Les cristaux électro-optiques (EO) comme le LiTaO3, présentent un indice de réfraction qui dépend linéairement, via l'effet Pockels, de l'amplitude d'une composante unique du champ électrique qui lui est appliqué, propriété qui permet de les utiliser comme détecteurs entièrement diélectriques, dédiés à la mesure vectorielle et non perturbative de champs électriques. Comme cette propriété est due à des effets non-linéaires, ces sondes EO possèdent des sensibilités (champ minimum mesurable) intrinsèquement faibles. Des sondes EO basées sur la modulation d'amplitude, utilisant une cavité Fabry-Pérot, permettent néanmoins d'améliorer cette sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. Malheureusement les propriétés optiques de ces cristaux dépendent également de la température, engendrant une instabilité temporelle de la réponse EO de la sonde pour des mesures dites de «terrain».<br /> Le système développé au sein de l'IMEP-LAHC, en collaboration avec le centre d'étude de Gramat, et presenté dans ce manuscrit, a permis d'aboutir à la première mesure simultanée d'une composante du champ électrique et de la température avec une précision de l'ordre de 40 mK, et ce pendant plusieurs minutes dans des conditions expérimentales drastiques. Ce transducteur EO présente une réponse plate sur une bande spectrale allant du quasi DC à 16 GHz, une résolution spatiale d'une centaine de micron et une sélectivité supérieure à 25 dB.

Ce mémoire est consacré à l'étude de l'impact de la régénération 2R dans un système de transmission optique. La régénération optique 2R devrait permettre d'améliorer les performances et limiter le coût des liaisons longue distance et métropolitaines. Des dispositifs simples et peu coûteux pourraient en effet remplacer certains transpondeurs des liaisons optiques. Seules les techniques compatibles avec le réseau multiplexé en longueur d'onde (WDM) seront susceptibles de voir le jour. Ces travaux se sont par conséquent plus particulièrement tournés vers un dispositif 2R à base d'un absorbant saturable en microcavité verticale, dispositif qui présente les qualités requises pour l'application visée. Ces travaux ont donné lieu à des considérations tant d'un point de vue compréhension des phénomènes que d'un point de vue performances. Ils ont été réalisés dans le cadre du projet RNRT (Réseau National de Recherche en Télécommunications) ASTERIX (Absorbant Saturable pour la régénération TERabits multIpleXée en longueurs d'onde).<br />Après une présentation des généralités sur les systèmes de transmission optique et des principales dégradations subies par le signal, nous abordons la régénération optique. Nous mettons ensuite en évidence la difficulté de démontrer l'efficacité d'un régénérateur. Nous montrons notamment que pour démontrer son efficacité, un régénérateur optique doit être caractérisé dans une liaison.<br />L'étude numérique et expérimentale d'une liaison comportant une cascade de régénérateurs optiques 3R, nous permet ensuite, dans le cas où l'accumulation de bruit d'amplitude limite la transmission, de connaître l'évolution des densités de probabilité depuissance des symboles et donc du taux d'erreur binaire (TEB).<br />Le cas d'une régénération 2R est ensuite abordé. Un dispositif original constitué d'un absorbant saturable suivi d'un amplificateur optique à semiconducteur (SOA) est caractérisé avant d'être cascadé dans une ligne de transmission à 10 Gbit/s. L'efficacitédu dispositif est démontrée puisqu'un facteur d'amélioration de la distance de propagation supérieur à 9,5 est obtenu pour un TEB de 10-8 permettant une propagation sur 20 000 km. L'accordabilité du dispositif est également démontrée sur une bande spectrale de 13 nm, ce qui est prometteur pour une transmission WDM.<br />Ce dispositif 2R nous permet finalement d'aborder de manière plus générale, l'effet d'une cascade de régénérateurs 2R dans une liaison. Une étude numérique clarifie le phénomène d'accumulation de gigue temporelle en présence de régénérateurs 2R. Une boucle à recirculation à pas de régénération variable permet d'étudier expérimentalemen l'impact du pas entre régénérateurs. Il existe un pas de régénération optimal correspondant au meilleur compromis entre accumulation de gigue temporelle et de bruit d'amplitude. L'étude met également en évidence l'intérêt d'espacer largement les régénérateurs (distance doublée pour 6 régénérateurs cascadés à un TEB de 10-8 dans le cas considéré). Enfin la limitation de la transmission par la gigue temporelle est mise en évidence expérimentalement.

