Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail de thèse se compose en deux parties :Partie 1Nous nous intéressons à la propagation lumineuse non-linéaire dans des cellules planaires de cristal liquide nématique mélangé avec un colorant, l’effet non-linéaire considéré étant l'effet thermique. Puis, nous nous intéressons à l'amélioration de la fluorescence émise par le colorant.Nous concluons que pour améliorer le spectre de la fluorescence, il faut utiliser une source se propageant en mode soliton, optimiser la distance entre la fibre optique d’excitation de celle de collecte et l’ajout des nanoparticules d'or au cristal liquide. Cette amélioration de la fluorescence ouvrira la voie à la création du laser à colorant assisté par propagation de soliton.Partie 2Nous étudions la dynamique spatiotemporelle d'une cavité en anneau remplie d'un milieu de type Kerr non-instantané et pompée par un faisceau cohérent. Nous effectuons d’abord une étude analytique afin de déterminer les types d’instabilités possibles et leurs seuils. Puis, une étude numérique est menée pour observer l’évolution du champ dans la cavité. Nous montrons l’existence des structures périodiques et localisées. / The work of this thesis consists of two parts:Part 1We are interested in non-linear light propagation in planar cells of nematic liquid crystal mixed with a dye. The non-linear effect is considered to be a thermal effect. Then, we are interested in improving the fluorescence emitted by the dye.We conclude that to improve the fluorescence spectrum, we need to use a source propagating in soliton mode, to optimize the distance between the excitation optical fiber and the collecting one and to add the gold nanoparticles to the liquid crystal. This improvement of fluorescence spectrum will pave the way for the creation of a dye laser assisted with soliton propagation.Part 2We study the spatiotemporal dynamics of a ring cavity filled with a non-instantaneous Kerr-type medium and pumped by a coherent beam. We first carried out an analytical study to determine the types of instabilities and their thresholds. Then, a numerical study is carried out to observe the evolution of the field in the cavity. We show the existence of periodic and localized structures.

