Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l'avancement de l'expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) dont le but est la mesure par interférométrie atomique de forces à courte distance entre un atome, piégé dans un réseau optique vertical, et une surface. Réalisée à l'aide de transitions Raman stimulées, la séparation spatiale et cohérente des paquets d'onde atomique sur des puits adjacents du réseau permet de mesurer, après recombinaison, la différence d'énergie entre ces puits, liée à l'incrément d'énergie potentielle de pesanteur : la fréquence de Bloch nB. Pour de faibles densités atomiques, il est démontré une sensibilité court terme à 1 s de dn/nB = 1,8.10-6 à l'état de l'art des capteurs de forces à atomes piégés. La mise en place d'un système de refroidissement évaporatif, afin d'augmenter le nombre d'atomes par puits, permet désormais d'explorer des régimes de fortes densités atomiques où les interactions ne peuvent être négligées. Pour des densités de 1011-1012 at/cm3, il est montré qu'un phénomène d'auto-synchronisation des spins entre en compétition avec le mécanisme d'écho de spin. L'impact de ce phénomène sur le contraste et la fréquence mesurée est étudié dans un interféromètre où les deux paquets d'onde occupent le même puits. Des premières mesures sont ensuite effectuées dans le régime où les paquets d'onde sont séparés. Elles montrent un comportement différent qui reste à modéliser. Enfin, il est montré que le protocole de mesure permet de s'affranchir des biais collisionnels : les interactions atomiques limitent la sensibilité du capteur de force sans limiter son exactitude. / This thesis presents the recent progress on the FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) experiment which aims at measuring short range forces between an atom, trapped in a vertical optical lattice, and a mirror. Stimulated Raman transitions are used to induce coherent transport between adjacent lattice sites to perform atom interferometry in order to measure with very high sensitivity, shifts in the Bloch frequency nu_B, which is the potential increment between two lattice sites. For low atomic densities, we demonstrate a local force sensor with state-of-the art relative sensitivity on the Bloch frequency of deltanu/nu_B= 1.8x10-6 at 1 s. The recent use of evaporative cooling, in order to increase the number of atoms per well, allows to work the experiment with much denser atomic clouds where atom interactions cannot be neglected. At densities of 1011-1012 at/cm3, it is shown that a spin self-rephasing mechanism competes with the spin-echo technique. The impact of the former mechanism onto the contrast and the measured frequency is studied in an interferometer where the two partial wave packets perfectly overlap. First measurements are then performed in a regime where the two partial wave packets are spatially separated. They show a different behaviour that remains to be modelled. Finally, it is shown that the measurement protocol allows to greatly reduce collisional shifts: atom interactions limit the sensitivity of the local force sensor without limiting its accuracy.

Je présente le développement d'une expérience de production de gaz quantiques d'ytterbium. L'objectif est de réaliser des champs de jauge artificiels sur des gaz piégés dans des réseaux optiques. La combinaison de ces champs et des interactions entre atomes ouvre de nouvelles perspectives pour notre domaine comme la réalisation d'états analogues à ceux de la physique de l'effet Hall quantique fractionnaire.Tout d'abord, je présente les méthodes expérimentales développées pour produire un condensat de Bose-Einstein d'atomes (CBE) d'Yb174: un piège magnéto-optique sur la raie d'intercombinaison 1S0-3P1, son transfert dans un piège dipolaire et son transport sur une distance de 22 cm. Un condensat pur d'environ 6x10^4 est ensuite obtenu après évaporation dans un piège dipolaire croisé. Les protocoles envisagés pour réaliser des champs de jauge artificiels requièrent le couplage cohérent du niveau fondamental 1S0 et du niveau métastable 3P0 sur la transition "horloge". Nous avons construit un laser à 578nm asservi en fréquence sur une cavité de référence. En optimisant le point de fonctionnement en température de la cavité nous avons obtenu des dérives résiduelles en fréquence inférieures à 100 mHz/s. Nous avons réalisé une spectroscopie sur cette transition d'un CBE piégé ou en expansion et obtenu des largeurs de raies du l'ordre du kHz limitées par les interactions entre atomes.Enfin, je présente en détail les protocoles pour réaliser des champs de jauge artificiels dans des réseaux optiques et leur éventuelle mise en pratique et notamment un schéma pour réaliser un réseau optique