After introducing the nonlinear evolution equations of interest: the finite depth fluid (FDF), the Kadomtsev-Petviashvili (KP), the Classical and the ordinary Boussinesq equations, formal asymptotic derivations of the KP and the FDF equations are given for the description of surface and interfacial waves. The N-soliton solution of the FDF equation is reconstructed as a finite sum of Wronskian type determinants. This solution is then shown to reduce to the solutions of the KdV and the Benjamin - Ono equations under specific limiting conditions. Interactions between two solitons of the FDF equation are studied and their interaction properties are shown to reduce to those of the KdV and the Benjamin - Ono equations. Computer plots of the interactions of two-soliton solutions of the FDF and the Benjamin - Ono equations are given. Resonance phenomena in solitons are studied with reference to the KP equation. After discussion of the basic concepts of these phenomena, the N-soliton solution is shown to reduce to the Wronskian of N/2 functions (N-even), each of which represents a triad of solitons when the solitons resonate in pairs. Asymptotic behaviour of the interactions between a triad and a soliton and between two triads are examined and the phase shifts of the triads are obtained directly from the Wronskian representation. The interactions are analysed in detail with reference to numerical computations of the full solutions. After showing that the Classical Boussinesq equations are obtained from Whitham's shallow water wave equations, the basic concept of Hirota's pq=c reduction of the first modified KP hierarchy is outlined. The Classical Boussinesq equations are shown as the pq=O reduction of the same hierarchy. The solution of the hierarchy is manipulated to incorporate the pq=O reduction. As a result of these limiting procedures applied to the problem, Wronskian solutions of the Classical Boussinesq equations in terms of rational functions are produced. Finally the pq=c reduction of the KP hierarchy is applied to the ordinary Boussinesq equation. Using this, the N-soliton solution is expressed as a finite sum of Wronskian type determinants. Analytic verification made for the two-soliton solution shows that a number of Wronskian identities are needed for this purpose. The reason for this behaviour is examined.

This dissertation contains analytical and numerical studies of nonlinear surface-plasmon polaritons (SPPs). In our studies, we consider SPP propagation at the interface between a noble metal with a cubic optical nonlinearity and an optically linear dielectric. We first consider a sum-frequency generation process during the nonlinear interaction, where a nonlinear polarization with tripled frequency is generated from the incident fundamental SPP. Using the non-depletion approximation, the solution of the nonlinear wave equation shows a third harmonic generation process from the incident SPP wave. The solution is bound in the dielectric while freely propagating in the metal. For realistic noble metals with absorption, we use silver for its transparency window around the plasma frequency. In this window, absorption losses are reduced and the resultant signal has a good transmittance within the metal. The energy conversion efficiency from the incident SPP wave to the THG signal is about 0.1% for excitation using a standard continuous wave laser with visible light intensity I = 103W/cm2. Once generated, the propagation angle of the signal is fully determined by the optical properties of the dielectric and the metal layers. We next consider a nonlinear polarization with the same frequency as the incident light. In this process the third order nonlinearity of the metal is described by a nonlinear optical refractive-index. With the slowly varying amplitude approximation, the nonlinear wave equation takes the form of a nonlinear temporal Schr¨odinger (NLS) equation. The solution to the NLS equation for the nonlinear SPP is a temporal dark soliton (TDS). In addition to analytical studies, computational methods are also used. With no metal loss, the numerical solution shows stable propagation of a TDS, when the initial pulse has a tanh envelope satisfying the threshold peak amplitude. For an arbitrary input pulse, instabilities such as background-oscillations and multi-peak breakups occur. With metal loss, the input optical pulse decays while maintaining a single pulse shape when the initial amplitude satisfies the same tanh envelope condition as in the lossless case. For an arbitrary pulse, background-oscillations or pulse-breakups occur after a short time of propagation.

Cette thèse est consacrée à l’étude du comportement global des solutions de l’équation des ondes énergie-critique. On s’intéresse tout spécialement à la description de la dynamique du système dans l’espace de l’énergie. Nous développons une variante de la méthode d’énergie qui permet de construire des solutions explosives de type II, instables. Ensuite, par une démarche similaire, nous donnons le premier exemple d’une solution radiale de l’équation des ondes énergie-critique qui converge dans l’espace de l’énergie vers une superposition de deux états stationnaires (bulles). En appliquant notre méthode au cas de l’équation des ondes des applications harmoniques (wave map), nous obtenons des solutions de type bulle-antibulle, en toute classe d’équivariance k > 2. Pour l’équation des ondes énergie-critique radiale, nous étudions également le lien entre la vitesse de l’explosion de type II et la limite faible de la solution au moment de l’explosion. Finalement, nous montrons qu’il est impossible qu’une solution radiale converge vers une superposition de deux bulles ayant les signes opposés. / In this thesis we study the global behavior of solutions of the energy-criticalfocusing nonlinear wave equation, with a special emphasis on the description of the dynamics in the energy space. We develop a new approach, based on the energy method, to constructing unstable type II blow-up solutions. Next, we give the first example of a radial two-bubble solution of the energy-critical wave equation. By implementing this construction in the case of the equivariant wave map equation, we obtain bubble-antibubble solutions in equivariance classes k > 2. We also study the relationship between the speed of a type II blow-up and the weak limit of the solution at the blow-up time. Finally, we prove that there are no pure radial two-bubbles with opposite signs for the energy-critical wave equation.

