Les interconnections optiques dans les fermes de données (data centers) nécessitent la mise au point de nouvelles approches technologiques pour répondre aux besoins grandissants en composants d’interface respectant des cahiers de charge drastiques en termes de débit, coût, encombrement et dissipation d’énergie. Les peignes de fréquences optiques sont particulièrement adaptés comme nouvelles sources optiques, à mêmes de générer un grand nombre de porteuses optiques cohérentes. Leur utilisation dans des systèmes de transmission en multiplexage de longueurs d’onde (WDM) et exploitant de nouveaux formats de modulation, peut aboutir à des capacités jamais atteintes auparavant. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen BIG PIPES (Broadband Integrated and Green Photonic Interconnects for High-Performance Computing and Enterprise Systems) et a pour but l’étude de peignes de fréquences générés à l’aide de lasers à verrouillage de modes, à section unique, à base de bâtonnets quantiques InAs/InP et puits quantiques InGaAsP/InP. Nous avons entrepris l’étude de nouvelles couches actives et conceptions de cavités lasers en vue de répondre au cahier des charges du projet européen. Une étude systématique du bruit d’amplitude et de phase de ces sources a en particulier été menée à l’aide de nouvelles techniques de mesure afin d’évaluer leur compatibilité dans des systèmes de transmission à très haut débit. Ces peignes de fréquences optiques ont été utilisées avec succès dans des expériences de transmission sur fibre optique avec des débits records dépassant le Tbit/s par puce et une dissipation raisonnable d’énergie par bit, montrant leur fort potentiel pour les applications d’interconnections optiques dans les fermes de données / The increasing demand for high capacity, low cost, high compact and energy efficient optical transceivers for data center interconnects requires new technological solutions. In terms of transmitters, optical frequency combs generating a large number of phase coherent optical carriers are attractive solutions for next generation datacenter interconnects, and along with wavelength division multiplexing and advanced modulation formats can demonstrate unprecedented transmission capacities. In the framework of European project BIG PIPES (Broadband Integrated and Green Photonic Interconnects for High-Performance Computing and Enterprise Systems), this thesis investigates the generation of optical frequency combs using single-section mode-locked lasers based on InAs/InP Quantum-Dash and InGaAsP/InP Quantum-Well semiconductor nanostructures. These novel light sources, based on new active layer structures and cavity designs are extensively analyzed to meet the requirements of the project. Comprehensive investigation of amplitude and phase noise of these optical frequency comb sources is performed with advanced measurement techniques, to evaluate the feasibility of their use in high data rate transmission systems. Record Multi-Terabit per second per chip capacities and reasonably low energy per bit consumption are readily demonstrated, making them well suited for next generation datacenter interconnects

De nouveaux glycopolymères amphiphiles en peigne de type dextrane-g-poly(méthacrylate de méthyle) ont été obtenus via une polymérisation radicalaire contrôlée par transfert d’atome (ATRP). Pour contrôler les paramètres macromoléculaires de ces glycopolymères potentiellement biocompatibles et en partie biodégradables, la stratégie de synthèse « grafting from » a été sélectionnée et appliquée selon deux voies de synthèse. La première voie comporte quatre étapes : acétylation partielle des fonctions hydroxyle du dextrane ; introduction des groupements amorceurs d’ATRP ; ATRP contrôlée du méthacrylate de méthyle dans le diméthylsulfoxyde ; hydrolyse des groupements acétate dans des conditions douces. La seconde voie de synthèse permet d’obtenir ces glycopolymères en seulement deux étapes : introduction directe des groupements amorceurs d’ATRP sur le dextrane ; ATRP contrôlée du méthacrylate de méthyle dans le diméthylsulfoxyde. Des études détaillées de chaque étape ont permis à la fois d’estimer la longueur de la chaîne de dextrane et d’assurer le contrôle de l’architecture des glycopolymères (nombre et longueur des greffons). Des études préliminaires par tensiométrie interfaciale ont permit d’évaluer le caractère tensioactif de ces glycopolymères / Synthesis of the new comb-like amphiphilic glycopolymer dextran-g-poly(methyl methacrylate) was obtained thanks to an Atom Transfert Radical Polymerization (ATRP). In order to control the macromolecular parameters of these biocompatible and partly biodegradable glycopolymers, the “grafting from” strategy was applied using two different multi-step pathways. The first one is composed of four steps: partial acetylation of dextran hydroxyl groups; introduction of initiator groups convenient for ATRP; ATRP of methyl methacrylate in dimethylsulfoxide; acetyl group deprotection under mild conditions. The second pathway allows us to obtain such glycopolymers in only two steps: direct introduction of the same initiator groups onto the dextran chain and subsequent ATRP of methyl methacrylate in dimethylsulfoxide. Throughout the synthesis, detailed studies of each step enabled us to estimate the length of the dextran backbone and to assure the control of copolymer architecture in terms of graft number and graft length. Preliminary interfacial tension measurements highlighted the surfactant properties of such glycopolymers

