Le présent travail de thèse a consisté en un diagnostic d’une colonne de plasma d’un mélange d’argon et de CO2, créée par une décharge éclatant dans un réacteur cylindrique, entre deux électrodes pointues en tungstène, sous une tension d’amorçage de 10KV, un courant de 100 à 300mA, et à pression atmosphérique. Le diagnostic du plasma a été réalisé à l’aide d’un laser Hélium Néon (raie 632.8nm), d'un interféromètre de Mach-Zehnder et d’un spectromètre à fibre optique. Après calcul de la composition du mélange d’Argon et de CO2 en fonction de la température par la méthode de minimisation de l’enthalpie libre de Gibbs, on a déterminé la densité des espèces. Utilisant les propriétés des particules soumises à une onde électromagnétique, et la relation de Gladstone Dale qui lie l’indice de Réfraction d’un Gaz à sa densité et à sa température, nous avons calculé l’évolution de la réfractivité du milieu. Ensuite nous l’avons mesurée pour obtenir les profils radiaux de température par la transformée de Fourier et l’inversion d’Abel, des cartes de phase obtenues par interférométrie optique. Ce travail a été complété par une analyse par spectroscopie optique moléculaire d’émission. Utilisant le système de Swan de la molécule C2 (d3!g – a3!u) comme pyromètre, notamment les bandes 01(5635.2 Å) et 12 (5585.5 Å), nous avons déterminé les températures vibrationnelles et rotationnelles du plasma. Un programme en FORTRAN a été mis au point, pour la simulation des bandes moléculaires. Nous avons diagnostiqué la colonne de plasma sur toute sa largeur et dressé un profil de température radial. Les températures vibrationnelles et rotationnelles nous ont permis de calculer l’écart à l’équilibre thermodynamique. / This work of thesis consisted of a diagnosis of a column of plasma of a mixture of argon and CO2 created by a discharge bursting in a cylindrical engine, between two pointed tungsten electrodes, under a voltage of 10KV, a current of 100 to 300mA, at atmospheric pressure. The diagnosis of plasma was carried out using a laser Helium Neon (line 632.8nm), of an interferometer of Mach-Zehnder and a spectrometer with optical fibre. After calculation of the mix design of Argon and CO2 according to the temperature by the method of minimization of the free enthalpy of Gibbs, one determined the density of the species. Using the properties of the particles subjected to an electromagnetic wave, and the relation of Gladstone Dale which binds the index of Refraction of a Gas to its density and its temperature, we calculated the evolution of the refractivity of the medium. Then we measured it to obtain the radial profiles of temperature by the Fourier transform and the inversion of Abel, of the charts of phase obtained by optical interferometry. This work was supplemented by an analysis by molecular optical spectroscopy of emission. Using the system of Swan of the molecule C2 (d3!g – a3!u) like pyrometer, in particular the bands 01(5635.2 Å) and 12 (5585.5 Å), we determined the vibrational and rotational temperatures in the plasma. A Fortran program was developed, for the simulation of the molecular bands. We diagnosed the column of plasma over all its width and drew up a radial profile of temperature. The calculation of the vibrational and rotational temperatures enabled us to calculate the variation with thermodynamic balance.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'impact de la nanostructuration de la matière sur le comportement des fibres dopées Erbium en environnement radiatif tel que l'Espace. Cette étude est motivée par le fait qu'il n'existe pas de fibre dopée Erbium qualifiée pour le spatial, rendant l'AOFD indisponible pour ces applications, réduisant fortement l'intérêt de l'ensemble de la technologie WDM pour les satellites. Ainsi nous avons testé plusieurs fibres basées sur des technologies différentes dans le but d'évaluer leurs comportements sous radiations gamma. Nous avons ainsi défini un critère objectif pour la sélection des fibres dopées Erbium, et avons montré des éléments permettant de durcir des fibres co-dopées Aluminium en se basant uniquement sur des paramètres de conception. Ainsi, nous avons démontré une fibre durcie aux radiations à base de nanoparticules de silice dopées Erbium, montrant une perte de puissance de l'ordre de 1 dB en fin de mission typique d'un satellite. L'accent a également été mis sur la modélisation de l'AOFD en proposant un modèle évolué prenant en compte des effets non linéaires liés à la complexité de la spectroscopie de l'ion Erbium. Ce modèle a été complété par une prise en compte de l'effet des irradiations et de la guérison optique en utilisant un modèle de proche de celui développé par R. Chen. Nous avons pu noter la grande importance de l'effet de la guérison optique sur les performances de l'AOFD en fin de vie. / This thesis focuses on the impact of nanostructuration on the performance of Erbium Doped Fiber in severe environment like Space. This study is motivated by the fact that no on-the-shell Erbium Doped Fiber can satisfy the space requirement, disabling the availability of the AOFD and stongly limiting the interest of the WDM technology for satellites. Several fiber based on different technologies have been tested in order to check their behavior under gamma radiations. We have defined an objective criterion for the selection of erbium doped fibers, and showed elements for hardening aluminum co-doped fibers, based solely on design parameters. In this way, we brought to the fore a radiation hardened fiber, based on silica nanoparticles, exhibiting a power decrease of 1 dB after a typical space mission. We also focused on EDFA modeling by proposing an evolved model taking into account non-linear effects due to the complex spectroscopy of Erbium. This model is completed by including irradiation effects thanks to a model such as Chen's one. The photobleaching effect that has been found to be strong is also considered.

