L'optique adaptative (OA), qui permet de corriger en temps-réel les déformations du front d'onde induites par la turbulence atmosphérique, connaît une limitation fondamentale : l'anisoplanétisme. Pour y remédier, le concept d'OA grand champ (OAGC) a été proposé. La turbulence est mesurée dans plusieurs directions du champ de vue à l'aide d'étoiles guide naturelles et laser, et son impact corrigé sur les images par une commande basée sur une reconstruction tomographique. L'approche linéaire quadratique gaussienne (LQG) est bien adaptée à la conception de lois de commande en OAGC comme en OA classique. Elle permet d'estimer et de prédire la phase à l'aide d'un filtre de Kalman basé sur des a priori spatiaux et temporels. Les modèles d'état et commandes associées sont détaillés. On présente la première mise en œuvre sur le ciel d'une commande LQG sur tous les modes, en OA classique et multi-objet, à l'aide du démonstrateur CANARY. Ces résultats sont obtenus avec identification du modèle de tip-tilt et filtrage des vibrations, ce qui constitue la première mise en œuvre ciel de cette stratégie. Les a priori spatiaux de la phase en volume sont identifiés par la méthode LEARN. Des données issues du profilomètre stereoSCIDAR ont aussi été utilisées. Des comparaisons sont proposées avec une commande intégrateur en OA classique, avec un gain significatif en performances pour le LQG. Les comparaisons avec le reconstructeur statique APPLY (moindres carrés régularisés) en OA multi-objet mettent en évidence un gain du LQG dans certains cas (fort bruit en particulier). L'ensemble des résultats confirme la faisabilité et l'intérêt d'une commande LQG pour un instrument d'OA ou d'OAGC.

L'optique adaptative (OA), qui permet de corriger en temps-réel les déformations du front d'onde induites par la turbulence atmosphérique, connaît une limitation fondamentale : l'anisoplanétisme. Pour y remédier, le concept d'OA grand champ (OAGC) a été proposé. La turbulence est mesurée dans plusieurs directions du champ de vue à l'aide d'étoiles guide naturelles et laser, et son impact corrigé sur les images par une commande basée sur une reconstruction tomographique. L'approche linéaire quadratique gaussienne (LQG) est bien adaptée à la conception de lois de commande en OAGC comme en OA classique. Elle permet d'estimer et de prédire la phase à l'aide d'un filtre de Kalman basé sur des a priori spatiaux et temporels. Les modèles d'état et commandes associées sont détaillés. On présente la première mise en œuvre sur le ciel d'une commande LQG sur tous les modes, en OA classique et multi-objet, à l'aide du démonstrateur CANARY. Ces résultats sont obtenus avec identification du modèle de tip-tilt et filtrage des vibrations, ce qui constitue la première mise en œuvre ciel de cette stratégie. Les a priori spatiaux de la phase en volume sont identifiés par la méthode LEARN. Des données issues du profilomètre stereoSCIDAR ont aussi été utilisées. Des comparaisons sont proposées avec une commande intégrateur en OA classique, avec un gain significatif en performances pour le LQG. Les comparaisons avec le reconstructeur statique APPLY (moindres carrés régularisés) en OA multi-objet mettent en évidence un gain du LQG dans certains cas (fort bruit en particulier). L'ensemble des résultats confirme la faisabilité et l'intérêt d'une commande LQG pour un instrument d'OA ou d'OAGC.

Nous explorons les dynamiques de synchronisation des lasers solides fonctionnant sur deux états propres de polarisation. Ce type de laser présente l'intérêt de pouvoir générer des fréquences de battement très stables dans une gamme de fréquence du Hz au THz. Cette thèse en tire parti pour étudier plusieurs mécanismes d'accrochage de fréquence dans ces lasers. Tout d'abord, nous construisons un laser bipolarisation doté d'un miroir à réflectance saturable (SESAM). Cela lui permet de fonctionner dans un régime pulsé où tous les modes longitudinaux oscillent en phase, et ce sur les deux états propres du laser. On démontre également que les états de polarisation d'impulsions successives forment des séquences dont nous détaillons les caractéristiques. Un phénomène particulier est observé dans ce laser : si la fréquence de battement est choisie égale à la moitié de l'intervalle spectral libre du laser, les deux peignes de fréquences associés aux deux états propres se synchronisent. Dans un second temps, nous soumettons un laser bi-fréquence à une réinjection optique décalée en fréquence. De cette manière, nous sommes capable de transférer, sur la fréquence de battement du laser, la stabilité d'un synthétiseur radio-fréquence, utilisé comme référence. Ce résultat est obtenu tant en régime continu que pulsé. Enfin, conjointement à la réinjection décalée en fréquence, nous utilisons les oscillations de relaxation d'un laser de classe B pour induire un régime où la fréquence de battement est synchronisée sur une référence externe, mais pas sa phase. Incidemment, des dynamiques particulières d'intensités sont observées en sortie du laser.