Ce manuscrit présente le transfert d'une référence de fréquence optique ultra-stable grâce à un lien optique et son application à la stabilisation en fréquence d'un laser moyen-infrarouge. Un lien optique permet de transférer un signal ultrastable de fréquence par fibre optique sans dégrader sa stabilité grâce à une compensation du bruit apportée lors de la propagation. Nous avons étendu cette technique à des liens de grande longueur en transférant la référence de fréquence simultanément avec les données du réseau internet. Ainsi des liens de 300 km puis 540 km ont été démontrés avec une stabilité de l'ordre de 10-19 à 104 s. Ce dispositif a été utilisé au LPL pour asservir un laser CO2 émettant à 10 µm sur une référence de fréquence développée au LNE-SYRTE, à l'Observatoire de Paris. Celle-ci est constituée d'un laser ultra-stable émettant à 1,54 µm, dont la fréquence est mesurée par rapport aux étalons primaires du LNE-SYRTE grâce à un laser femtoseconde. Cette référence est transférée par lien optique jusqu'au LPL où elle permet de stabiliser la fréquence de répétition d'un second laser femtoseconde et de mesurer ou contrôler la fréquence d'un laser CO2. Lorsque celui-ci est asservi sur une référence moléculaire (OsO4), la stabilité est de 4.10-14 à 1 s. Les performances sont encore meilleures lorsque le laser CO2 est asservi directement sur la référence optique. Le laser stabilisé pourra ensuite être utilisé pour l'expérience d'observation de la violation de parité dans les molécules chirales développée au LPL. Ceci démontre la faisabilité d'expériences de spectroscopie moléculaire à ultra haute résolution dans les laboratoires ne disposant pas d'étalons de fréquences.

La communauté de la chimie atmosphérique souffre d'un manque de mesures rapides, fiables résolues spatialement et temporellement pour un large éventail de molécules réactives (radicaux tels que NO2, OH, BrO, IO, etc). En raison de leur forte réactivité, ces molécules contrôlent largement la durée de vie et la concentration de nombreuses espèces clés dans l'atmosphère, et peuvent avoir un impact important sur le climat. Les concentrations de ces radicaux sont extrêmement faibles (ppbv ou moins) et très variable dans le temps et dans l'espace, ce qui impose un véritable défi lors de la détection. Dans la première partie de cette thèse, un spectromètre UV robuste, compacte et transportable est développé, exploitant la technique ML-CEAS pour mesurer à des niveaux très faibles (pptv et même en dessous) des molécules réactives d'importance atmosphérique, en particulier, les radicaux d'oxyde d'halogènes, afin de répondre aux besoins émergents. La technique ML-CEAS est basée sur le couplage d'un laser femtoseconde à blocage de modes à une cavité optique de haute finesse, qui agit comme un piège à photons pour augmenter l'interaction entre la lumière et l'échantillon de gaz intracavité. Cela permet d'améliorer fortement la sensibilité d'absorption. La limite de détection obtenue pour le radical IO est de 20 ppqv pour un temps d'acquisition de 5 minutes, ce qui est un résultat impressionnant. Dans la deuxième partie de cette thèse, une nouvelle technique spectroscopique est développée appelée effet Vernier, qui est également basé sur l'interaction entre un laser femtoseconde à blocage de mode et une cavité optique de haute finesse. Cette technique fournit une sensibilité de détection similaire à la technique ML-CEAS, mais l'avantage est que le nombre des éléments spectraux est donné par la finesse de la cavité optique et donc peut atteindre plusieurs dizaines de milliers. De plus, cette configuration simplifie le montage expérimental par la suppression du spectrographe qui est remplacé par une simple photodiode. Le temps d'acquisition d'un spectre peut être aussi réduit à moins d' 1 ms. / The atmospheric chemistry community suffers a lack of fast, reliable and space resolved measurements for a wide set of reactive molecules (e.g. radicals such as OH, NO3, BrO, IO, etc). Due to their high reactivity, these molecules largely control the lifetime and concentration of numerous key atmospheric species, and may have an important impact on the climate. The concentrations of such radicals are extremely low (ppbv or less) and highly variable in time and space, which imposes a real challenge during the detection. In the first part of this thesis, a compact, robust and transportable UV spectrometer is developed, exploiting the Mode-Locked Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy (ML-CEAS) technique to measure pptv and sub-pptv levels of atmospherically important reactive molecules, in particular, halogen oxide radicals, to respond to the emerging needs. The ML-CEAS technique is based on coupling a Mode-Locked femtosecond laser to a high finesse optical cavity, which acts as a photon trap to increase the interaction between the light and the intracavity gas sample, which highly enhances the absorption sensitivity. The detection limit obtained for the IO radical is 20 ppqv (part per quadrillion), which is an impressive result. In the second part of this thesis, a new spectroscopic technique is developed, called Vernier effect, which is also based on the interaction between a mode-locked femtosecond laser with a high finesse optical cavity. This technique provides detection sensitivity similar to that of ML-CEAS technique, but the advantage is that the number of the spectral elements is given by the cavity finesse, so it can reach ten thousands, as well as this technique has a simple setup, where the spectrograph is replaced by a photodiode. Additionally, the time required to measure one output absorption spectrum can be less than 1 ms.

