De nombreuses applications, telles que la spectroscopie résolue en temps, requièrent de développer de nouvelles sources laser, qui émettent des impulsions courtes et accordables dans l'infrarouge moyen. Dans ce domaine, l'optique non linéaire apporte un grand nombre de solutions. D'une part les processus de conversion de fréquence permettent d'envisager l'extension du domaine spectral couvert par les sources laser. D'autre part les spécificités des processus non linéaires permettent d'envisager la création de fonctions optiques rapides. Dans ces travaux, nous mettons à profit ces deux aspects à travers la réalisation de dispositifs originaux de génération d'impulsions picosecondes. La première contribution de la thèse est la réalisation d'une source OPO à pompage synchrone basée sur un cristal de ZGP émettant des impulsions picosecondes dans la bande 3,8 µm- 5,6 µm. Les performances des différents étages de conversion sont discutées à la fois par des considérations expérimentales et numériques. La seconde contribution est le développement d'une source laser ZnSe:Cr2+ à modes verrouillés par un dispositif de miroir non linéaire d'ordre 2 à base de PPLN, accordable dans la bande 2,45 µm - 2,55 µm. Le miroir non linéaire est tout d'abord caractérisé en dehors de la cavité laser, puis le verrouillage de mode du laser est expérimentalement réalisé. Nous proposons enfin de généraliser la fonction miroir non linéaire en donnant les conditions d'obtention d'un verrouillage de modes par la modulation combinée de l'amplitude et de la phase de l'onde laser.

Dans le cadre des futurs réseaux de télécommunication optiques, les phénomènes non-linéaires dans les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (AOS) telles que la modulation croisée de polarisation (XPolM) et la modulation de phase croisée sont exploités pour réaliser des fonctions de traitement tout-optique nouvelles. Ces fonctions sont dédiées au routage, à la commutation de paquets et la reconnaissance des en-têtes dans les réseaux de transmission optiques. L'objectif de ce travail était double: d'une part la compréhension de la biréfringence induite dans l'AOS et en particulier le phénomène de couplage dans la XPolM grâce à une approche expérimentale, et d'autre part la mise en œuvre de cet effet pour réaliser des portes logiques tout-optiques. Un modèle théorique bidimensionnel de l'AOS est présenté. Il prend en compte les composantes TE et TM de l'onde optique, les gains optiques, les phases TE et TM et le couplage d'énergie entre les deux modes propres de l'AOS. Un banc de mesure en espace libre de type pompe et sonde a été soigneusement mis en place afin de contrôler finement les états de polarisation des signaux optiques et d'extraire des paramètres de la modulation croisée de polarisation dans la bande utile [1550-1565] nm. L'impact de la puissance de pompe et de sa polarisation sur la modification des axes propres de l'AOS est mis en évidence. Une étude expérimentale et théorique est proposée afin d'étudier l'impact de la dépendance en polarisation du gain de l'AOS sur l'efficacité de la XPolM. Cette étude est basée sur la théorie des modes couplés et les paramètres de Stokes déterminés expérimentalement. Une validation du modèle est proposée. La XPolM est exploitée pour réaliser des fonctions optiques telles que des portes logiques tout-optiques (AND, NOR, NOTXOR) à 2.5 Gbit/s au format NRZ en utilisant un unique AOS. L'efficacité de ces fonctions est estimée en mesurant le taux d'extinction. La biréfringence induite est également exploitée pour réaliser un commutateur et une porte logique tout-optique à 10 Gbit/s.

Cette thèse s'inscrit dans un projet visant à réaliser un étalon de fréquence optique à ion unique de calcium confiné dans un piège de Paul. Après avoir passé en revue les différents types d'étalons de fréquence dans le domaine optique actuellement développés (atomes neutres en piège magnéto-optique, atomes neutres dans un réseau optique et ions piégés), l'accent est mis sur le concept d'horloge a ion unique confiné dans une piège radiofréquence. Les notions de piégeage des ions, de refroidissement laser, d'effet systématique et les techniques d'asservissement laser y sont étudiées en détail. Les aspect expérimentaux sont ensuite présentés, en insistant particulièrement sur les deux pièges utilisés au cours des expériences ainsi que sur le protocole expérimental qui détermine le cahier des charges du laser d'horloge. Afin de réaliser un étalon de fréquence optique il faut posséder une source laser dont les propriétés spectrales soient meilleures ou identiques à celle de la transition atomique afin de tirer pleinement profit du facteur de qualité de la transition atomique. L'ensemble des systèmes d'asservissement du laser, lui permettant d'atteindre ces performances, sont décrits. Dans une première partie, l'asservissement du laser sur une cavité Invar de pré-stabilisation est présenté. On peut ainsi atteindre une largeur de raie du laser de l'ordre de 1 kHz. Dans une seconde partie la réalisation et le montage de l'asservissement sur une cavité ULE de haute finesse est détaillé. En utilisant ce dernier étage nous avons estimé la largeur de raie du laser à 120 mHz. Enfin le dernier chapitre est consacré à l'utilisation d'une technique d'optique adaptative afin d'améliorer la qualité des faisceaux laser et ainsi réduire le bruit de fond du système de détection des ions, qui a pour conséquence de dégrader la stabilité du système.