Les mesures de vitesse sans contact des cibles mobiles comme les structures mécaniques sont souvent utilisés dans diverses applications industrielles pour le contrôle non destructif et le contrôle qualité. En outre, les processus de mesure de vitesse peuvent devenir cruciaux si elle est l'un des paramètres qui régissent la sécurité et la performance d'un système comme dans le transport. La mesure précise et sans contact de vitesse de fluide circulant dans des micro-canaux est un enjeu majeur pour l'industrie chimique fabriquant des produits pharmaceutiques. En médecine, la connaissance de la vitesse du flux sanguin dans les vaisseaux peut permettre d'anticiper sur des maladies cardiovasculaires. De telles mesures sans contact peuvent être réalisées par ultrasons ou par micro-ondes mais ces deux méthodes ont une résolution spatiale relativement faible. D'autre part, les capteurs optiques usuels sont souvent de coût élevé. Par exemple, la vélocimétrie laser Doppler conventionnelle (ou LDV pour Laser Doppler Velocimetry) est une technique de haute précision pour des mesures de vitesse, mais l'utilisation d'un grand nombre de composants optiques implique un prix élevé. L'interférométrie à rétroinjection optique est une solution attrayante qui nous permet de concevoir des capteurs laser à faible coût présentant une bonne précision. Disposant de capteurs optiques sans contact utilisant juste une diode Laser soumise à la rétroinjection optique pour venir mesurer des vitesses, l'objectif de cette thèse est de développer des dispositifs adaptés à ce type de mesure et opérant en temps réel. En interférométrie à rétroinjection optique (ou OFI pour Optical Feedback Interferometry), couramment appelée self-mixing, une interférence se produit dans la cavité active du laser entre le champ existant dans la cavité et celui rétrodiffusé par une cible extérieure située en face de la diode laser induisant des variations de la puissance optique de sortie dues notamment à l'effet Doppler. Par mesure de la fréquence Doppler de la puissance optique, la vitesse de la cible peut être déterminée. Dans cette thèse, nous étudions les principales techniques de traitement du signal permettant d'offrir en temps réel des mesures de fréquence Doppler de précision acceptable. La première technique est basée sur une analyse spectrale classique et requiert le calcul d'une transformée de Fourier rapide (FFT). Cette technique est robuste mais nécessite un matériel électronique complexe et coûteux en ressources pour le traitement du signal en temps réel. La seconde est basée sur une modélisation autorégressive d'ordre 2 (AR2) du signal de self-mixing par un filtre de prédiction linéaire. La fréquence Doppler correspond à la fréquence de résonnance de ce filtre. Cette technique est plus précise, plus rapide et moins gourmande en ressources que la FFT. Par contre, elle présente un risque de divergence et nécessite un calibrage au démarrage. La troisième est une technique originale de traitement du signal temps-réel qui a permis d'améliorer les performances du capteur en termes de gamme de vitesses mesurables. Cette technique n'est pas gourmande en ressources comme la FFT et ne nécessite pas de calibrage comme l'AR2. Cette technique a été implémentée et validée expérimentalement en configurations réelles. Elle a permis de fournir des mesures de bonne précision, comparable à celle de la FFT. Nous appliquons ensuite ces méthodes de traitement du signal sur des signaux de self-mixing issus du passage de particules portées par un liquide dans le faisceau de la diode laser utilisée. En fait, dans ce cas, le signal de self-mixing ne présente plus un pic Doppler mais une distribution de fréquences Doppler car les particules traversant le faisceau sont de vitesses différentes allant de zéro au bord du canal jusqu'une valeur maximale au centre. Un autre phénomène qui peut contribuer à l'élargissement spectral est la diffusion multiple des particules. L'AR2 et la technique développée ont permis d'obtenir des mesures fiables de la vitesse d'écoulement fluidique dans un canal à l'échelle microscopique. D'autre part, nous étudions les configurations optiques du dispositif de mesure. Nous montrons que le dispositif employant une seule diode laser est sensible aux variations d'angle d'incidence avec la cible. Cet angle doit être connu pour calculer la vitesse. Nous proposons ensuite un dispositif employant deux diodes laser et nous montrons sa robustesse face aux variations d'angles d'incidence et sa capacité de calculer la vitesse de la cible sans connaitre les angles d'incidence. Nous analysons ce dispositif afin de déterminer la configuration optimale permettant de garantir les meilleures performances. Des simulations et des résultats expérimentaux permettent de valider les performances de ce dispositif en termes de précision et de robustesse. Enfin, nous appliquons ce dispositif à double-tête laser et la technique de traitement développée dans cette thèse pour mesurer la vitesse d'écoulement d'un liquide injecté dans un canal macroscopique par une pompe péristaltique à débit non continu. Cette thèse a donc permis de développer un capteur optique robuste à faible coût permettant de mesurer la vitesse en temps-réel en utilisant la rétroinjection optique.

