solaires à colorants. Des rendements photovoltaïques ont pu ainsi être obtenus et des modifications sur ses composés ont été effectuées afin d'obtenir une meilleure conversions de l'énergie solaire en courant électrique. / Organic compounds with pyranic heterocycles could be used in solar cells or in materials for telecommunications due tot their nonlinear optic properties. Several compounds synthesized were tested in dyes solar cells. The efficiencies of these dyes were obtained and the effect of structural modifications were studied with the goal to obtain a better efficiency.

Cette thèse traite de comportements non-linéaires dans deux types de systèmes bidimensionnels différents: les hétérostructures semiconductrices ainsi qu'un matériau monocouche, le graphène. Elle comporte deux axes principaux: l'étude de la quantification de Wannier-Stark dans les super-réseaux de puits quantiques biaisés électriquement, et la modélisation d'effets nouveaux pour la génération de rayonnement électromagnétique dans le domaine Terahertz. Dans les super-réseaux de puits quantiques soumis à une tension externe, le champ électrique induit un confinement bidimensionnel des porteurs de charge nommé quantification de Wannier-Stark. On modélise deux conséquences originales de cette quantification: d'une part, les fortes non-linéarités de photocourant dans un super-réseau placé entre deux barrières tunnel épaisses, et d'autre part, la possibilité de contrôler électriquement le couplage lumière-matière et le gain dans la gamme Terahertz dans un super-réseau biaisé couplé à une microcavité planaire. Dans un second temps, on étudie quantitativement deux effets non-linéaires nouveaux pour la génération Terahertz. Le premier est l'exaltation de l'émission Terahertz dans un système polaritonique en régime de laser à polaritons. On modélise précisément cet effet et on propose un nouveau dispositif utilisant une microcavité double et permettant de réduire très significativement les pertes par diffusion. Le second effet étudié est le transfert d'impulsion photonique dans le graphène sous excitation impulsionnelle. On construit un modèle microscopique prédictif de ce phénomène qui permet de déterminer les paramètres importants pour l'optimisation de l'impulsion Terahertz générée. Ce travail théorique a été mené en étroite collaboration avec plusieurs équipes expérimentales. / This thesis treats of nonlinear behaviors in two different types of bidimensional systems: semiconductor heterostructures as well as a monolayer material, graphene. It consists into two main parts: the study Wannier-Stark quantification in electrically biased quantum well superlattices, and the modelling of new effects for electromagnetic wave generation in the Terahertz range. In quantum well superlattices under an external voltage, the electric field induces bidimensional confinement of the charge carriers, this effect is known as Wannier-Stark quantification. We examine two interesting consequences of this confinement: the strong photocurrent nonlinearities induced when the superlattice is placed between thick tunnel barriers, and the possibility to control light-matter coupling as well as Terahertz gain in superlattices coupled to a semiconductor microcavity. In a second part of this work, we study quantitatively two new nonlinear effects for Terahertz generation. The first one is Terahertz emission exaltation in a polaritonic system reaching the polariton lasing regime. We model precisely this effect and suggest a new scheme using a double microcavity and providing very significant reduction of the diffusion losses. The second effect is photon drag in graphene under pulsed excitation. We build a microscopic and predictive model for this phenomenon which provides a comprehensive insight on the relevant parameters for the optimisation of the Terahertz generation. This theoretical work was done in tight collaboration with several experimental groups.