Les lasers à fibre de haute puissance constituent depuis une dizaine d’année un outil pertinent pour un nombre croissant d’applications. Dans le cadre d’un contrat CIFRE entre la société Eolite Systems et le laboratoire Xlim (UMR 7252 du CNRS et de l’Université de Limoges), mon projet de thèse a consisté à développer les briques technologiques de futures sources lasers / High-power fiber lasers adress an increasing number of applications since ten years. In the frame of a CIFRE contract between the company Eolite Systems and Xlim (joint laboratory between CNRS and the University of Limoges), the goal of this PhD project was to develop the technological blocs to achieve all-fibre high-power lasers emiting out of the conventional spectral band covered by existing lasers.Modal instabilities in large mode area (LMA) fibers are currently the main limitation of the fiber lasers power scaling. We have experimentally demonstrated the relevance of inner cladding aperiodic structures to efficiently delocalize higher order modes outside the gain region. A systematic study of passive fibers based on such structures has shown the single propagation of the fundamental mode over a wide wavelength range from 1 to 2 µm for dimension of core up to 85 µm. This effective mode delocalization even extends up to a core dimension of 140 µm at a 2 µm wavelength.The combination of high power picosecond fiber laser with an average power of 22.7 W and a hydrogen-filled inhibited coupling Kagome fiber allowed us to generate two Raman combs over five frequency octaves from 321 nm to 12.5 µm. These two combs are controlled by the laser pump polarization and generated an average power of 10.1 W displayed over 70 laser lines for circular pump polarization and 8.6 W over 30 lines for linear polarization. Some laser lines within these combs have been generated for the first time from high-power fiber source in the mid-infrared range. We have also demonstrated the generation of high-power line by optimizing the first vibrational Stokes at 1.8 µm with an average power of 9.3 W and a quantum efficiency of the frequency conversion stage close to 80%.

La mousse est un matériau fascinant nous accompagnant au quotidien depuis des siècles, mais sa complexité fait qu’il est difficile de comprendre et contrôler ses propriétés. L’objet de cette thèse expérimentale est de montrer par deux exemples que si l’on contrôle les écoulements ayant lieu lors de la génération de la mousse et pendant sa vie on peut alors avoir un très bon contrôle de ses propriétés structurelles et sa stabilité. Dans la première partie j’étudie la génération de mousse constituée de bulles micrométriques par un écoulement diphasique cyclique dans un tuyau connectant deux seringues. Cette technique permet de varier la fraction liquide sans affecter les distributions de tailles de bulle. Je montre que ces distributions sont essentiellement contrôlées par la présence de constrictions dans le tuyau connectant les seringues et par les propriétés physico-chimiques de la solution moussante. Mes résultats montrent que ce n’est pas le vieillissement de la mousse mais bien les instabilités hydrodynamiques qui contrôlent la taille caractéristique des bulles. Avec diverses expériences modèles de millifluidique en régime inertiel je mets en évidence ce qui semble être un nouveau processus de fragmentation de bulles. L’accélération et la décélération des bulles lors de leur passage dans une constriction seraient le moteur de cette fragmentation. Le lien précis reste à quantifier dans de futurs travaux. Dans un second temps je montre qu’il est possible de faire des films minces, libres et d’une grande stabilité avec un fondu de copolymère en peigne de PDMS-g-PEG-PPG à température ambiante, sans ajout d’agents stabilisants. Les expériences de caractérisation indiquent que c’est un liquide newtonien ayant une faible tension de surface ne présentant pas de transition de phase à température ambiante. J’ai étudié de manière approfondie le drainage de films verticaux et horizontaux, qui se fait par un écoulement laminaire du liquide confiné entre les deux interfaces liquide/air. A l’aide d’une balance à film mince microfluidique développée pour l’étude des liquides visqueux je rapporte l’apparition de stratifications dans les films très minces. Celles-ci ont la même taille que la longueur caractéristique du fondu, lié soit à la taille du polymère, soit à une micro-séparation de phase. Le drainage et la stabilité sont donc potentiellement contrôlés par cet écoulement stratifié, mais il reste à comprendre si la stratification est la conséquence d’un simple effet de confinement ou d’une micro-séparation de phase près de l’interface. / Foam is a fascinating matter which has been broadly used for centuries, but its complexity makes it difficult to understand and control its properties. The subject of this experimental thesis is to show through two examples that by