Das Thema dieser Arbeit ist eine mögliche Steuerung eines optischen Solitons in nichtlinearen optischen Fasern. Es gelang, die interessierenden Solitonparameter wie Intensität, Dauer und Zeitverschiebung durch die Wechselwirkung mit einer dispersiven Welle geringer Intensität kontrollierbar zu modifizieren. Es wird eine neue analytische Theorie vorgestellt für die Wechselwirkung zwischen Solitonen und dispersiven Wellen, die auf der Kreuzphasenmodulation in nichtlinearen Fasern beruht. Das vorgestellte Modell kombiniert quantenmechnische Streutheorie und eine Erweiterung der Störungstheorie für Solitonen aus der nichtlinearen Optik. Damit wurden folgende neue Ergebnisse erzielt: (1) Die Entwicklung aller Solitonparameter wird korrekt vorhergesagt. Insbesondere wird die mögliche Verstärkung der Solitonamplitude erfolgreich bestimmt. (2) Passende Intervalle der Kontrollparameter, die eine effektive Solitonmanipulation garantieren, können quantitativ bestimmt werden. (3) Der Raman-Effekt wurde in die Modellbeschreibung eingebunden. Die klassische Abschätzung der Eigenfrequenzverschiebung des Solitons durch den Raman-Effekt wurde verbessert und erweitert durch eine neue Relation für den einhergehenden Amplitudenverlust. Weiterhin wurden solche Kontrollpulse bestimmt, die dieser Schwächung des Solitons entgegenwirken. Im Unterschied zu früheren Versuchen liefert die hier entwickelte Modellbeschreibung die passenden Parameterbereiche für eine stabile Auslöschung des Raman-Effektes. (4) Obwohl die Wechselwirkung selbst auf der Kreuzphasenmodulation basiert, spielt der ”self-steepening“- Effekt, der die Bildung von optischen Schocks beschreibt, eine entscheidende Rolle für eine effiziente Veränderung der Solitonparameter. / This work discusses the problem how to control an optical soliton propagating along a non- linear fiber. The approach chosen here is to change soliton delay, duration and intensity in a simple, predictable manner by applying low-intensity velocity-matched dispersive light waves. A new analytic theory of cross-phase modulation interactions of solitons with dispersive control waves is presented which combines quantum mechanical scattering theory, a modified soliton perturbation theory and a multi-scale approach. This led to the following new results: (1) The evolution of all soliton parameters is correctly predicted. In particular the possible amplitude enhancement of solitons is successfully quantified, which could not be obtained by the standard formulation of the soliton perturbation theory. (2) General ranges for control parameters are quantitatively determined, which ensure an effective interaction. (3) The Raman effect is incorporated into the theory. The classical estimation of the Raman self-frequency shift is refined and expanded by a new relation for the amplitude loss arising with the Raman self-frequency shift. Furthermore, control pulses are identified which cancel soliton degradation due to Raman effect. In contrast to previously reported attempts with the interaction scheme under consideration, even parameter ranges are found which lead to a stable cancellation of the Raman effect. (4) New qualitative insights into the underlying process emerged. The prominent role of the self-steepening effect could be isolated. Though the pulse interaction is mediated by cross-phase modulation, the self-steepening effect causes an essential enhancement leading to much stronger changes in soliton parameters.