La détection optique cohérente et le traitement numérique du signal sont au coeur de la nouvelle génération de systèmes de transmission sur fibre. Ces systèmes utilisent des formats de modulation à grande efficacité spectrale et sont très robustes à la propagation sur le canal de transmission optique. Ils offrent ainsi aux opérateurs de télécommunications les moyens de décupler la capacité de leurs réseaux de transport tout en conservant leurs infrastructures fibre existantes. Cette thèse développe différentes problématiques relatives à la conception de fonctions numériques pour les récepteurs optiques à détection cohérente fonctionnant aux débits de 100 Gbit/s et au-delà. Elle aborde les aspects de complexité calculatoire de l'égalisation numérique du canal optique, puis évalue l'apport des techniques dans le domaine fréquentiel en vue de rendre les traitements compatibles avec les contraintes matérielles de la mise en oeuvre à très haut débit. Le second point étudié concerne les difficultés potentielles de l'utilisation du multiplexage en polarisation. La dernière partie de la thèse traite de l'étude conjointe des fonctions d'égalisation et de synchronisation porteuse et phase pour l'application aux formats de modulation à très grande efficacité spectrale.

Ce travail de thèse concerne le traitement d'image fDOT (fDOT pour fluorescence diffuse optical tomography) suit vers deux axes. Le recalage d'images fDOT à l'aide de l'imagerie TEP (tomographie par émission de positons) et l'amélioration des reconstructions fDOT à l'aide de miroirs pour collecter des projections complémentaires. Il est présenté en deux parties : Dans la première partie, une méthode automatique pour recaler les images de fDOT avec les images de Tomographie par Emission de Positons (TEP) développée dans le but de corréler l'ensemble des informations issues de chaque modalité. Cette méthode de recalage est basée sur une détection automatique de marqueurs fiduciaires présents dans les deux modalités. La particularité de cette méthode est l'utilisation de l'image de surface obtenue en fDOT, qui sert à identifier la position en Z des marqueurs fiduciaires dans les images optiques. Nous avons testé cette méthode sur un modèle de souris porteuses de xénogreffes de tumeurs de cellules cancéreuses MEN2A qui imitent un carcinome thyroïdien médullaire humain, après une double injection de traceur radioactif : [18F]2-fluoro-2-Deoxy-D-glucose (FDG) pour l'imagerie TEP et un traceur optique d'infrarouge fluorescent, le Sentidye. Grâce à la précision de notre méthode, nous arrivons à démontrer que le signal Sentidye est présent à la fois dans la tumeur et les vaisseaux environnants [1]. La qualité des images fDOT est dégradée selon l'axe Z du fait d'un nombre limité de projections pour la reconstruction. Dans la deuxième partie, le travail s'est orienté vers une nouvelle méthode de reconstruction d'images fDOT à partir d'un nouveau système d'acquisition multi-angulaire avec deux miroirs placés de chaque côté de l'animal. Ce travail a été mené en collaboration avec le département CS d'University College London (UCL), partenaire du projet Européen FMT-XCT. Le logiciel TOAST développé par cette équipe a été utilisé comme source pour l'algorithme de reconstruction, et modifié pour s'adapter à notre problématique. Après plusieurs essais concernant l'ajustement des paramètres du programme, nous avons appliqué cette méthode sur un fantôme réaliste des tissus biologiques et chez la souris. Les résultats montrent une amélioration de l'image reconstruite d'un fantôme semi-cylindrique et de l'image de rein chez la souris, pour lesquelles la méthode des miroirs est supérieure à la méthode classique sans miroir. Malgré tout, nous avons observé que les résultats étaient très sensibles à certains paramètres, d'où une performance de reconstruction variable d'un cas à l'autre. Les perspectives futures concernent l'optimisation des paramètres afin de généraliser l'approche multi-angle.

Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de diodes lasers de puissance, faible bruit à 1.5 µm sur InP pour des applications d'optique hyperfréquence, notamment pour des liaisons optiques analogiques de grande dynamique pour les systèmes radar. La première partie du travail a consisté à modéliser et concevoir des structures laser DFB ayant de faibles pertes internes. Ces structures, appelées lasers à semelle, incorporent une couche épaisse de matériaux entre la zone active et le substrat pour agrandir et délocaliser le mode propre optique des zones dopées p. La complexité de la conception résidait dans le bon compromis à trouver entre les performances statiques et dynamiques. Nous avons réalisé des diodes-lasers DFB avec une puissance > 150 mW, un rendement de 0.4 W/A, un niveau de bruit de 160 dB/Hz et une bande passante de modulation à 3 dB de 7.5 GHz. Les composants ont ensuite été caractérisés puis évalués dans des liaisons analogiques. Nous avons démontré des performances de gain de liaison, de dynamique et de point de compression à l'état de l'art mondial. En bande L (1-2 GHz) par exemple, nous avons montré des liaisons avec 0.5 dB de gain, un point de compression de 21 dBm et une dynamique (SFDR) de 122 dB.Hz2/3.En utilisant la même méthodologie de conception, la dernière partie du travail de thèse a été consacrée à la réalisation et à la caractérisation de lasers de puissance à verrouillage de modes pour la génération de train d'impulsions ultra-courts et la génération de peignes de fréquences. Ces structures présentent de très faibles largeurs de raie RF (550 Hz) et de très fortes puissances optiques (> 18 W en puissance crête).

Nous proposons une méthode et nous réalisons l'expérience pour la caractérisation de la forme d'onde jusqu'à 100 GHz, par échantillonnage électro-optique. L'échantillonnage électro-optique permet de déterminer l'impulsion ultra rapide générée par une photodiode dans une ligne coplanaire. Dans notre système, l'impulsion électrique est échantillonnée par un train d'impulsions laser ultra-courtes par effet électro-optique. Le faisceau du laser est sépare en deux parties. Une partie du laser excite la photodiode qui génère les impulsions électriques se propageant sur une ligne coplanaire fabriquée sur un substrat en verre. L'autre partie du laser subit un délai optique variable et traverse un matériau électro-optique placé sur la ligne coplanaire. Le champ électrique entre les conducteurs de la ligne coplanaire, modifie la polarisation du laser par l'effet électro-optique. Le changement de polarisation peut être converti en une variation d'amplitude qui peut être mesurée. Pour un retard fixe, les impulsions d'échantillonnage interceptent de manière répétitive une petite portion de la forme d'onde de l'impulsion électrique. Le retard est varié pour enregistrer l'évolution temporelle de la forme d'onde de l'impulsion électrique. Nous utilisons un logiciel de simulation électromagnétique 3D pour optimiser la structure électro-optique constituée d'une ligne coplanaire sur laquelle est posée une lame électro-optique. Nous réalisons 144 lignes coplanaires sur un substrat de verre ainsi qu'un kit d'étalonnage pour étalonner l'analyseur de réseau vectoriel utilisé pour trouver la structure optimale en conditions réelles. Nous utilisons ensuite cette structure pour reconstruire la forme d'onde de l'impulsion électrique générée par la photodiode.