L'autocollimation permet de propager un faisceau lumineux sans étalement latéral et en l'absence de tout guide optique. Cette thèse traite de la conception de cavités membranaires GaAs à autocollimation pour démontrer une nouvelle génération de cavité laser, ici émettant aux environs de 1 µm. La première partie concerne l'étude théorique d'une cavité à autocollimation reposant sur un cristal photonique à maille carrée. Un modèle d'onde plane est développé pour simuler la propagation de modes dans ce milieu. Le dimensionnement, les propriétés de guidage et de sélectivité spectrale et spatiale d'une cavité à autocollimation sont analysées. La deuxième partie évalue la fabrication d'une cavité membranaire GaAs à cristal photonique en régime d'autocollimation. Ce travail passe par la mise au point d'un procédé de masquage et de gravure RIE spécifique. Un second volet porte sur la minimisation des dégradations du matériau actif induites lors de la fabrication. Sur ce point, un modèle balistique a été développé pour estimer le temps de gravure optimal et réduire ainsi les défauts générés lors de la gravure. Des voies de passivations électroniques post-process à base de sulfures et nitrures sont également examinées.

Dans cette thèse, nous avons développé une nouvelle technique de microscopie holographique digitale hétérodyne pour détecter et localiser en trois dimensions des nanoparticules d'or utilisées comme marqueurs biologiques dans des cellules vivantes. On combine la géométrie hors-axe et l'interférométrie par décalage de phase, où deux modulateurs Acousto-Optique minutieusement synchronisés sont utilisés, afi n d'obtenir des hologrammes sans alias. La détéction hétérodyne permet d'atteindre la limite de bruit théorique (shot-noise). Nous avons aussi élaboré une méthode de reconstruction numérique astucieuse : les images reconstruites ne souff rent pas de distortions longitudinales, les parmètres de reconstruction sont obtenus sans avoir besoin de les mesurer en e ffectuant une calibration expérimentale supplémentaire, la compensation des aberrations et les corrections de courbure de phase sont automatiquement obtenus. Nous avons pu imager et localiser, pour la première fois dans le contexte de la microscopie holographique digitale, des billes d'or de 40 nm de diamètre, attachées aux récepteurs transmembrannaires intégrine de fibroblastes 3T3 vivantes avec une précision de localization de 5 nm latéralement et 100 nm en profondeur quand un moyennage sur 32 images est eff ectué. De plus, une exploration 3D, dans un volume relativement grand (90x90x90) microm, de la totalité du champ diff usé est obtenu. Finalement, nous avons pu caractériser les régimes de di ffusion des marqueurs d'or et des structures cellulaires en analysant la forme 3D des motifs de diff usion correspondants qui sont facilement accessible par holographie digitale.

L'augmentation de la capacité du réseau de transport optique se traduit par le besoin de fonctions de traitement tout-optique du signal. Dans cette thèse, trois fonctions fondamentales de traitement du signal, basées sur les effets non-linéaires dans les fibres optiques, sont démontrées à de très hauts débits. La régénération d'un signal à 160 Gbit/s a été démontrée théoriquement dans des fibres en silice à gestion dense de la dispersion pour la première fois. La conversion de longueur d'onde et de démultiplexage temporel de signaux optiques à des débits allant jusqu'à 170,8 Gbit/s ont également été démontrés expérimentalement pour la première fois à l'aide de fibres microstructurées en verres de chalcogénures. Ces résultats montrent la forte potentialité des fibres en verres de chalcogénures pour le traitement du signal tout-optique dans les futurs systèmes de transmission optique à très haut débit.

Dans le cadre de l'interaction lumière-atomes, les diodes lasers nécessitent des performances optiques spécifiques : de fortes puissances optiques à une longueur d'onde spécifique (852 nm ou 894 nm pour les atomes de Césium, 780 nm ou 795 nm pour le Rubidium), un fonctionnement monomode transverse et longitudinale du faisceau. Ce mémoire de thèse présente les différentes étapes permettant la fabrication de diodes lasers, émettant à 780 nm, répondant à ces caractéristiques optiques. La spécificité des diodes lasers développé lors de cette thèse est l'absence d'aluminium dans la zone active des lasers, offrant de meilleures performances en termes de fiabilité. Il décrit dans un premier temps les principes du pompage atomique et du refroidissement d'atome afin de déterminer un cahier des charges spécifiques pour les diodes lasers à développer. Il expose ensuite les concepts théoriques permettant de comprendre le fonctionnement d'une diode laser. La caractérisation des diodes lasers développées lors de cette thèse a pu démontrer un fonctionnement monomode transverse jusqu'à des puissances optiques supérieurs à 100 mW pour des lasers Fabry-Pérot. La réalisation de diodes lasers DFB (ayant un réseau de Bragg intégré dans la cavité optique du laser) a montré un fonctionnement monomode fréquentiel jusqu'à 25 mW avec des taux de réjection des modes satellites supérieurs à 45 dB et une largeur de raie de 550 kHz. Enfin, une première étude théorique et expérimentale à partir de diodes lasers émettant à 852 nm a été réalisé afin d'estimer les performances de ces composants dans des horloges à jet thermique utilisant des atomes de Césium.