Notre travail s'inscrit dans le cadre des télécommunications par fibres optiques où l'information transite sous la forme d'impulsions lumineuses dans le guide d'onde que constitue la fibre. Face à la demande sans cesse croissante en matière de débit d'information transmise dans une fibre, les trains d'impulsions qui véhiculent cette information sont rendus plus denses : les impulsions sont plus brèves et la distance qui les sépare diminue. Cette évolution est freinée par deux aspects qui sont de natures très différentes. Le premier naît du besoin de diriger l'information dans un réseau, ce qui nécessite d'effectuer des opérations logiques et de passer par des dispositifs électroniques qui sont lents à l'échelle de l'optique. Le deuxième aspect consiste en la dispersion de la vitesse de groupe présente dans la fibre. Sous son infiuence, les impulsions ont tendance à s'étaler et peuvent se recouvrir au sein du train, ce qui détruit l'information.<br> La dispersion peut être contrée par la non-linéarité de la fibre optique. Celle-ci provoque l'effet inverse de la dispersion : une contraction de l'impulsion. Si l'on choisit judicieusement le profil des impulsions, elles peuvent se propager sans déformation grâce à la compensation des deux effets antagonistes que sont la dispersion et la non-linéarité. De telles impulsions sont appelées « solitons ». Ils sont stables et permettent de véhiculer l'information sans la détruire. Malheureusement, la nature non linéaire de leur régime de propagation implique qu'ils modifient le milieu supportant leur propagation au point d'interagir avec leurs voisins et de modifier leur instant d'arrivée en fin de fibre. Cet effet détériore l'information et oblige à espacer les impulsions qui transitent dans la fibre, ce qui limite le débit d'information véhiculée.<br> Jusqu'à présent, les effets non linéaires dans les fibres optiques ont principalement été étudiés dans une approximation scalaire de la réalité, ce qui ne permet pas de prédire un certain nombre de phénomènes qui font intervenir la polarisation du champ électrique associé à l'impulsion. Un modèle vectoriel permet, entre autres, de décrire les « solitons elliptiques fondamentaux », les « solitons de parois de domaines de polarisation » et les « états liés de solitons vectoriels ».<br> C'est à ces êtres optiques que nous nous sommes intéressés dans notre travail qui comprend trois grands axes.<br> Le premier consiste en une étude théorique des états liés de solitons vectoriels. Préalablement à notre étude, ceux-ci se sont révélés instables dans des simulations numériques. Nous avons abordé le problème de manière analytique et montré l'existence d'états liés de solitons vectoriels. Ensuite, nous avons étudié leur dynamique et montré qu'ils sont instables par brisure de symétrie dans les fibres optiques isotropes. Suite à cela, nous avons analysé leur propagation en fibres à biréfringence aléatoire et montré qu'ils y sont stables, ce qui a permis d'expliquer la réussite d'expériences de multiplexage en polarisation dans lesquelles deux impulsions successives du train peuvent être vues comme des états liés.<br> La formulation mathématique des états liés que nous avons étudiés dans les fibres optiques est analogue à celle des états liés spatiaux qui apparaissent dans les milieux de type Kerr. Cette analogie nous a permis de proposer un principe de commutation, basé sur l'instabilité des états liés par brisure de symétrie, qui présente les avantages de nécessiter une très faible puissance de contrôle et de travailler beaucoup plus rapidement que l'électronique.<br> Les deux autres axes de notre travail sont liés à l'observation expérimentale des solitons elliptiques parmi lesquels les « solitons de parois de domaines de polarisation » constituent de bons porteurs d'information dans les fibres optiques car, selon les simulations numériques, ils ne souffriraient pas des interactions entre solitons voisins d'un train telles que nous les avons décrites ci-dessus pour les solitons scalaires. Afin d'observer les solitons elliptiques, trois étapes sont nécessaires. D'un point de vue pratique, elles s'agencent comme suit : il faut vérifier qu'il existe des fibres dont l'isotropie soit suffisante pour soutenir leur propagation, puis il faut disposer des instruments qui permettent de les observer et, enfin, il faut les générer. Cette dernière étape mérite une étude complète à elle seule, et nous ne l'avons pas abordée.<br> Nous avons par contre vérifié la possibilité d'observer des phénomènes qui ne peuvent se produire qu'en fibres isotropes et qui trouvent leur origine dans le même phénomène physique, à savoir, l'interaction entre la dispersion et la non-linéarité vectorielle. En l'occurrence, nous avons effectué la première observation d'une prédiction effectuée il y a trente ans, mais jamais observée jusqu'alors : l'existence de l'« instabilité modulationnelle de polarisation » en fibre optique isotrope. La vérification de toutes les prédictions associées à cette instabilité nous a permis de conclure que le choix d'une fibre de type « spun » associé à des précautions d'utilisation permettra de propager des solitons elliptiques.<br> Suite à ce succès, nous avons abordé l'étude du dispositif de détection des solitons elliptiques. Pour comprendre sa spécificité, il faut savoir que l'observation des solitons elliptiques nécessite de travailler à des puissances de crête très élevées pour faire ressortir la non-linéarité de la fibre optique. Ces puissances sont atteintes en concentrant une faible énergie sur un temps ultracourt, de l'ordre d'une centaine de femtosecondes. Nous avons développé deux méthodes de mesure basées sur la reconstruction de la phase spectrale de l'impulsion au départ de signaux de battement entre fréquences voisines du spectre. Ces méthodes présentent l'avantage d'être purement linéaires, ce qui leur confère une très grande sensibilité ; et de permettre le calcul simple et sans ambiguïté de la phase spectrale. La première des techniques que nous avons développées est adaptée aux trains ultrarapides d'impulsions courtes et répond à un besoin dans le domaine des télécommunications, tandis que la seconde peut s'appliquer aux bas taux de répétitions et aux impulsions courtes ou ultracourtes.

No description available.

No description available.

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

No description available.

This thesis is devoted to mathematical modelling, including numerical simulation, in nonlinear laser physics. We study the concrete problem of finding optimal parameters for soliton lasers which is important for many applications. The basic mathematical tool used in our studies is the theory of nonlinear differential equations and numerical methods of their investigations.