bichromatique dépendant de l'état interne des atomes dans une cavité doublement résonante. / In this work I present the development of a new experiment to produce quantum degenerate gases of ytterbium. This project aims at realizing artificial gauge fields with ultracold atoms in optical lattices. Combining intense gauge fields with strong on-site interactions is expected to open a new area for ultracold quantum gases, where for instance the atomic analogs of fractional quantum Hall systems could be realized.First I describe the experimental methods for the production of a Bose-Einstein condensate (BEC) of 174Yb. This implies magneto-optical trapping on the 1S0-3P1 intercombination transition and a transport of the atomic cloud in an optical dipole trap over a distance of 22 cm. Evaporative cooling in a crossed dipole trap results in the production of pure BECs of about 6x10^4 atoms.The planned implementation of artificial gauge fields requires the coherent driving of the 1S0-3P0 clock transition of ytterbium. For this purpose an ultrastable laser system at 578 nm, frequency locked to an ultralow expansion (ULE) cavity, has been realized. A precise determination of the temperature zero-crossing point of the ULE cavity allowed us to limit laser frequency drifts below 100 mHz/s. Spectroscopic measurements of the clock transition on a trapped and free falling BEC are presented, where typical linewidths in the kHz range are observed, limited by interatomic interactions. Finally I present a detailed discussion of the methods to achieve artificial gauge fields in optical lattices and their possible experimental implementation. This includes a scheme to realize a bichromatic state-dependent optical superlattice in a doubly-resonant cavity.

La fibre optique demeure le support de transmission le plus utilisé, portant le trafic à une énergie par bit relativement faible. Cependant, à cause de l’absence de mémoire toutoptique pratique, la commutation de paquets est toujours exécutée électriquement. Les conversions Optiques Électriques Optiques (O-E-O) nécessaires font de la commutation l’un des domaines les plus consommateurs d’énergie. Ce problème est de plus en plus important spécialement avec la croissance exponentielle du trafic dans les réseaux optiques. Un défi majeur à prendre en considération dans la conception de futurs réseaux optiques est la restriction de leur consommation énergétique. De ce fait, dans le cadre de cette thèse, nous étudions un commutateur hybride opto-électronique qui consiste en une matrice de commutation optique complétée par une mémoire électronique partagée. L’analyse de performance prenant en compte différentes classes de service, distributions de paquets et méthodes de connectivité du commutateur (canaux WDMet/ou SDM), montre que, grâce aux stratégies de commutation établies, le commutateur hybride répond aux besoins de toutes les classes de service en termes de taux de perte de paquets, la charge durable du système et la latence. De plus, il réduit significativement les conversions O-E-O par rapport aux commutateurs électriques commercialisés, puisqu’ils n’auront lieu que pour les paquets mis en mémoire d’attente. Nous défendons que le commutateur de paquets hybride opto-électronique satisfait les exigences en qualité de service et pourrait être une solution prometteuse pour réduire la consommation d’énergie des réseaux optiques. / Most transmission systems are based on optical fibers, carrying the traffic at a relatively low energy per bit. However, due to the lack of mature optical buffers, packet switching is still performed electrically. The required Optical-Electrical-Optical (O-E-O) conversions make the switching one of the areas with the fastest-growing energy consumption. A major challenge that must be met in designing future optical networks is curbing their energy consumption. Therefore, within this thesis, we investigate a hybrid optoelectronic switch which consists of an optical switching matrix supplemented with a shared electronic buffer. Performance analysis taking into account different classes of service, packet classifications and switch connectivity methods (WDM and/or SDM channels), shows that, thanks to the established switching strategies, the hybrid switch satisfies the requirements of all the different classes of service in terms of Packet Loss Rate, sustainable system load and latency. Moreover, it significantly reduces the O-E-O conversions compared to commercial off-the-shelf electrical switches, since they occur only for buffered packets. We defend that the hybrid opto-electronic packet switch meets the requirements on quality of service and could be a promising solution to reduce the energy consumption of optical networks.