Un lien optique basé sur un multiplex de longueurs d'onde autour de 1,55μm est une alternative intéressante pour pallier la saturation des bandes radio-fréquences classiquement utilisées et pour répondre aux besoins de liens haut débit par satellite géostationnaire de la prochaine génération de télécommunication. Compte-tenu de la puissance limitée des lasers envisagés, la divergence du faisceau doit être considérablement réduite. Par conséquent, le pointage du faisceau devient un paramètre critique. Au cours de sa propagation entre la station sol et un satellite géostationnaire, le faisceau optique est dévié et éventuellement déformé par la turbulence atmosphérique. Cela induit de fortes fluctuations du signal de télécommunication détecté, réduisant le débit disponible. Un miroir de basculement est utilisé pour pré-compenser la déviation mesurée à partir d'un faisceau provenant du satellite. Du fait de l'angle de pointage en avant entre la liaison descendante et la liaison montante, les effets de turbulence subis par les deux faisceaux sont légèrement différents, ce qui induit une erreur dans la correction.Le critère de performance de la liaison est l’intensité minimale détectable 95% du temps. Un modèle rapide, nommé WPLOT, prenant en compte les erreurs de pointage et leur évolution temporelle, est proposé pour évaluer cette intensité minimale en fonction des paramètres de la station sol et de la qualité de la correction. Les résultats obtenus avec ce modèle sont comparés avec ceux obtenus par un modèle physique mais plus couteux en temps de calcul ; le code TURANDOT. Grâce à ce modèle, une étude de sensibilité a été réalisée et a permis de proposer un dimensionnement de la station sol. Ce modèle permet également de générer des séries temporelles afin d’optimiser les codes de correction d’erreur et optimiser le débit (1Terabit/s d'ici 2025). / An optical link based on a multiplex of wavelengths at 1.55µm is foreseen to be a valuable alternative to the conventional radio-frequencies for the feeder link of the next-generation of high throughput geostationary satellite. Considering the limited power of lasers envisioned for feeder links, the beam divergence has to be dramatically reduced. Consequently, the beam pointing becomes a key issue. During its propagation between the ground station and a geostationary satellite, the optical beam is deflected and possibly distorted by atmospheric turbulence. It induces strong fluctuations of the detected telecom signal, thus reducing the capacity. A steering mirror using a measurement from a beam coming from the satellite is used to pre-compensate the deflection. Because of the point-ahead angle between the downlink and the uplink, the turbulence effects experienced by both beams are slightly different, inducing an error in the correction. The performance criteria is the minimum detectable irradiance 95% of the time. A fast model, named WPLOT, taking into account pointing errors and their temporal evolution, is proposed to evaluate the minimum irradiance as a function of the ground station parameters and quality of the correction. The model’s results are compared to those obtained with a more physical but requiring more computation power: TURANDOT. A sensitivity study has been realized and led to a sizing of a ground station. The model also enables the generation of time series in order to optimize the forward error correction codes in order to be compliant with the targeted capacity (1Terabit/s by 2025).

