Après une introduction au domaine des fibres optiques, nous avons mis à profit l'effet d'instabilité modulationnelle couplé à l'effet d'auto-décalage Raman pour créer un peigne de fréquences de largeur supérieure à 100 nm, dont la longueur d'onde centrale est accordable vers les hautes longueurs d'onde. Ensuite, la réalisation d'une cavité laser en anneau, mettant en oeuvre l'effet Raman et la rotation non linéaire de polarisation nous a permis de générer un régime impulsionnel à la longueur d'onde de la première Stokes. Les résultats expérimentaux montrent la richesse des comportements dynamiques non-linéaires qui se rapportent à ce laser. Une seconde partie de ce manuscrit porte sur l'étude de la génération de supercontinuum dans les fibres optiques à cristaux photoniques. Nous avons montré que sous certaines conditions, l'élargissement spectral inhérent à la génération de supercontinuum peut être interprété, grâce à la théorie cinétique de la turbulence faible, comme un processus de thermalisation, i.e. résultant du processus irréversible d'évolution naturelle du champ optique vers son état d'équilibre thermodynamique. Cette interprétation originale du phénomène supercontinuum a été confirmée expérimentalement.

Les fibres à cristaux photoniques (PCF) et autres fibres fortement non-linéaires conventionnelles (HNLF) représentent une nouvelle catégorie de guides d'ondes optiques qui possèdent des caractéristiques de dispersion et de non-linéarité inédites. Elles permettent, en effet, d'accroître fortement les effets non-linéaires avec des paramètres de dispersion multiples. De nombreux travaux récents ont déjà exploité ces propriétés pour la génération de spectres à très large bande au moyen de la génération de supercontinuum. L'étude de tels élargissements spectraux, en particulier dans les PCF, nécessite alors une modélisation précise de la propagation des impulsions. L'extension des modèles existants basés sur l'équation non-linéaire d'enveloppe de Schrödinger a été réalisée pour inclure des effets tels que de la dépendance en fréquence de l'aire effective du mode guidé et la génération de troisième harmonique. Les conséquences de tels effets sont décrites ainsi que de nouvelles perspectives pour la génération de supercontinuum. L'autre aspect attrayant de cette nouvelle génération de fibres optiques, en particulier concernant les HNLF, est leur utilisation dans l'important développement actuel des sources fibrées femtosecondes, proche de la longueur d'onde des télécommunications à 1550 nm. Dans ce cadre, deux systèmes expérimentaux ont été mis en place, permettant respectivement d'obtenir par compression non-linéaire des impulsions sub-30 fs et de générer des impulsions paraboliques de manière passive. Ces dispositifs sont basés sur l'utilisation et la gestion de très courtes longueurs de fibres commerciales de type HNLF, menant alors à des dispositifs ultra-compacts.