Ce travail de thèse démontre une technique de détection capable de mesurer, avec une sensibilité à l'atome unique, l'espace des impulsions d'un gaz ultrafroid chargé dans un réseau optique 3D. Nous avons développé un détecteur basé sur des galettes de micro-canaux, capable de sonder électroniquement des nuages d'Hélium-4 métastable. Le gaz est détecté après un temps de vol de 325ms, suffisamment long pour atteindre l'expansion de champ lointain, où la distribution spatiale du gaz coïncide avec la distribution d'impulsion asymptotique. En se plac{c}ant dans un régime proche du remplissage unitaire du réseau, les effets de collisions entre atomes aux premiers instants de l'expansion deviennent négligeables, et donc la distribution d'impulsion asymptotique est égale à la distribution d'impulsion in situ. Nous démontrons expérimentalement cette égalité en comparant nos mesures en champ lointain avec la distribution d'impulsion calculée à partir de l'Hamiltonien de Bose-Hubbard, gr^ace à des simulations Monte Carlo Quantique. Nous observons un bon accord avec la théorie sur plus de 3 ordres de grandeur en densité. Ces simulations sont calculées à partir de nos paramètres expérimentaux, la température étant la seule variable ajustable. Nous utilisons ensuite cette comparaison pour réaliser une thermométrie précise du gaz sur réseau, permettant une exploration de la transition superfluide-gaz normal à travers la mesure directe de différentes quantités, comme la fraction condensée ou la fonction de corrélation à deux particules. / In this thesis, we report the demonstration of a detection technique able to probe, with a single-atom sensitivity, the momentum distribution of an ultracold gas loaded inside a 3D optical lattice. We have developed a micro-channel plate detector, able to electronically probe clouds of metastable Helium-4. The gas is detected after a time-of-flight of 325ms, long enough to reach the far-field expansion, where the spatial distribution of the cloud can be mapped to the asymptotic momentum distribution. By putting ourselves in a regime where the lattice filling is close to unity, the atomic collisions in the first instant of the expansion become negligible, so that the asymptotic momentum distribution is equal to the in situ momentum distribution. We experimentally demonstrate this equality, by comparing our far-field measurements with the momentum distribution calculated from the Bose-Hubbard Hamiltonian, thanks to ab initio quantum Monte Carlo simulations. We show a good agreement with the theory over more than 3 orders of magnitude in density. Those simulations are calculated with our experimental parameters, the temperature being the only adjustable variable. We then use this comparison to perform a precise thermometry of the lattice gas, allowing us to explore the superfluid-normal gas transition through a direct measurement of different quantities, like the condensed fraction or the two-particles correlation function.

Le projet ForCa-G, pour Force de Casimir et Gravitation à courte distance, a pour objectif la réalisation de mesures de forces à faible distance entre des atomes et un miroir en utilisant des techniques d'interférométrie atomique. Sont principalement visées la mesure de la force de Casimir-Polder ainsi que la poursuite des tests de gravitation à faible distance dans le cadre d'éventuelles déviations à la loi de Newton. Cette expérience s'appuie sur le piégeage d'atomes neutres dans un réseau optique 1D vertical, où les énergies propres de cet Hamiltonien réalisent une échelle de niveaux d'énergie discrets localisés dans chacun des puits du réseau, appelée échelle de Wannier-Stark. La thèse présentée dans ce manuscrit constitue une démonstration de principe de ce projet avec des atomes situés loin du miroir. Chaque niveau d'énergie est alors séparé de celui du puits adjacent par un incrément en énergie potentielle de pesanteur, représenté par la fréquence de Bloch $\nu_{\mathrm{B}}$. Des interféromètres atomiques sont ensuite réalisés dans le réseau à l'aide d'impulsions Raman ou micro-onde où les paquets d'onde des atomes piégés sont placés, puis recombinés, dans une superposition d'états entre différents niveaux d'énergie localisés soit dans le même puits, soit dans des puits adjacents. Ce travail présente l'étude de différents interféromètres, caractérisés en termes de sensibilité et d'effets systématiques sur la mesure de la fréquence de Bloch. Une sensibilité de $\sigma_{\mathrm{\delta \nu_B}} /\nu_{\mathrm{B}} = 9,0 \times 10^{-6}$ à $1$~s en relatif a été obtenue, qui s'intègre jusqu'à $\sigma_{\mathrm{\delta \nu_B}} /\nu_{\mathrm{B}} = 1,9 \times 10^{-7}$ en $2 \, 800$~s. Ce qui constitue une mesure de l'accélération de la pesanteur g à l'état de l'art des gravimètres atomiques piégés.