Ce travail est centré sur l'étude des non-linéarités de deuxiéme ordre dans le silicium vers une modulation optique à faible puissance et haute vitesse. Étant un cristal centro-symétrique, le silicium ne possède pas une susceptibilité non linéaire de deuxiéme ordre (X2), ce qui inhibe l'effet Pockels, un effet électro-optique linéaire couramment utilisé dans la modulation de la lumière dans les communications optiques. Une solution possible pour vaincre cette limitation est par application de contraint et déformation de la maille cristalline, ce qui rompt localement la centro-symétrie du cristal et génère X2.Dans cette thèse, nous abordons le problème de la génération de X2 dans le silicium par l'utilisation de la contrainte, couvrant toutes les étapes de la recherche: nous partons de bases théoriques développées par nous, on simule l'ensemble des effets de contraints, optiques et électriques, on décrit la fabrication des dispositifs et finalement on présent la caractérisation expérimentale de ces dispositifs.Dans ce travail de recherche, nous avons pu détecter des effets très particuliers qui sont attribués au effet Pockels, comme par example une dépendance claire de l'orientation du cristal sur l'efficacité de la modulation et aussi la modulation à haute fréquences, plus élevées que celles attendues par autres contributions. Ces résultats sont très prometteurs et se composent d'une nouvelle étape vers la mise en œuvre, dans un avenir proche, de la modulation à grande vitesse et à faible puissance dans les dispositifs de silicium. / This work is devoted to the study of second order nonlinearities in silicon towards low power, high speed modulation. Being a centro-symmetric crystal, silicon does not possess a second order nonlinear susceptibility (X2), which inhibits Pockels effect, a linear electro-optic effect commonly used in the modulation of light in high speed communications. A possible solution to overcome this limitation is by straining/deforming the crystal lattice, which locally breaks the centro-symmetry of the crystal and generates X2.In this thesis, we approach the problem of generating X2 in silicon through the use of strain, covering all the research stages: we depart from newly developed theoretical grounds, simulate together the strain, optical and electrical effects together, describe the fabrication of the devices and present the experimental characterization.In our research work, we were able to detect very particular effects which are attributed to Pockels effect, such as a clear dependence of the crystal orientation on the modulation efficiency and high speed modulation, at frequencies higher than those expected from other contributions. This results are very promising and consist on a step further towards the possible implementation of high speed, low power modulation in silicon devices in the near future.

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Ce travail explore l'utilisation de l'effet magnéto-optique pour étudier la dynamique de spin des électrons de conduction dans les semi-conducteurs non magnétiques lorsqu'ils sont pompés avec des photons polarisés circulairement. En général, les moments magnétiques hors-équilibre induits optiquement dans les semi-conducteurs non magnétiques sont plus petits que ceux des matériaux magnétiques. L'effet magnéto-optique en principe offre une sensibilité suffisante pour détecter ces faibles moments magnétiques via une mesure de rotation Faraday dans la limite de bruit de photons. Nous avons comparés trois méthodes de détection: les polariseurs partiellement croisés, l’interféromètre de Sagnac et le pont optique. L'interféromètre de Sagnac se révèle fonctionnellement équivalent aux polariseurs partiellement croisés, avec une sensibilité diminuée par la perte de photons à chacun des séparateurs de faisceaux nécessairement présents dans cette configuration expérimentale. Par contre, il a été démontré précédemment que les interféromètres de Sagnac permettent de faire la distinction entre les rotations dites réciproques et non réciproques, et cette thèse propose de nouvelles géométries de Sagnac pour distinguer les rotations en fonction de leurs symétries en temps et en parité. La technique du pont optique présente les meilleures performances. Elle permet une mesure de l'angle de rotation de Faraday limitée par le bruit de photons, même avec des puissances lumineuses importantes reçues par les détecteurs, ce qui permet d'obtenir la meilleure figure de mérite possible. Dans les expériences conduites sur des matériaux magnétiques, un bruit de quelques nrad/√Hz a été mesuré pour une puissance de sonde de 10 mW. Une série de mesures de rotation Faraday