Les travaux réalisés dans ce manuscrit portent sur la fabrication de fibres optiques microstructurées (FOMs) à cœur suspendu en verre de tellurite pour la génération de supercontinuum au-delà de 2µm. Pour atteindre notre but nous avons tout d'abord réalisées les études des propriétés thermiques et optiques des verres TeO2-ZnO-R2O et TeO2-WO3-R2O (où R= Li, Na et K). La composition du verre 80TeO2-10ZnO-10Na2O (% molaire) a été sélectionnée pour la fabrication des FOMs destinées aux caractérisations du développement des effets non linéaires. La synthèse sous atmosphère sèche et oxydante nous a permis de réduire la concentration des groupements hydroxyles d'un facteur 30 par rapport à la fabrication du verre sous air. L'utilisation d'agents déshydratants (ZnF2 et TeCl4) permet d'abaisser encore la concentration des groupements OH jusqu'à quelques ppm. La composition du verre 80TeO2-5ZnO-5ZnF2-10Na2O donne une fibre transparente jusqu'à 4 µm laissant apparaître l'influence de l'absorption multiphonon. Utilisant les précurseurs commerciaux les plus purs nous avons pu réaliser une fibre de tellurite avec de très faibles pertes à 0,1 dB/m.Nous avons fabriqué des FOMs à cœurs suspendus avec des diamètres de cœurs variant de 2,7 µm à 3,5 µmet permettant de gérer la dispersion chromatique et de ramener la longueur d'onde du zéro dispersion entre 1500 nm et 1660 nm. Pour optimiser la génération du supercontinuum nous avons utilisé des sources laser pulsées pico- et femtosecondes pour pomper les fibres en régime de dispersion anormale. En parallèle aux mesures expérimentales, nous avons effectué des modélisations numériques basées sur la résolution de l'équation de Schrödinger non-linéaire généralisée. Les résultats expérimentaux, en bon accord avec les simulations, nous ont permis d'obtenir un élargissement spectral s'étalant de 850 nm à 2850 nm avec un niveau de puissance de sortie de 112 mW, dont l'extension à plus grandes longueurs d'ondes dans l'infrarouge est encore pour l'instant fortement limitée par l'absorption des groupements hydroxyles. Cependant la déshydratation du matériau, même si elle doit encore être améliorée a permis de montrer que lors de pompage à 2000-2200 nm le supercontinuum peut atteindre 4000-4500 nm, gamme de longueurs d'onde à partir de laquelle l'absorption multiphonon commence à être perceptible

Le développement des sources supercontinuum a engendré des avancées majeures dans de nombreux domaines tels que la spectroscopie, la métrologie ou encore la biologie avec la tomographie optique cohérente. Récemment, l'arrivée des fibres à cristaux photoniques (FCPs) a permis la fabrication de telles sources avec des lasers impulsionnels de pompe moins puissants. Ainsi, de par leur compatibilité avec les fibres optiques, les lasers impulsionnels réalisés en optique intégrée sur verre semblent une alternative intéressante pour la réalisation d'une source supercontinuum intégrée. Notre travail a donc eu pour objectif l'étude et la réalisation d'un laser impulsionnel déclenché par modulation passive des pertes assez puissant et compatible avec les fibres à cristaux photoniques dans le but de générer un supercontinuum. Nous avons alors conçu et fabriqué ce laser constitué d'un guide d'onde amplificateur réalisé par échange d'ions dans un verre dopé au néodyme et d'une cavité Fabry-Perot fermée par un miroir diélectrique en entrée et sans miroir de sortie ce qui permet un couplage direct avec une fibre optique. L'hybridation de l'absorbant saturable sous la forme d'une couche mince d'acétate de cellulose dopée au BDN sur le guide d'onde a permis la génération d'impulsions ayant une puissance crête de (2,8 ± 0,6) kW. La source supercontinuum réalisé avec une FCP pompée par le laser préalablement étudié présente un spectre allant de 440 nm à 1600 nm. Les perspectives de cette étude portent sur le changement de matériau absorbant saturable pour permettre l'émission d'impulsions plus puissantes, ainsi que sur l'intégration monolithique de la FCP pour réaliser un dispositif encore plus compact. Elles portent aussi sur la réalisation de lasers intégrés à modes bloqués utilisant cette technologie. Nous avons démontré sa faisabilité ainsi que son régime de fonctionnement en soliton dissipatif. Des caractérisations préliminaires ont également été effectuées.