Au cours de cette thèse, la physique des systèmes en interaction à été étudié expérimentalement à partir de gaz froids d'atomes de Rydberg. Les atomes de Rydberg sont des atomes dans un état fortement excités et ils ont la propriété d'interagir fortement du fait d'interactions électrostatiques à longue portée. Le premier résultat majeur de cette thèse est l'observation expérimentale d'un processus à quatre corps. Ce processus consiste en l'échange d'énergie interne entre quatre atomes de Rydberg induit par leurs interactions mutuelles. Il a été possible, en plus de son observation expérimentale, de décrire théoriquement ce processus, au niveau quantique. L'excitation par laser des gaz d'atomes de Rydberg en forte interaction a aussi été étudiée durant cette thèse. Cette situation donne lieu à de très intéressants comportements à N-corps. Ce sujet d'intérêt fondamental pourrait aussi amener à d'éventuelles applications pour la réalisation de simulateurs quantiques ou de sources de lumière non classiques. Un second résultat majeur de cette thèse est l'observation expérimentale d'une statistique fortement sub-poissonienne, i.e corrélée de l'excitation Rydberg. Ce résultat confirme le caractère à N-corps de tels systèmes. Le troisième résultat majeur de cette thèse est le développement d'un modèle théorique pour l'excitation par laser des gaz d'atomes de Rydberg en forte interaction. En utilisant les états quantiques dit états collectifs de Dicke, il a été possible de mettre au jour de nouveaux mécanismes liés au comportement à N-corps de ces sytèmes atomiques en forte interaction. / Uring this thesis, the Physics of interacting systems has been investigated experimentally using Cold Rydberg gases. Rydberg atoms are highly excited atoms and have the property to interact together through long-range electrostatic interactions.The first highlight of this thesis is the direct experimental observation of a 4-body process. This process consists in the exchange of internal energy between 4 Rydbergs atoms due to their mutual interactions. In addition to its observation, it has been possible to describ this process theoretically at a quantum level.The laser excitation of strongly interacting Rydberg gases has been also investigated during this thesis. In this regime, the interactions between Rydberg atoms give rise to very interesting many-body behaviors. In addition to fundamental interest, such systems could be used to realyze quantum simulators or non-classical light sources.A second highlight of this thesis is the experimental observation of a highly sub-poissonian, i.e correlated, excitation statistics. This result confirms the many-body character of the investigated system.The third highlight of this thesis is the development of a theoretical model to describ the laser excitation of strongly interacting Rydberg gases. Using the so-called Dicke collective states it has been possible to point out new mechanismes related to the many-body character of strongly atomic interacting systems.

Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes. / In this thesis, an experiment of correlated atom pairs production through four-wave mixing in an optical lattice is described. The twin atoms are analogous to the twin photons produced by parametric down conversion, used in many fondamental quantum optics experiments, and applied in interferometry and quantum information. Because of the dispersion relation, phase matching can be obtained when atoms move in a periodic potential. Four-wave mixing then spontaneously occurs and is a special case of dynamical instability. We performed the experiment with a degenerate metastable helium gas, obtained in a very elongated optical trap. A moving optical lattice, whose characterisation can also be found in the manuscript, was applied on the atoms. The resulting four-wave mixing was studied using a 3D-resolved single atom detector. The phase-matching conditions of this process and the populated modes were investigated. We showed that with our method atoms are preferentially scattered into two narrow classes with tunable velocities and populations. This versatility should be an advantage when using the pairs in future experiments. For each of these velocity classes, we mesured a Hanbury Brown and Twiss local correlation. Furthermore, we demonstrated relative number squeezing between both classes. These two simultaneous effects indicate the non-classicality of the generated pairs, which can be used in quantum atom optics experiments, for example to observe the Hong-Ou-Mandel effect with atoms.