pompe-sonde à température ambiante a été réalisée sur GaAs pompé optiquement. Les plus grands signaux sont obtenus lorsque le moment magnétique généré et détecté est maximisé en focalisant fortement les faisceaux pompe et sonde et en choisissant une longueur d'onde de la sonde accordée à une résonance optique dans la structure électronique. Les mesures en champ magnétique transversal montrent un champ Hanle de 0.43 T, à partir duquel on déduit la durée de vie de spin de 88 ps. / This work explores the use of the magneto-optical Kerr effect to study conduction electron spin dynamics in non-magnetic semiconductors when pumped with circularly polarized photons. Typically, non-equilibrium, optically-induced magnetic moments in non-magnetic semiconductors are orders of magnitude smaller than those of magnetized materials, including both magnetic and non-magnetic materials in an external magnetic field. The magneto-optical Kerr effect in principal offers sufficient sensitivity to detect such small magnetic moment via a measurement of the Faraday rotation angle of a probe beam in the photon shot noise limit. Three detection configurations have been experimentally compared: partially crossed polarizers, a Sagnac interferometer and an optical bridge. The Sagnac interferometer is shown to be functionally equivalent to partially crossed polarizers, although its sensitivity is compromised by lost photons at each of the obligatory beam splitters present in such a geometry. On the other hand, it has previously been shown that Sagnac interferometers can distinguish between so-called reciprocal and non-reciprocal rotations, and this thesis proposes novel Sagnac geometries to distinguish rotations according to their time and parity symmetries. The optical bridge technique allows for a photon-shot noise limited measurement of the Faraday rotation angle, even with large photon intensities on the detectors, thereby yielding the best possible figure-of-merit. In demonstrations on magnetic materials, a noise floor of a few nrad//√Hz was measured for a probe power of 10 mW. A series of room-temperature, pump-probe Faraday rotation measurements is performed on optically pumped GaAs to compare and contrast this method with standard polarized photo-luminescence techniques. The largest signals are found when the locally probed moment is maximized by strongly focusing the pump and probe beams, and by choosing a probe wavelength tuned to an optical resonance in the electronic structure. Measurements in transverse magnetic field show a Hanle field of 0.43 T, from which the spin lifetime of 88 ps is deduced.

On présente dans ce qui suit une étude détaillée de la performance du LACIF (locally adaptive contrast invariant filter), qui est à la base un filtre non linéaire invariant sous transformation linéaire d'intensité de la forme± af(x, y) + bO(x, y) ¿, où± f(x, y) ¿est l'objet à reconnaitre et± O(x, y) ¿ son support. ± a ¿ et ± b ¿ sont respectivement les facteurs multiplicatif et additif du changement d'intensité. Ainsi l'étude de performance est établie sous différents aspects et par le biais de différents outils qu'on a adopté tout au long de ce mémoire.

Le monde militaire s’intéresse à la détection de systèmes optiques présents dans un milieu urbain. La raison de cet intérêt est que la présence de systèmes optiques peut être directement ou indirectement reliée à des activités hostiles. Cette visée consiste en un défi de taille car l’environnement urbain contient de nombreux éléments pouvant être confondus aux systèmes optiques, générant alors de fausses alarmes. Au cours de cette thèse, les concepts de base d’une méthode de détection novatrice permettant de détecter et d’identifier la présence de systèmes optiques ainsi que de diminuer les fausses alarmes sont présentés et vérifiés expérimentalement. Ces concepts sont fondés sur l’établissement d’une signature propre aux systèmes optiques construite à partir de la mesure de leur section efficace laquelle est fonction de la longueur d’onde de la source d’interrogation. Une plateforme de détection a été conçue afin de mesurer la section efficace des systèmes optiques en utilisant le principe de rétro-réflexion. Cette plateforme contient des sources lasers de longueurs d’onde différentes, une caméra à crénelage spatial, un tube télescopique pour l’émission et la collection des rayonnements ainsi qu’un télémètre laser. Les résultats expérimentaux ont permis de valider les concepts de la méthode proposée en détectant et identifiant correctement les systèmes optiques en plus de les différentier des fausses alarmes, ouvrant ainsi la voie à un traitement nouveau de l’information pour ce type d’application.