Esta tese descreve a demonstração experimental de dispositivos baseados em fibras de cristal fotônico (PCFs), que aproveitam a flexibilidade estrutural oferecida pela matriz de capilares que compõe a seção reta da fibra, de forma a preencher estes capilares com líquidos e materiais nanoestruturados. Para o caso de materiais nanoestruturados, uma vez preenchida a fibra, os materiais nela inseridos interagem eficientemente com a luz guiada. Essa arquitetura diferenciada em relação às fibras ópticas convencionais abre novas perspectivas no desenvolvimento de aplicações como óptica não-linear e sensoriamento. PCFs de núcleo líquido, por outro lado, impõe dificuldades para a implementação de dispositivos práticos, devido às altas taxas de evaporação dos líquidos inseridos. Por esta razão, foi desenvolvida uma nova técnica para vedar seletivamente ambas as faces externas do núcleo líquido de uma PCF, utilizando um polímero curável. Estes tampões poliméricos evitam a evaporação, causando um impacto mínimo no guiamento da luz, tornando o dispositivo usável por semanas. Esta nova técnica de vedação foi empregada em um experimento para a geração de supercontínuo em uma PCF com núcleo de água destilada, proporcionando uma estabilidade de pelo menos 1 hora. Combinando líquidos e materiais nanoestruturados, foi também foi desenvolvido um sensor de temperatura baseado no preenchimento do núcleo de uma PCF por uma amostra coloidal de nanopartículas semicondutoras de CdSe/ZnS, dispersas em óleo mineral. O espectro de luminescência destes pontos quânticos coloidais é fortemente dependente da temperatura e os resultados obtidos mostraram que a grande interação entre a luz e o colóide, aliada a geometria da fibra, proporcionando uma sensibilidade ~5,5 vezes maior que a apresentada por uma rede de Bragg escrita em uma fibra óptica padrão, com boa relação sinal-ruído. / This thesis describes the experimental demonstration of devices based on photonic crystal fibers (PCFs). PCFs are optical fibers whose core is surrounded by a regular matrix of holes, which runs longitudinally across its length. This singular configuration allows the insertion of liquids and nanostructured material into the fiber. Nanostructured materials embedded inside the fiber efficiently interact with the guided light, opening up possibilities of novel applications regarding the fields of non-linear optics, as well as optical sensing. On the other hand, liquid-core PCFs suffer from some disadvantages concerning practical device applications, on account of the high evaporation of the inserted liquids. In order to address this issue, we developed a novel technique to selectively seal the external faces of a liquid-core PCF, by using a polymer plug. These polymer plugs avoid evaporation while causing a minimum impact on the light guiding characteristics of the PCF. This novel sealing technique was employed in a supercontinuum generation experiment, by using a PCF whose core was water-filled. A temporal stability of at least one-hour on the resulting spectrum was achieved. Combining the above techniques, we also developed a temperature sensor based on the core-filling of a PCF by a colloidal ensemble of CdSe/ZnS semiconductor nanoparticles dispersed in mineral oil. Those colloidal quantum-dots display a luminescence spectrum which is strongly dependent on temperature and the experimental results indicated that the greater interaction between the guided light and the colloidal sample, provided by the fiber geometry, allowed a sensitivity which is approximately 5.5 times than possible with a conventional Bragg grating, while keeping a satisfactory signal-to-noise ratio.