Cette thèse décrit l'observation expérimentale de l'effet Hong-Ou-Mandel avec une sourceatomique ultra-froide. L’expérience originale réalisée en 1987 par C. K. Hong, Z. Y. Ou et L. Mandel illustre de façon simple une interférence à deux particules explicable uniquement par la mécanique quantique : deux particules bosoniques et indiscernables, arrivant chacune sur une face d'entrée différente d'une lame semi-réfléchissante ressortent ensemble. Cet effet se traduit par une réduction du taux de détection en coïncidence entre les deux voies de sortie quand les particules arrivent simultanément sur la lame. Cette expérience fut originalement réalisée avec des photons et nous rapportons ici la première mise en oeuvre expérimentale avec des particules massives se propageant dans l’espace libre.Après présentation des différentes techniques nécessaires à sa réalisation, nous décrivons cette expérience et analysons les résultats obtenus. En particulier, la réduction du taux de coïncidence est suffisamment forte pour exclure toute interprétation classique ; l'observation de cet effet constitue une brique fondamentale dans le domaine de l’information quantique atomique. / In this thesis, we report the first realisation of the Hong–Ou–Mandel experiment with massive particles in momentum space. This milestone experiment was originally performed in quantum optics: two photons arriving simultaneously at the input ports of a 50:50 beam-splitter always emerge together in one of the output ports. The effect leads to a reduction of coincidence counts which translates into a dip when particles are indistinguishable. We performed the experiment with metastable helium atoms where the specificities of the Micro-Channel-Plate detector allows one to recover the momentum vector of each individual atom.After listing the necessary tools to perform this experiment with atoms, the experimental sequence is discussed and the results are presented. In particular we measured a coincidence count reduction that cannot be explained through any simple classical model. This corresponds to the signature of a two-particle interference, and confirms that our atomic pair source produces beams which have highly correlated populations and are well mode matched. This opens the prospect of testing Bell’s inequalities involving mechanical observables of massive particles, such as momentum, using methods inspired by quantum optics. It also demonstrates a new way to produce and benchmark twin-atom pairs that may be of interest for quantum information processing.

Les réseaux optiques sont aujourd’hui l’élément de base des systèmes de communica- tions modernes, en particulier l’Internet. Grâce au multiplexage en longueurs d’onde et au groupage du tra?c, la bande passante disponible sur une ?bre optique est supérieure à plusieurs térabits par seconde. Cependant les équipements opto-électroniques qui permettent d’opérer ces réseaux sont très coûteux car il doivent fonctionner à un débit très important. Le problème de groupage et du routage d’un ensemble de requêtes couplé avec l’affectation des longueurs d’onde (GRWA) est donc un problème stratégique de première importance. L’objectif est de minimiser le coût du réseau, évalué comme le nombre de ports optiques installés aux nœuds. Il peut être modélisé sous la forme d’un problème d’allocation de ressources dans un réseau à capacité multi-niveaux avec multi-?ots non bifurqués. Cette catégorie de problème est connue pour être très dif?cile compte tenu de la faiblesse de la relaxation linéaire des formulations associées. Les travaux réalisés durant cette thèse ont consisté en le développement de méthodes de résolution pour ce problème à partir de multiples techniques de recherche opéra- tionnelle : méta-heuristique de type recherche avec tabous, décomposition de Dantzig- Wolfe, décomposition de Benders, reformulation en variables binaires, méthode de plans coupants, heuristique d’arrondi. Les méthodes résultantes, dont certaines sont hybrides, permettent d’avoir un aperçu des méthodes ef?caces pour ce type de problème. En partic- ulier, les méthodes basées sur la décomposition de Benders, qui donnent lieu à des procédures d’optimisation hiérarchique dans lesquelles l’affectation de longueurs d’onde est placée au dernier niveau, sont les méthodes les plus ef?caces car elles permettent de séparer le routage optique du routage physique. En?n, nous utilisons la meilleure méthode de résolution pour observer l’impact des contraintes de délais sur la qualité des solutions. / Optical networks are the core element of modern communication systems and in particu- lar Internet. With wavelength multiplexing and grooming capability, terabits per second bandwidth can be reached. However, opto-electronic equipment used to operate these networks are very expensive as their bit rate must be very large. The grooming, routing and wavelength assignment (GRWA) problem, which consists in minimizing the net- work cost, evaluated by the number of required optical ports, while guaranteeing that each request is granted, is of great interest. The GRWA problem can be modeled as a multi-layer capacitated network design problem with non-bifurcated multi-?ows. This type of problem is known to be hard to solve as their linear relaxation is weak. The objective of this work was to develop solution methods based on multiple oper- ations research techniques : Tabu search based meta-heuristic, Dantzig-Wolfe decompo- sition, Benders decomposition, 0 1 reformulation, cutting-planes, rounding heuristic. The resulting solution tools, some of them hybrid, give a perspective on the effective solution approaches for this type of problem. From the experiments, it turns out that the methods based on Benders’ decomposition, which lead to hierarchical optimization procedures, are the most ef?cient as they allow to separate the optical routing from the physical routing with the wavelength assignment decisions taken in the lower stage sub- problem. In addition to the approach comparison, we use the most effective method to evaluate the impact of the delay constraints on the solution quality.