Pendant ce travail de thèse, nous avons réalisé deux microscopes originaux qui combinent le contraste novateur lié au domaine THz (de 0,1 à 10 THz), aux techniques super-résolvantes de la microscopie optique de champ proche.<br />Tout d'abord, nous avons développé un instrument dont l'originalité réside dans l'illumination qui est assurée par une source locale IR/THz générée in situ par rectification optique. Plusieurs échantillons métalliques et diélectriques ont alors été imagés, mettant en évidence une résolution sub-longueur d'onde dans le domaine THz. Parallèlement, une étude théorique a permis de comprendre les mécanismes de formation des images dans le microscope.<br />Une autre version du microscope optique de champ proche, fonctionnant dans un mode dit sans ouverture a aussi été élaboré. Cette configuration a permis d'atteindre une résolution inférieure au micron dans le domaine THz, grâce à l'ajout d'une pointe métallique fonctionnant comme un diffuseur des ondes évanescentes.

Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur de niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaire de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font parties des meilleures sources actuelles aussi bien en terme de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré. Pour cette réalisation, nous avons mergé au sein d'un même composant, pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlablé des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité de 79% en accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car il permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans la problématique générale de la formation du spectre optique dans les lasers Raman à fibre. Nous avons mené une étude expérimentale sur un laser Raman à fibre oscillant dans une cavité Pérot-Fabry fermée par des miroirs de Bragg. Cette étude montre que la forme du spectre optique diffère selon la puissance du laser. En développant différents modèles, nous avons montré que les miroirs de Bragg sont à l'origine de ce changement de forme du spectre optique. En particulier, à faible puissance, la forme asymétrique du spectre provient d'effets dispersifs lors de la réflexion sur les miroirs de Bragg. A forte puissance, ces effets dispersifs sont dominés par les effets de filtrage des miroirs, ce qui conduit à la symétrisation du spectre du laser observée dans notre expérience. Par ailleurs, nous avons également étudié numériquement la statistique du champ Stokes intracavité. Nous avons montré que celle-ci change fortement selon que l'onde Stokes est incidente ou réfléchie par les miroirs de Bragg. Ce résultat nous a permis de questionner la validité d'un modèle récemment publié sur la formation du spectre optique du laser Raman à fibre. Ce modèle s'appuie sur les outils de la théorie cinétique des ondes, valable uniquement dans le cas de champs possédant une statistique gaussienne. Toutefois, notre étude numérique indique que cette condition n'est pas respectée dans le laser Raman à fibre, et la forme du spectre optique observé dans notre étude expérimentale s'oppose fortement à celle prédite par cette approche statistique de la formation du spectre optique du laser Raman à fibre.