controlling the flows during the generation and lifetime of the foam its stability and structural properties may be better controlled. In the first part I study the generation of foams made of microscopic bubbles by a cyclic diphasic flow in a tube connecting two syringes. With this technique one can vary the liquid fractions without changing the bubble size distributions. I show that these distributions are mainly controlled by the presence of constrictions in the tubing connecting the syringes and by the physico-chemical properties of the foaming solution. My results show that the characteristic bubble size is not fixed by foam ageing effects but by hydrodynamic instabilities. With various millifluidic model experiments in the inertial regime I highlight what seems to be a new mechanism of bubble fragmentation. The acceleration and deceleration of the bubbles when going through a constriction would be the driving effect of this process. The precise link still has to be established. In the second part I show that it is possible to make highly stable free-standing films made of a comb-copolymer melt of PDMS-g-PEG-PPG, at room temperature, and without stabilising agents. The characterisation of this melt reveals that it is a newtonian liquid with a low surface tension and not subject to phase transitions at room temperature. I studied intensively the drainage of vertical and horizontal films, which is a laminar flow of the liquid confined between its two liquid/air interfaces. Using a millifluidic thin film pressure balance, developed for the study of viscous liquids, I report the formation of stratifications in very thin films. Theses stratifications have the same step hight than the characteristic length of the melt which we measured for the bulk, linked either to the size of the macromolecules or to micro-phase separation. The drainage and stability might be controlled by this stratified flow, but we still have to understand if it results from a simple confinement effect or from an interfacially driven micro-phase separation.

Le mélange à quatre ondes est un effet non linéaire sensible à la phase qui suscite de nombreux intérêts dans le domaine de la génération de peignes de fréquences et du traitement tout optique du signal par exemple. Un peigne de fréquences peut en effet s'obtenir par effet de mélange à quatre ondes 1en cascade. Dans ce cas, un nombre N d'ondes interagissent entre elles via l'effet Kerr et la modélisation d'un tel processus doit tenir compte de tous les couplages possibles entre les ondes. Au cours de mes travaux de thèse, je me suis intéressé, dans un premier temps, à la modélisation du mélange à quatre ondes dit multiple pour lequel un nombre quelconque N d'ondes interagissent entre elles. J'ai proposé une formulation générale permettant d'identifier simplement tous les termes de mélange à quatre ondes issus de toutes les combinaisons possibles de couplage entre les ondes et leur désaccord de phase associé. J'ai validé cette approche en proposant une étude théorique et expérimentale d'un processus de mélange à quatre ondes multiple dans une fibre optique non linéaire. Dans une deuxième partie, j'ai proposé, grâce au modèle élaboré précédemment, une étude théorique du phénomène de conversion de fréquence sensible à la phase, permettant la décomposition des composantes en quadrature d'un signal optique. Dans la littérature, cette expérience fut démontrée initialement avec quatre ondes pompes et dans plusieurs types de composants non linéaires. J'ai pu démontrer, au cours de mes travaux, que trois pompes étaient suffisantes pour réaliser l'expérience et j'ai déterminé des relations analytiques simples permettant de choisir les paramètres expérimentaux (notamment l'amplitude et la phase des pompes) rendant possible la décomposition des composantes en quadrature d'un signal. J'ai validé cette étude par la démonstration expérimentale d'un convertisseur de fréquence sensible à la phase avec uniquement trois pompes et j'ai étudié théoriquement les effets de la dispersion chromatique sur les performances du convertisseur de fréquence. Enfin, dans une dernière partie, j'ai caractérisé des fibres optiques microstructurées en verre de chalcogénure fabriquées dans le cadre d'une collaboration avec Perfos, l'Institut des Sciences Chimiques de Rennes et SelenOptics. Dans ce cadre, j'ai mis en place un banc de mesure de la dispersion chromatique et du coefficient non linéaire des fibres optiques basé sur le mélange à quatre ondes. / Four-wave mixing is a phase-sensitive nonlinear effect that arouses interest, particularly in the fields of frequency comb generation and all-optical signal processing. As an example, frequency combs can be produced thanks to a cascaded four-wave mixing process. In this case, N waves can interact with each other through the optical Kerr effect, and one has to take into account all the possible interactions to be able to adequately model