Depuis quelques années, les réseaux optiques sur puce (ONoC) sont devenus une solution intéressante pour surpasser les limitations des interconnexions électriques, compte tenu de leurs caractéristiques attractives concernant la consommation d’énergie, le délai de transfert et la bande passante. Cependant, les éléments optiques nécessaires pour définir un tel réseau souffrent d’imperfections qui introduisent des pertes durant les communications. De plus, l'utilisation de la technique de multiplexage en longueurs d'ondes (WDM) permet d'augmenter les performances, mais introduit de nouvelles pertes et de la diaphonie entre les longueurs d'ondes, ce qui a pour effet de réduire le rapport signal sur bruit et donc la qualité de la communication. Les contributions présentées dans ce manuscrit adressent cette problématique d’amélioration de performance des liens optiques dans un ONoC. Pour cela, nous proposons tout d’abord un modèle analytique des pertes et de la diaphonie dans un réseau optique sur puce WDM. Nous proposons ensuite une méthodologie pour améliorer les performances globales du système s'appuyant sur l'utilisation de codes correcteurs d'erreurs. Nous présentons deux types de codes, le premier(Hamming) est d'une complexité d'implémentation faible alors que le second(Reed-Solomon) est plus complexe, mais offre un meilleur taux de correction. Nous avons implémenté des blocs matériels supportant ces corrections d'erreurs avec une technologie 28nm FDSOI. Finalement, nous proposons la définition d'une interface complète entre le domaine électrique et le domaine optique permettant d'allouer les longueurs d'ondes, de coder l'information, de sérialiser le flux de données et de contrôler le driver du laser pour obtenir la modulation à la puissance optique souhaitée. / Electrical Network-on-Chip (ENoC) has long been considered as the de facto technology for interconnects in multiprocessor systems-on-chip (MPSoCs). However, with the increase of the number of cores integrated on a single chip, ENoCs are less and less suitable to adapt the bandwidth and latency requirements of nowadays complex and highly-parallel applications. In recent years, due to power consumption constraint, low latency, and high data bandwidth requirements, optical interconnects became an interesting solution to overcome these limitations. Indeed, Optical Networks on Chip (ONoC) are based on waveguides which drive optical signals  from source to destination with very low latency. Unfortunately, the optical devices used to built  ONoCs suffer from some imperfections which introduce losses during communications. These losses (crosstalk noises and optical losses)  are very important factors which impact the energy efficiency and the performance of the system. Furthermore, Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology can help the designer to improve ONoC performance, especially the bandwidth and the latency. However, using the WDM technology leads to introduce new losses and crosstalk noises which negatively impact the Signal to Noise Ratio (SNR) and Bit Error Rate (BER). In detail, this results in higher BER and increases power consumption, which therefore reduces the energy efficiency of the optical interconnects. The contributions presented in this manuscript address these issues. For that, we first model and analyze the optical losses and crosstalk in WDM based ONoC. The model can provide an analytical evaluation of the worst case of loss and crosstalk with different parameters for optical ring network-on-chip. Based on this model, we propose a methodology to improve the performance and then to reduce the power consumption of optical interconnects relying on the use of forward error correction (FEC). We present two case studies of lightweight FEC with low implementation complexity and high error-correction performance under 28nm Fully-Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) technology. The results demonstrate the advantages of using FEC on the optical interconnect in the context of the CHAMELEON ONoC. Secondly, we propose a complete design of Optical Network Interface (ONI) which is composed of data flow allocation, integrated FECs, data serialization/deserialization, and control of the laser driver. The details of these different elements are presented in this manuscript.  Relying on this network interface, an allocation management to improve energy efficiency can be supported at runtime depending on the application demands. This runtime management of energy vs. performance can be integrated into the ONI manager through configuration manager located in each ONI. Finally, the design of an ONoC configuration sequencer (OCS), located at the center of the optical layer, is presented. By using the ONI manager, the OCS can configure ONoC at runtime according to the application performance and energy requirements.