Depuis l'avènement en Perse, il y a 2500 ans, du service postal, la capacité à transmettre un maximum d'information sur une longue distance et en un minimum de temps s'avère être une des quêtes de l'Homme. Aujourd'hui, les moyens de télécommunications modernes font parti de notre quotidien et nous permettent de partager quasi-instantanément de la voix, de l'image ou du texte avec un interlocuteur situé à des milliers de kilomètres. Le cadre général dans lequel s'insère ce manuscrit de thèse est celui de l'étude de la couche physique des télécommunications, mais de façon plus précise, celui de la recherche d'outils de traitement tout-optique de l'information destinés particulièrement aux futurs systèmes de transmission à à très haut débit. En effet, de nombreuses recherches ces dernières années ont montré la variété d'applications possibles à partir de l'amplification paramétrique, une nouvelle technique d'amplification sur fibre optique offrant une très grande bande passante. Nous présentons dans ce manuscrit une étude théorique des amplificateurs paramétriques utilisant deux lasers de pompe. Nous analyserons également le bruit et la distorsion des signaux de télécommunications apporté par la modulation de phase des pompes, requise pour supprimer la rétro-diffusion Brillouin stimulée dans toute fibre optique. Nous donnerons la démonstration théorique que deux ondes pompes modulées en opposition de phase annulent toute distorsion des signaux. Nous présenterons également une mise en oeuvre expérimentale d'un amplificateur paramétrique optique, intégrant un nouveau modulateur de phase double réalisé en partenariat avec la société Photline Technologies. Celui-ci nous a permis de démontrer une qualité d'amplification optique ainsi qu'une conversion de longueur d'onde quasi-transparente. La troisième partie présente ce qui constitue, à notre connaissance, la première mesure distribuée du gain paramétrique le long de la fibre optique servant de milieu amplificateur. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Ecole Fédérale Polytechnique de Lausanne (EPFL), en Suisse. Ils sont basés sur l'analyse Brillouin dans le domaine temporel. La quatrième et dernière partie de ce manuscrit relate une étude théorique et numérique d'une boucle à réplication d'impulsion laser intégrant un amplificateur paramétrique. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'un contrat avec le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA). L'originalité de cette étude réside dans l'exploitation des amplificateurs paramétriques dans la fenêtre de longueurs d'ondes autour de 1 μm en utilisant des fibres à cristal photonique.

Cette étude s'attache a l'optimisation de faisceaux par mélange a deux ondes dans des cristaux photorefractifs et a leur emploi dans des dispositifs d'amplification d'images et dans un système de déflexion. Dans un premier temps, nous démontrons que l'application au cristal d'un champ électrique pulse périodique renforce le transfert d'énergie dans le mélange a deux ondes. L'étude analytique du phénomène montre que la technique des champs pulses permet de dépasser la limite d'amplification commune aux autres méthodes d'amplification. Cette technique ne permet pas cependant d'amplifier simultanément toutes les fréquences spatiales d'une image de haute résolution. Pour étudier l'amplification d'images, nous avons employé la technique classique du mélange a deux ondes sous champ alternatif carre. L'examen théorique et expérimental de l'amplification nous permet d'optimiser la forme du champ électrique a appliquer et la nature du dopage du cristal a employer pour obtenir une image amplifiée de haute résolution. Ensuite, nous concevons un système de déflexion de faisceaux s'intégrant dans un dispositif de commutation holographique. Les principaux éléments du système (cristal amplificateur de titanate de baryum et matrice de microlentilles) sont étudiés. On s'intéresse aux aberrations optiques, aux mécanismes physiques responsables du bruit dans le cristal photorefractif et on montre comment réduire ces sources de bruit. Enfin, nous présentons des amplifications d'images dans différents cristaux photorefractifs. Nous comparons les amplifications, les résolutions et les rapports signal a bruit obtenus dans différents échantillons de bi12geo20 et un échantillon de batio3.

Actuellement, un intense travail de recherche a lieu dans le domaine de la conception optique, tant au niveau industriel qu'académique. Cette thèse de doctorat s'incrit dans ce contexte général en abordant l'extension et l'utilisation de programmes commerciaux de conception optique dans de nouvelles branches de l'ingénierie optique, incluant l'optique intégrée, la mise en forme de faisceau et les sytèmes optiques hybrides diffractifs/conventionnels. Afin de modéliser ces nouveaux systèmes, j'ai développé de nouvelles techniques permettant de rendre leur analyse et leur conception plus "puissantes" que par les méthodes précédemment en usage, par la précision, la rapidité de calcul, la convivialité ou les degrés de liberté à la disposition du concepteur. Ces travaux ont parfois nécéssité la mise en place de nouvelles descriptions des phénomènes physiques mis en jeu, mais ils ont sutout été axés sur la recherche d'une mise en oeuvre efficace (usuellement basée sur le tracé exact de rayons) d'approches déjà connues...