Les composés multimatériaux à base de verre connaissent aujourd’hui un intérêt croissant, en particulier sous la forme de fibres optique pour des applications dans l’infrarouge. Parmi les matériaux vitreux qui existent, les verres chalcogénures présentent de nombreux avantages, tel qu’un large domaine de transparence allant du visible à l’infrarougeou encore de bonne aptitude à pouvoir être étirer. Pour réaliser de nouvelles fibres multimatériaux, il est important d’avoir accès à un choix étendu de compositions vitreuses étirables pouvant servir de matrice hôte. Il peut être montré que les verres actuellement utilisés pour la réalisation de fibres multimatériaux couvrent deux plages de température de transition vitreuse différentes ; soit à basse température (100-250 °C), ou à haute température (1000 °C et plus). Le manque d’information sur des verres étirables couvrant un domaine intermédiaire de température entre 250 et 1000 °C, nous ont conduit à explorer les propriétés et les capacités d’étirement des verres des deux systèmes ternaires Ge-S-I et Ga-As-S. Il sera montré que ces systèmes vitreux ont en effet des Tg permettant de couvrir cette gamme intermédiaire de température et ont de larges domaines de formation vitreux. Un ensemble de caractérisations physiques et thermiques sur les verres au sein des systèmes ternaires Ge-S-I et Ge-As-S seront présentés et analysés. Il sera possible d’observer, comment notamment les résultats des mesures thermomécaniques et de viscosité des échantillons synthétisés ont permis d’aborder dans les meilleures conditions les tests d’étirement des verres. Ou encore comment l’analyse minutieuse des propriétés a pu permettre de définir un domaine de composition combinant à la fois des propriétés optimales en termes de Tg et de transparence dans le visible, avec une bonne capacité à pouvoir être étirées sous forme de fibres optiques. Pour la première fois les domaines de fibrage des deux ternaires à partir de l’étirement d’une préforme seront présentés dans ce manuscrit. Ce travail présente également une caractérisation structurale des verres Ge-S-I. Cette étude a été réalisé en combinant la spectroscopie Raman, la spectroscopie IR et des calculs de chimie théorique afin de proposer un nouveau modèle structural basé sur les avancés les plus récentes d'une part sur la structure du système binaire Ge-S, puis ternaire Ge-S-I.Enfin, les résultats préliminaires sur la réalisation de fibres multimatériaux à partir de verres Ge-S-I et Ge-As-S pour la réalisation de sources laser entre 3 et 5 µm, seront présentés. Le projet, la méthodologie et les résultats quant à la réalisation d’une fibre multimatériaux à base de verre chalcogénure avec un cœur cristallisé de ZnS à partir de deux techniques innovantes différentes, seront présentés. / Nowadays, the interest on multimaterials based on glass matrix growth constantly, in particular in the field of multimaterial optical fibers for IR applications. Among the glass materials that exist, chalcogenide glasses presents a lot of advantages as for instance large transparency windows, spanning from the visible to the infrared or also good capability to be drawn. In the aim to realize new multimaterials fibers, it is important to get a large choice of draw able glass compositions that can be used as host matrix. It can be shown that the glass used currently to make multimaterial fibers covers two glass transition temperature range ; low temperature (100-250 °C) and high temperature (1000 °C and more). The lack of information regarding the existence of glass compositions that can be drawn into fibers at intermediate temperature (between 250 and 1000 °C), has lead us to explore the properties and the draw ability of glasses into two ternary systems: Ge-As-S and Ge-S-I. It will be presented that these glass systems possess Tg that covers this intermediate range of temperature and have large glass forming regions. Some physical and thermal characterizations of Ge-As-S and Ge-S-I glasses will be presented and analyzed. It will be possible to observe how the thermomechanical and viscosity measurements made on the different samples enabled us to perform the drawing tests in the best conditions. It will be also possible to see how a careful analysis of the Ge-S-I glass properties gave us the possibility to define a glass region combining optimal properties as Tg and transparency in the visible, and good capability to be drawn. For the first time, the fiber drawing region of both systems will be presented in this thesis. This work present also a structural characterization of Ge-S-I glasses using IR and Raman spectroscopy as well as DFT calculations, in the aim to propose a new structural model based on recent development in the Ge-S network structure. Finally, preliminary results on the realization of Ge-S-I and Ge-As-S based multimaterial fibers for the production of IR laser sources between 3 and 5 µm, will be presented. The last chapter will present the project, the methodology and the results obtained to realize multimaterial fibers with ZnS core, using two different technics.

Ce travail porte sur la conception et la réalisation de photodiodes UTC en GaInAs/InP pour la détection de fortes puissances optiques jusqu'à 20 GHz. La solution choisie est une photodiode à éclairage par la face arrière compatible avec un report flip-chip sur des lignes hyperfréquences. La première partie de cette étude consacrée à l'optimisation simultanée de la bande passante et de la responsivité a mis en avant l'importance de la conception de l'absorbant et du collecteur. En particulier, l'introduction d'un champ électrique statique dans l'absorbant grâce à un graduel de dopage est essentielle pour atteindre simultanément une responsivité élevée (0,8 A/W à l,55 µm) et une large bande passante = 20 GHz sous fort photocourant). Dans un second temps, l'analyse des mécanismes de saturation a permis de dégager les principaux axes d'optimisation sous forte puissance: la réduction de la dépolarisation de la jonction, l'atténuation des effets de charge d'espace et l'amélioration de la dissipation thermique. Ainsi, une nouvelle structure de collecteur à dopage non uniforme est proposée. Elle permet de repousser les limites de saturation de la photodiode et permet d'atteindre des courants = 100 mA à 20 GHz, au meilleur niveau de l'état de l'art. Enfin, une étude théorique et expérimentale de la linéarité des photodiodes UTC de puissance est présentée. Les photodiodes développées montrent une excellente linéarité atteignant des points d'interception d'ordre 3 (IP3) de 35 dBm à 20 GHz faisant de ces composants de très bons candidats pour les liaisons optiques/hyperfréquences à large dynamique. / This work focuses on the design and fabrication of GaInAs/InP Uni-Traveling-Carrier (UTC) Photodiodes (PDs) for high optical power detection up to 20 GHz. The selected solution consists of a back-side ilIuminated PD compatible with flip-chip mounting on microwave transmission lines. The first section of this study is dedicated to the optimisation of both bandwidth and responsivity, simultaneously. It demonstrates how important the design of absorption and collection layers is. ln particular, the introduction of a static electric field in the absorption layer, owing to a graduaI doping, is essential to achieve, simultaneously, a high responsivity (0.8 A/W at 1.55 µm) and a large bandwidth (= 20 GHz under high photocurrent). Secondly, the saturation mechanisms in a UTC structure are analysed. Reducing the junction bias variation, mitigating the space charge effects and enhancing the heat power dissipation are demonstrated to be the main axes for design optimization under high power. Therefore, a new design of a non-uniformly doped collector is proposed. It reduces saturation limitations and leads to state-of-the-art saturation current =100 mA at 20 GHz. FinaIly, a theoretical and experimental study of high power UTC-PDs linearity is presented. The developed PDs show a high linearity and achieve third order intercept points (IP3) op to 35 dBm at 20 GHz, which makes them good candidates for analog photonic links that need a high dynamic range.