the process. During my PhD thesis, I was interested in modeling the so-called multiple four-wave mixing process, in which any number N of waves can interact with each other. I proposed a general formulation that allows to easily identify all the four-wave mixing terms originating from all the possible combinations of wave coupling and their associated phase-mismatch terms. I validated this approach through the theoretical and experimental study of a multiple four-wave mixing process in a nonlinear optical fiber. Thanks to the developed model, I then proposed a theoretical study of the phase-sensitive frequency conversion process, which permits to demultiplex the quadrature components of an optical signal. In the literature, this process was first experimentally demonstrated in several nonlinear devices using four pump waves. I demonstrated that only three pump waves were required to successfully perform the experiment, and I determined the simple analytical relations from which the adequate experimental parameters (namely, the amplitudes and phases of the pump waves) could be deduced. I finally validated this study by experimentally demonstrating a phase-sensitive frequency conversion process with only three pump waves, and I theoretically studied the influence of chromatic dispersion on the performance of this frequency converter. Finally, I characterized some chalcogenide microstructured optical fibers that were fabricated in the framework of a collaboration with Perfos, the Institut des Sciences Chimiques de Rennes, and SelenOptics. I set up a test bench based on the four-wave mixing process in order to measure the chromatic dispersion and nonlinear coefficient of some optical fibers.

La présente thèse est consacrée à l’étude des peignes optiques de Kerr dans les résonateurs àmodes de galerie, au sein desquels la lumière peut être excitée par pompage externe. L’effet Kerrexistant dans ces résonateurs engendre des modes latéraux équidistants (dans le domaine spectral)de part et d’autre du mode excité, c’est à dire un peigne de fréquence. Cette thèse est diviséeen trois chapitres. Le premier est dédié à l’introduction de la génération de ces peignes et leurapplications. Le deuxième chapitre présente l’analyse de l’équation de Lugiato-Lefever, décrivantde manière analytique le système, et conduit à la construction de deux diagrammes de bifurcationpour les dispersions normale et anomale. Ils sont tracés en fonction des deux seuls paramètresexpérimentalement contrôlables une fois le résonateur fabriqué : la puissance du laser et sondécalage de fréquence. Ces diagrammes indiquent les plages de paramètres pour lesquels une,deux, ou trois solutions existent ainsi que leur stabilité. Les simulations numériques renseignentle type exact de solution associée à chaque aire (notamment les solitons brillants et sombres, lesbreathers, les peignes optiques de Kerr de premier et deuxième ordre, et un régime chaotique) ; cesdiagrammes indiquent donc les paramètres du laser à choisir afin de générer la solution souhaitée.Le troisième chapitre est dédié aux peignes de Kerr optique secondaires, lignes additionnelles dansle domaine spectral générées entre les lignes du peigne principal. Ils apparaissent en dispersionanormale, lorsque la quantité de photon pompe excède un seuil dit de second ordre, qui a étédéterminé numériquement. / This thesis is dedicated to the study of the Kerr optical frequency combs in whispering gallery moderesonators, where the light can be excited by the extern pump. Due to the Kerr effect existing in theseresonators, the quasi-equidistant lines in the spectral domain are generated around the excited mode,that is the frequency comb. This thesis is devided in three chapters. The first one is dedicated to theintroduction of the Kerr comb generation and their applications.The second one presents the analysisof the Lugiato-Lefever equation used for the analytical study of the system, leading to the constructionof two bifurcation diagrams for the normal and anomalous dispersions. They are plotted for twoparameters, which can be controlled during experiments once the resonator has been fabricated,which are the pump power of the laser and its frequency detuning. These diagrams show the areas ofthe parameters for which one, two, or three solutions exist and their stability. The additional numericalsimulations show the exact type of the solution in each area (such as the bright and dark solitons,the breathers, the primary and secondary Kerr combs and chaotical regimes), finally these diagramsshow the parameters of the laser needed to be choosen for the generation of the desired solution.The third chapter is dedicated to the secondary Kerr combs, which are the additional lines generatedbetween the lines of the primary comb. They appear in the anomalous dispersion regime, when thequantity of the pump photons crosses the second-order threshold, which has been found numerically.