Les travaux réalisés dans ce manuscrit portent sur la fabrication de fibres optiques microstructurées (FOMs) à cœur suspendu en verre de chalcogénures pour la génération de supercontinum (SC) dans l'infrarouge, jusqu'à 6 μm. Dans ce contexte, la composition As2S3 a été sélectionnée pour la fabrication des FOMs destinées aux caractérisations des effets optiques non linéaires. La synthèse sous vide nous a permis de réaliser une fibre As2S3 ayant de très faibles pertes (1-2 dB/m) à 2.9 µm. Nous avons fabriqué des FOMs à cœurs suspendus ayant des diamètres de cœur variant de 1.5 μm à 3,5 μm autorisant la gestion de la dispersion chromatique et le décalage de la longueur d'onde du zéro dispersion vers 2.0-2.5µm. Pour optimiser la génération de SC, nous avons utilisé des sources laser pulsées femtosecondes pour pomper les fibres en régime de dispersion anormale. En parallèle aux mesures expérimentales, nous avons effectué des modélisations numériques basées sur la résolution de l'équation de Schrödinger non linéaire généralisée. Dans le cadre de ce travail, nous avons démontré un SC expérimental étendu sur plus de 2.0 µm dans une FOM As2S3. Cependant, nous avons identifié un phénomène de vieillissement. Grâce à une procédure de protection préventive, nous avons élargi avec succès la bande passante du SC jusqu'à 3.5 µm. Le vieillissement du matériau semble être un facteur limitant qui empêche l’extension du SC dans le domaine IR. C’est donc dans ce contexte que des études portant sur le vieillissement des matériaux ont été réalisées. Au cours de ces travaux on a pu mettre en évidence le vieillissement de l’As2S3 et son impact sur les propriétés chimiques et optiques des FOMs qui en sont issues.Dans une deuxième partie de ce travail, nous avons réussi à fabriquer de nouvelles fibres chalcogénures à base de Ge-S-Se, répondant au recommandations européenne (REACH). / The work reported in this thesis deals with the fabrication of suspended core chalcogenide microstructured optical fibers (MOFs) for supercontinuum generation (SCG) beyond 6 μm. In this context, As2S3-based suspended-core MOFs were fabricated under vacuum, and loss threshold of 1-2 dB/m at 2.9µm were systematically registered. In addition, MOFs were designed with core diameter ranging from 1.5 to 3.5µm, allowing therefore to control the MOF's dispersive properties and to shift corresponding zero dispersion wavelength to 2.0-2.5 µm range. SCG experiments were performed by pumping the fabricated MOFs in their anomalous dispersion regime by means of tunable femtosecond laser source. Simultaneously, numerical simulations were carried out in order to elucidate the non-linear dynamics and their limitations. As part of this work, we have registered a broad SC extended over 2.0 µm on As2S3 MOF. However, we have identified a phenomenon of glass-fiber aging upon exposure to atmospheric conditions. Through a preventive protection procedure based on storage of MOF under dry atmosphere, we have successfully expanded the bandwidth of the SC up to 3.5 µm.The aging phenomenon appears to be a limiting factor which prevents the extension of the SC in the IR region. It is in this context that extensive studies of aging of materials have been conducted. In this work, we were proved the aging process of As2S3 glass system and resulting impact on both chemical and optical properties.In a second part of this work, we succeeded to manufacture new arsenic-free chalcogenide fibers based on Ge-S-Se, responding to European recommendations (REACH).

Solární články na bázi arsenidu gallia patří mezi nejvýkonější typ dostupných solárních článků vůbec. Jejich výhodou je výborná odolnost vůči tepelnému a ionizujícímu záření, a proto se využívají zejména v náročných podmínkách. Tato disertační práce popisuje stav GaAs fotovoltaických článku vystavených vůči tepelnému namáhání, vysokému ochlazování, gama záření a ozáření širokospektrálním laserem. Vzorky byly zkoumány před, po a i během těchto procesů pomocí několika analytických a charakterizačních metod. Měření bylo zaměřeno na charakterizaci povrchu, optických a elektrických vlastností. Byly objeveny limity a nové chování tohoto typu článků, které jsou ovlivněny i tenkými ochrannými a antireflexními vrstvami.

The use of supercontinuum light sources in different optical measurement methods, like microscopy or optical coherence tomography, has increased significantly compared to classical wideband light sources. The development of various optical measurement techniques benefits from the high brightness and bandwidth, as well as the spatial coherence of these sources. For some applications, only a portion of the broad spectral range can be used. Therefore, an increase of the spectral power density in limited spectral regions would provide a clear advantage over spectral filtering. This study describes a method to increase the spectral power density of supercontinuum sources by amplifying the excitation wavelength inside a nonlinear photonic crystal fiber (PCF). An ytterbium doped photonic crystal fiber was manufactured by a nanopowder process (drawn by the company fiberware) and used in a fiber amplifier setup as the nonlinear fiber medium. In order to characterize the fiber’s optimum operational characteristics, group-velocity dispersion (GVD) measurements were performed on the fiber during the amplification process. For this purpose, a notch-pass mirror was used to launch the radiation of a stabilized laser diode at 976 nm into the fiber sample for pumping. The performance of the fiber was compared with a conventional PCF. Finally, the system as a whole was characterized in reference to common solid state-laser-based photonic supercontinuum light sources. An improvement of the power density up to 7.2 times was observed between 1100 nm to 1380 nm wavelengths.