Résumé non disponible dans les fichiers attachés à ce document

L'imagerie haute résolution a atteint une grande maturité ces dernières années et donne lieu aujourd'hui à de nombreuses publications scientifiques. Deux techniques sont utilisées : l'optique adaptative et la synthèse d'ouverture. Cette dernière technique est au point pour des bases de l'ordre de la centaine de mètres. Mais de nouvelles avancées sont encore possibles notamment en se tournant vers des instruments à très grandes bases et/ou utilisant de nouveaux guides optiques. Par ailleurs, le domaine de l'astronomie imposant de travailler avec de larges bandes spectrales pour collecter plus de lumière, la mise au point d'interféromètres large bande se révèle indispensable. Ce manuscrit présente le développement d'instruments fibrés et leur caractérisation sur de larges domaines spectraux.<br />Après une première partie consacrée à quelques rappels théoriques, le deuxième volet de ce document est consacré à l'étude des fibres optiques en silice pour le projet `OHANA. Ce projet, piloté par l'Observatoire de Meudon, vise à relier de manière cohérente les télescopes du Mauna Kea à Hawaii à l'aide des fibres optiques. La dispersion chromatique différentielle des fibres destinées à relier le CFHT et Gemini, d'une longueur de 300 m, a été caractérisée ce qui a permis de la minimiser. Une étude de l'évolution de cette dispersion a également été menée en tenant compte des variations différentielles de température. Des solutions utilisant une ligne à retard fibrée ou des lames de CaF2 ont été proposées et réalisées pour compenser la dispersion supplémentaire occasionnée par ces variations des contraintes thermiques. La troisième partie est dédiée à l'étude des propriétés des fibres à cristaux photoniques (PCFs) pour l'interférométrie large bande. Deux interféromètres respectivement à deux et trois voies ont été mis en oeuvre dans le but de tester les propriétés des PCFs. Il a été montré que les fibres microstructurées utilisées avaient la capacité de propager la lumière de façon cohérente sur une très large bande spectrale, allant typiquement de 670 nm et 1550 nm, ce qui n'est pas possible en utilisant des fibres en silice " conventionnelles ". Enfin, des mesures de clôture de phase ont été réalisées et font apparaître que ces PCFs n'apportent pas de biais sur ces mesures.

Les performances d'un filtre optique interférentiel sont directement liées à la qualité du contrôle optique implanté sur la machine de dépôt. Actuellement, les contrôles spectrophotométriques large bande se développent de plus en plus du fait de l'amélioration des détecteurs matriciels. Le système optique développé durant ce travail de thèse présente la particularité de mesurer simultanément les profils spectraux en transmission et en réflexion de l'échantillon traité en rotation au cours du dépôt, ceci sur une plage spectrale située entre 400 et 1000 nm. Un tel système couplé à un logiciel d'optimisation permet de compenser les éventuelles erreurs de dépôt en modifiant après la réalisation de chaque couche les épaisseurs de celles restant à déposer. Il permet également une caractérisation in situ des indices et épaisseurs de matériaux diélectriques ou absorbants.