L'objectif de cette thèse vise à l'étude d'un laser à cavité étendue et/ou filtre optique, dont le miroir externe est un réseau de Bragg à pas variable linéairement. En ce qui concerne le milieu à gain dans le résonateur, l'amplificateur optique à semiconducteur (SOA, Semiconductor Optical Amplifier) peut offrir toutes les caractéristiques et avantages classiques et typiques tels que large bande passante spectrale de 50 nm, faible consommation, haute rapidité de commutation électro-optique etc.... Par conséquent, ce type de laser et/ou filtre optique offre de nombreuses applications intéressantes dans le domaine des télécommunications optiques.Dans cette recherche, les premiers travaux sont la conception de la cavité continuum passive à l'aide d'un réseau de Bragg à pas variable. A l'intérieur de cette cavité continuum, formée entre un miroir et un réseau de Bragg chirpé, toutes les longueurs d'onde de Bragg oscillent simultanément ; la phase après un aller-retour de chaque longueur d'onde doit rester constante. La largeur de bande passante du spectre de transmission peut être ajustée dans la bande C (entre 1525 nm et 1565 nm) pour répondre aux besoins des systèmes de multiplexage en longueur d'onde (WDM, Wavelength-Division Multiplexing). On appliquera dans un premier temps ce concept de cavité continuum à la conception et la réalisation d'un filtre optique à bande passante variable. Puis dans un deuxième temps on rajoute un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) dans cette cavité pour réaliser un laser dit continuum. On s'attend à une émission sur un large spectre défini par la bande de réflexion du réseau chirpé. Le contrôle et la compréhension des phénomènes liés à cette émission lumineuse feront l'objet de cette étude. La cavité laser dite continuum sera étudiée en régime d'injection optique. L'idée est d'utiliser cette source comme amplificateur résonant fonctionnant en régime d'injection locking. La contribution dans cette thèse couvre à la fois la modélisation numérique, et les manipulations expérimentales. La conception du filtre ainsi que des mesures expérimentales de validation ont été complètement réalisés sur une structure hybride constituée d'une cavité à fibre optique incluant les réseaux de Bragg. Un bon accord entre théorie et expérience a été obtenu. Par contre, les calculs ont montré qu'un filtre optique intégré sur semi-conducteur utilisant ce concept de cavité n'avait pas d'intérêt. Les propriétés spectrales du filtre réalisé montrent en effet qu'on ne pourra obtenir qu'un faible taux de réjection et une qualité médiocre de forme de filtre en version intégrée. La réalisation expérimentale d'une cavité laser continuum a pu être démontrée et les propriétés spectrales enregistrées. En particulier une émission laser avec une largeur de spectre de 10 nm a été observée. Même si il reste un grand travail de caractérisation et de modélisation pour comprendre totalement les mécanismes qui gouvernent le fonctionnement d'une telle structure, c'est un résultat totalement nouveau que l'on a obtenu ici. Cette structure a par ailleurs été testée en régime d'injection optique. Un fonctionnement d'injection locking est obtenu qui permet à cette structure de jouer le role d'amplificateur à faible bruit.

Les verres se placent actuellement parmi les candidats potentiels pour des applications en optoélectronique (transport de l' information par fibres optiques, commutation...). Dans la perspective du développement de tels matériaux, cette thèse analyse l'origine du fort effet Kerr optique des verres a base d'oxyde de tellure TeO2. Des calculs ab initio ont permis d'établir des corrélations entre la structure locale des entités polarisables TeOn et leur activité optique. En outre, le phénomène de génération de seconde harmonique dans les verres a été appréhendé dans le cas particulier de la silice.

Les travaux de recherches présentés dans ce mémoire ont débuté en 1992 au sein du groupe "Photonique" du LAAS-CNRS. Ils s'inscrivent dans le cadre général des recherches menées par l'équipe animée par F. Lozes-Dupuy, Directrice de Recherches au CNRS. Après une étude approfondie des diodes laser DBR (Distributed Bragg Reflector) monofréquences à émission surfacique, l'étude de ce type d'émetteurs a été poursuivie en recherchant le contrôle et l'optimisation de leurs performances par l'adjonction d'une cavité optique étendue hybridée. Ces travaux ont conduit à élargir le domaine de recherches à celui des microsystèmes et aux technologies associées en vue de proposer une microsource laser stabilisée en fréquence. L'orientation «microsystème» des activités a ensuite été renforcée par des travaux de collaboration sur les microsystèmes optiques et, plus spécifiquement, sur le verrou que constitue l'intégration photonique dans les microsystèmes. Dans une première approche, en mettant à profit les acquis de la technologie conventionnelle de type CMOS, les travaux ont concerné l'étude de nouveaux concepts d'intégration sur silicium. Ces travaux se sont appuyés sur un objet d'étude constitué par un capteur optique de déplacement et ont montré que la microélectronique, l'optoélectronique et l'optique intégrée pouvaient être associées sur silicium pour proposer des fonctions optiques "intelligentes" à partir d'une technologie compatible CMOS. Une deuxième approche d'intégration photonique a ensuite été explorée pour tirer profit des propriétés des cristaux photoniques dans la perspective du développement de nouveaux types de diodes laser compatibles avec une intégration photonique planaire dense.