The global communications network has become a pervasive and critical item of everyday life, spawning and enabling countless worldwide services that went from nonexistent to must-have in less than a decade. Its implementation makes considerable use of optical transmission systems, which are the physical medium of choice for most non-wireless links, being capable of high data rates over long distances. However, the potential of optics is still underexploited, and can help a smarter network meet the simultaneous challenges of ever-higher data rates, network switching, and the "last-mile" access network. <p> Very high data rates were achieved in optical transmissions in the late 1990s especially through wavelength-division multiplexing (WDM) over the C and later the L spectral bands. For some time, the way to increase data rates was forecast to be higher symbol rates per wavelength, for which optical-to-electronic (O-E) conversions are a speed bottleneck. This required all-optical functionalities, especially to process optical time-domain multiplexed signals. In that line, I contributed to ultrafast clock recovery using opto-electronic phase-locked loops. <p> However, the recent comeback of coherent optical communications points to easier ways to increase the data rate by pushing towards higher spectral efficiencies, closer to the optical channel's Shannon capacity in the presence of certain physical impairments. Notably, some of my recent results suggest that polarization-dependent loss can be handled close to the limit thanks to a combination of space-time codes and more conventional error-correcting codes. <p> Switching is another bottleneck: the Internet's great versatility results in part from its packet-switching paradigm, but current optical networks are essentially circuit-switched using wavelength granularity. Packet-switching functionality is implemented purely in electronics, incurring numerous energy-inefficient O-E conversions and ballooning energy costs. <p> My work on all-optical functionalities included an all-optical label-processing scheme for switching nodes, though this approach would be subject to scaling problems in practice. More recently, my concern has shifted to hybrid switching nodes using electronic buffers to supplement an optical switching matrix. My current studies show great improvements of their sustainable load compared to all-optical switches at a given packet-loss probability. <p> Access network is the last stronghold where optical transmissions are not quite dominant yet. The focus there is on cost effectiveness and resource sharing, especially in passive optical networks (PONs). In order to bring WDM to PONs, I contributed to a pulsed continuum optical source that could have provided optical channels to multiple users simultaneously. More recently, I also oversaw work on reflective semiconductor optical amplifiers designed for colorless optical network units. <p> Finally, the challenge goes on for a better match between network functionalities and the untapped potential of optics. My focus is currently shifting towards cross-layer optical networking, requiring novel network architectures to break free from the electronic-centric layered-network model, and finally meeting the energy consumption problem square-on.

Ce travail de thèse est basé sur l'analyse et l'optimisation des propriétés physiques d'un matériau photonique compatible avec les technologies CMOS. Ce matériau est une matrice de SiO2 contenant des nanoclusters de silicium (nc-Si) et des ions erbium (Er3+). Grâce à un transfert d'énergie entre nc-Si et Er3+, la section efficace d'absorption des ions Er3+ est fortement augmentée. L'objectif est d'optimiser le transfert entre nc-Si et Er3+ afin de maximiser les propriétés d'émission de l'erbium à 1,5 µm. Dans un premier temps les travaux sont axés sur les traitements thermiques pendant et après le dépôt. Ensuite, nous analysons l'effet de l'épaisseur de la couche mince sur les propriétés optiques du matériau et nous montrons que les couches très minces (< 150 nm) présentent un manque de sensibilisateurs qui réduit le nombre d'erbium excités. Nous démontrons alors que ce problème peut être résolu en augmentant la concentration en silicium, augmentant ainsi le nombre de sensibilisateurs au sein des couches les plus minces. Il est ensuite montré que les ions Er3+ bénéficient d'une excitation nanoseconde multi-niveaux par les sensibilisateurs nc-Si. Une deuxième partie du travail de thèse présente la réalisation de diodes électroluminescentes (DELs) et l'optimisation de leur émission à 1,5 µm. Nous montrons qu'épaisseur et excès de silicium doivent êtres choisi conjointement pour l'optimisation des propriétés optiques et électriques des DELs. Une dernière partie montre que les propriétés des DELs peuvent êtres améliorés par l'utilisation de matrices hôtes oxynitrures et nitrures pour les nc-Si et Er3+. Ces travaux ouvrent la voie au développement de DELs efficaces à base de silicium et émettant à 1,5 µm