Suite au développement récent des méthodes de production, les lentilles à forme libre sont de plus en plus utilisées dans les designs optiques. Néanmoins, leurs définitions mathématiques et leurs formes particulières rendent leur tolérancement et leurs réactions aux perturbations d’alignement difficilement prévisibles. Par conséquent, les outils à la portée des concepteurs optiques, tels que les logiciels de conception optique, ne sont pas toujours en mesure de fournir l’aide nécessaire. Dans ce mémoire, nous présentons d’abord les concepts théoriques et les récents développements relatifs à ces notions. Par la suite, l’analyse d’une lentille panomorphe dont la première surface est une lentille à forme libre nous révèle nombres de comportements particuliers mettant en évidence des relations entre l’empreinte du faisceau et la courbure de champ. Finalement, une nouvelle technique de tolérancement est présentée. Via une analyse en perturbative nécessitant peu de temps de calcul, il est possible de réduire les marges d’erreur allouées sur certaines variables, tout en maximisant l’effet sur la qualité d’image. Cette technique s’est avérée particulièrement efficace dans le cas où l’ajustement de la mise au point (mise au foyer) est limité spatialement. / In light of the new development of the production methods, free-form lens are used more frequently in optical design. However, their mathematical definitions as well as their specific shapes tend to make their tolerancing and reactions to perturbations hardly predictable. In consequence, the tools used by optical designers, like optical design programs, are not always able to help as they should. First, this document presents the recent developments and the theoretical concepts concerning these subjects. Thereafter, the analysis of a panomorph lens which has a free-form lens as a first surface reveals numbers of particular behavior showing relations between the field curvature and the footprint. Finally, a new tolerancing technique is presented. Using a perturbative analysis requiring a minimum of computing power, it is possible to reduce the allowed margins of error of certain variables while maximising the gain in image quality. This technique was particularly efficient in cases where the adjustment of the focus was spatially limited.

Comme le trafic de données continue à augmenter rapidement, une grande capacité de transmission sera inévitablement requise pour les systèmes de communications par fibre optique. De nouvelles technologies ont été développées pour assurer une bonne qualité de transfert de l'information. Dans ce contexte, les composants optiques tout fibres occupent un rôle important pour diminuer les pertes de propagation, d'insertion et de réflexion dans une chaîne de transmission optique. Le rotateur de Faraday est conçu pour être utilisé comme isolateur et éviter les retours des faisceaux dans les lasers de haute puissance. Il est développé à base de fibre monomode pour des longueurs d'ondes inférieures à 1μm. La motivation de ce travail est d'explorer de nouvelles matrices vitreuses avec une grande réponse magnéto-optique dans la troisième fenêtre de télécommunications (1.55 μm) et d'étudier la possibilité d'avoir des fibres optiques "few mode". Dans ce sens, les verres hautement dopés en terbium sont considérés les meilleurs candidats. Toutefois leur usage est limité dans les fibres existantes vu que la concentration en ions e terre rares en terbium ne dépasse pas 27% mol dans la matrice vitreuse. Dans ce travail, on présentera plusieurs compositions vitreuses explorées dans différentes matrices de silice, de phosphate et de fluorure. Des verres contenant jusqu'à 30% mol d'oxyde de terbium dans un verre de silice et jusqu'à 40% mol de terbium fluoré dans des verres fluorés ont été obtenus dans le but de réaliser une fibre optique à deux modes de propagation à 1.55 μm. Les caractéristiques thermiques, optiques et des mesures de la constante de Verdet ont été faites sur l'ensemble des verres synthétisés en fonction de la concentration afin de comparer l'efficacité de la transmission magnéto-optique différents type de matrices. / As data traffic continues to rapidly increase, high transmission capacity will be required for fiber optic communications systems. New technologies have been developed to ensure good quality of information transfer. In this context, all-fiber optical components play an important role in reducing the propagation, insertion and reflection losses in an optical transmission link. The Faraday rotator is designed for useas an insulator in order to minimize parasitic back reflections in high power lasers. It is developed based on singlemode fiber for wavelengths less than 1μm. The motivation of this work is to explore new vitreous matrices with a large magneto-optical response in the third telecommunications window (1.55 μm) and to study the possibility of having "few mode" optical fibers. In this sens, highly doped terbium glasses are considered the best candidates. However, the solubility of terbium ions in silica glass fibers is limited to 27%, then the exploration for other glass compositions is necessary. In this work, several glass compositions have been explored in different matrices of silica, phosphate and fluoride. Glasses containing up to 30% mol of terbium oxyde in a silica glass and up to 40% by mol of terbium fluoride in fluoride glasses have been obtained in order to produce a fiber with two progagation modes at 1.55 μm. Thermal, optical and Verdet constant measurements were made on all the glasses synthesized according to their concentration in order to compare the magneto-optical transmission efficiency of different types of matrices.