Supercontinuum light sources provide a high power spectral density with a high spatial coherence. Coherent octavespanning supercontinuum can be generated in photonic crystal fibers (PCFs) by launching short pulses into the fiber. In the field of optical metrology, these light sources are very interesting. For most applications, only a small part of the entire spectrum can be utilized. In biological tissue scattering, absorption and fluorescence limits the usable spectral range. Therefore, an increase of the spectral power density in limited spectral regions would provide a clear advantage over spectral filtering. This study describes a method to increase the spectral power density of supercontinuum sources by amplifying the excitation wavelength inside a nonlinear photonic crystal fiber (PCF). An all-fiber-based setup enables higher output power and power stability. An ytterbium-doped photonic crystal fiber was manufactured by a nanopowder process (drawn by the fiberware GmbH, Germany) and used in a fiber amplifier setup as the nonlinear fiber medium. In order to characterize the fiber’s optimum operational characteristics, group-velocity dispersion (GVD) measurements were performed. The performance of the fiber-based setup was compared with a free space setup. Finally, the system as a whole was characterized in reference to common solid state-laser-based supercontinuum light sources. An improvement of the power density was observed in the spectral range between 1100 nm to 1400 nm.

Ces travaux de thèse rapportent l’étude des instabilités non-linéaires et des évènements extrêmesse développant lors de la propagation guidée d’un champ électromagnétique au sein de fibresoptiques. Après un succinct rappel des divers processus linéaires et non-linéaires menant à lagénération de super continuum optique, nous montrons que le spectre de celui-ci peut présenterde larges fluctuations, incluant la formation d’événements extrêmes, dont les propriétés statistiqueset l’analogie avec les vagues scélérates hydrodynamiques sont abordées en détail. Nous présentonsune preuve de principe de l’application de ces fluctuations spectrales à la génération de nombres etde marches aléatoires et identifions le phénomène d’instabilité de modulation, ayant lieu lors de laphase initiale d’expansion spectrale du super continuum, comme principale contribution à la formationd’événements extrêmes. Ce mécanisme est étudié numériquement et analytiquement, en considérantune catégorie de solutions exactes de l’équation de Schrödinger non-linéaire présentant descaractéristiques de localisations singulières. Les résultats obtenus sont vérifiés expérimentalement,notamment grâce à un système de caractérisation spectrale en temps réel et à l’utilisation conjointede métriques statistiques innovantes (ex : cartographie de corrélations spectrales). L’excellent accordentre simulations et expériences a permis de valider les prédictions théoriques et d’accéder àune meilleure compréhension des dynamiques complexes inhérentes à la propagation non-linéaired’impulsions optiques. / This thesis reports the study of nonlinear instabilities and extreme events occurring during the guidedpropagation of an electromagnetic field into optical fibers. After a short overview of the various linearand nonlinear processes leading to optical supercontinuum generation, we show that its spectrumcan exhibit large fluctuations, including the formation of extreme events, whose statistical propertiesas well as hydrodynamic rogue waves analogy are studied in detail. We provide a proof of principle ofusing these spectral fluctuations for random number and random walk generation and identify modulationinstability, associated with the onset phase of supercontinuum spectral broadening, as themain phenomenon leading to extreme event formation. This mechanism is studied both numericallyand analytically, considering a class of exact solutions of nonlinear Schrödinger equation which exhibitsingular localization characteristics. The results are experimentally verified, especially througha real-time spectral characterization system along with the use of innovative statistical metrics (e.g.spectral correlation maps). The excellent agreement between simulations and experiments allowedus to validate the theoretical predictions and get further insight into the complex dynamics associatedto nonlinear optical pulse propagation.