Le niobate de lithium (LN), en raison de ses propriétés, électro-optiques, optiques non linéaires et photoréfractives (PR), s'impose comme un matériau de choix pour des applications en modulation, filtrage, stockage holographique ou conversion de fréquence optique. L'effet PR est gouverné à la fois par les centres profonds extrinsèques (Fe2+ et Fe3+ le plus souvent) et par les antisites niobium en site lithium (NbLi5+), qui constituent des pièges préférentiels pour les électrons arrachés aux donneurs profonds et forment ainsi des polarons liés NbLi4+, caractérisables par une large bande d'absorption photo-induite (API) s'étendant dans le rouge et le proche infrarouge, ainsi que par une bande de photoluminescence (PL) légèrement décalée en longueur d'onde par rapport à la précédente. Nous présentons ici une étude expérimentale de la PL polaron dans le LN congruent dopé fer, en fonction de la température et de l'intensité lumineuse excitatrice, en régime continu et en régime pulsé, ainsi qu'un modèle phénoménologique à trois centres permettant d'interpréter toutes les caractéristiques observées. Nous montrons que la PL permet en principe de doser les donneurs profonds dans le LN congruent en quantité infime, quelle que soit leur nature. Pour les ions Fe2+, la détectivité est typiquement de 0,25 ppm à l'ambiante, ce qui est bien meilleur que la spectroscopie d'absorption. La PL résolue spatialement permet en outre, contrairement aux autres techniques, de cartographier la concentration de donneurs profonds à l'échelle micrométrique, d'où son potentiel pour la caractérisation de guides d'onde, de composants optiques intégrés ou autres microstructures.

RESUME Parmi les divers processus permettant l'amplification optique indispensable aux systèmes de télécommunications par fibre, l'effet Raman, basé sur l'échange de puissance entre un signal et un laser de pompe de fréquence supérieure à travers un couplage avec les vibrations moléculaires de la silice, permet d'amplifier à n'importe quelle longueur d'onde avec une grande bande passante. Un des inconvénients majeurs de cette technique est la forte puissance optique nécessaire à sa réalisation qui génère l'apparition de nombreux effets non linéaires potentiellement dommageables pour la bonne transmission du signal. L'interaction des effets Kerr ou de la diffusion Brillouin avec les autres caractéristiques de la propagation dans les fibres peut entraîner une diminution des performances. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons un nouveau processus d'élargissement spectral induit par l'effet Kerr dans les amplificateurs Raman fibrés. Nous avons également mis à jour ce même processus dans les lasers Raman. L'application de ce phénomène à la suppression de la diffusion Brillouin est ensuite démontrée avec succès. La deuxième partie de ce travail démontre comment tirer avantage des effets non linéaires afin de générer des impulsions optiques de haute puissance dans un laser Raman fibré. Enfin, dans la troisième partie, nous proposons et démontrons l'application de deux nouvelles méthodes de caractérisation à la mesure de la distribution des effets Raman et Kerr le long des fibres optiques grâce à une technique de réflectométrie optique cohérente. SUMMARY Among the various processes that allow optical amplification that is required for fiber telecommunication systems, the Raman effect, based on the power exchange between a signal and a pump laser with higher frequency through a coupling with molecular vibrations of silica, enables to amplify at any wavelength with a large bandwidth. One of the major drawbacks of this technique is the high power required to realize it, generating the appearance of numerous nonlinear effects, potentially harmful for the quality transmission. The interplay between Kerr effects or Brillouin scattering and other propagation characteristics of optical fibers can lead to a decrease of the performances. In the first part of this thesis we describe a new broadening mechanism induced by the Kerr effect in Raman fiber amplifiers. This effect was also discovered in Raman fiber lasers. An application of this phenomenon as an efficient way to suppress Brillouin scattering is then successfully demonstrated. The second part of this work demonstrated how to take advantage of optical nonlinearities to generate high peak power pulses with a Raman fiber laser. Finally, in the third part, we propose and demonstrate the application of two new methods to measure the spatial distribution of Raman and Kerr effects along optical fibers thanks to a coherent optical reflectometry technique.