Ce mémoire pressente l'étude et la réalisation d'un laser a colorant a blocage de mode passif produisant des impulsions de 100 femtosecondes (10##1#3 s). Dans une cavite en anneau contenant un milieu amplificateur (rhodamine 6g) et un absorbant saturable (dodci), un système de prismes permettant de contrôler la dispersion de vitesse de groupe réalise une mise en phase de toutes les fréquences du spectre des impulsions. Nous avons ensuite étudie la possibilité de produire des impulsions femtosecondes a d'autres longueurs d'onde directement avec l'oscillateur. Des impulsions de 60 fs a 685 nm et inférieures a 50 fs entre 775 nm et 800 nm ont ete produites pour la première fois par blocage de mode passif. Les impulsions dans le proche infrarouge nous ont permis d'étudier la cinetique de la saturation de l'absorption dans des semi-conducteurs du type multipuits quantiques gaas/algaas. Un regime de fonctionnement particulier du laser a ete observe et analyse en termes de solitons optiques. Afin de realiser des expériences de spectroscopie résolue dans le temps avec des impulsions encore plus brèves, nous avons étudie un système de compression d'impulsions suivi d'une amplification pour augmenter leur énergie. Des impulsions de 20 fs avec une énergie de 10 micro joules (puissance crete: 0,5 gw) ont ete utilisées pour étudier la cinétique de la saturation de l'absorption dans un colorant organique (le vert de malachite).

Les filtres optiques à bande latérale unique auto-accordables en longueur d'onde (BLU-AA) s'offrent comme un moyen de compenser les effets de la dispersion chromatique dans les systèmes nécessitant le transport radio-sur-fibre. Les travaux présentés recouvrent l'étude de ces filtres depuis leur élaboration et leur modélisation jusqu'à leur validation dans des expérimentations système hybrides fibre-radio. Un faisceau optique de commande à la longueur d'onde 1,55 µm peut générer par illumination contra-directionnelle un miroir de Bragg dynamique dans un barreau photoréfractif de phosphure d'indium dopé au fer (InP:Fe). Le miroir ainsi généré diffracte un signal dont la longueur d'onde est proche de la longueur d'onde de commande. C'est sur cette base que nous avons conçu les filtres BLU-AA. Le signal d'entrée de ces composants présente un spectre à double bande latérale (DBL) provenant d'une porteuse optique modulée à une fréquence radio. Ce signal est partagé en deux faisceaux d'égales puissances sur les deux accès (signal et commande) du filtre. Chacune des trois composantes du spectre de la commande génère un réseau de Bragg dont seulement deux sont utiles. Lorsque l'angle d'injection des faisceaux d'entrée est correctement ajusté, les réseaux utiles diffractent deux des composantes du signal fournissant le spectre BLU désiré. Si l'angle d'injection détermine la fréquence centrale de fonctionnement du filtre BLU-AA, ce composant dont les réseaux sont dynamiques fonctionne quelle que soit la longueur d'onde du signal à filtrer, dans la mesure où celle-ci se situe dans la fenêtre de transmission autour de 1,55 µm. Une fois ce concept posé, nous avons développé un modèle des filtres BLU-AA et des composants ont été montés puis caractérisés ce qui a permis de vérifier le principe énoncé. En outre, nous avons validé le modèle par confrontation avec les résultats de la caractérisation et les spectres BLU obtenus sont conformes au calcul théorique. Dès lors, la vérification de la compensation des effets de la dispersion chromatique fut la première étape des expérimentations système. Ceci fut fait aussi bien dans le domaine des ondes centimétriques avec des signaux optiques modulés à la fréquence 16 GHz, que dans le domaine millimétrique à la fréquence 31,5 GHz. Finalement deux transmissions de données à 140 Mbit/s comportant à la fois une transmission par fibre optique (sur 14 km) et un bond radio (de 1 m) furent mises en place. Ces deux expérimentations empruntaient la fréquence radio de 16 GHz. Dans le cas d'un signal BLU unique comme dans celui de deux canaux WDM-BLU issus du même filtre BLU-AA, des mesures de taux d'erreur binaire ont prouvé la qualité des liaisons mises en place.