Le terme « chaos ondulatoire » désigne l'étude du comportement des ondes dans des sys- tèmes fermés dont la limite géométrique des rayons exhibe une dynamique chaotique. Cette dernière est révélée notamment par l'extrême instabilité de trajectoires que sont les orbites pé- riodiques. Comment les ondes se comportent-elles dans un système dont la limite géométrique suit une dynamique chaotique ? Dans certaines conditions particulières, elles peuvent figer le développement de la dynamique chaotique et concentrer leur énergie le long d'orbites pério- diques instables, donnant lieu à l'existence de modes singuliers, les « Scars », présentant des surintensités localisées le long de ces trajectoires. Le travail présenté dans cette thèse résulte d'une volonté de contrôler activement les modes d'un système chaotique, dans le but de faire émerger expérimentalement les modes scar. Nous introduisons un milieu à gain dans une fibre optique multimode à section transverse chaotique, système privilégié pour l'étude du chaos ondulatoire. La localisation spatiale de ce gain nous permet de contrôler l'émergence d'une fa- mille de « scars » en les amplifiant sélectivement. Nous présentons des simulations numériques validant le processus physique d'amplification, suivies d'une étude expérimentale démontrant l'amplification sélective de modes « scar » dans une fibre optique multimode.

Le développement des réseaux d'accès multi-longueur d'onde à 10 Gb/s fait apparaître un besoin pour des composants achromatiques bas-coûts. L'utilisation d'un modulateur électro-absorbant intégré avec un amplificateur optique à semiconducteurs est une solution qui permet de répondre à la fois aux critères de débits, gain d'insertion, achromacité, athermalité et insensibilité à la polarisation. Le modulateur amplifié fonctionne dans un schéma réflectif et ne nécessite donc qu'une seule fibre optique.<br>L'épitaxie sélective en phase vapeur est utilisée afin d'intégrer monolithiquement le modulateur et l'amplificateur. La technique permet une variation spatiale et locale des épaisseurs des couches épitaxiéees au voisinage d'un masque diélectrique sélectif. Le<br>matériau définissant la zone active consiste en un empilement de puits quantiques à base de matériaux AlGaInAs. Les épaisseurs et les compositions définissant l'empilement sont déterminées afin d'obtenir l'insensibilité à la polarisation et d'appliquer un décalage<br>spectral entre le modulateur et l'amplificateur. Ce dernier point optimise le gain d'insertion du composant intégré puisque la position spectrale du pic de gain est décalée dans la zone de modulation. L'analyse et l'interprétation des spectres en réflexion du modulateur amplifié démontrent l'intérêt de ce décalage spectral. Le comportement dynamique à haut débit montre des pénalités négligeables sur la puissance reçue en fonction de la longueur d'onde et de la température. Les résultats obtenus illustrent l'intérêt du composant pour les réseaux d'accès passifs mais aussi pour d'autres applications à plus haut débit.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'impact de la nanostructuration de la matière sur le comportement des fibres dopées Erbium en environnement radiatif tel que l'Espace. Cette étude est motivée par le fait qu'il n'existe pas de fibre dopée Erbium qualifiée pour le spatial, rendant l'AOFD indisponible pour ces applications, réduisant fortement l'intérêt de l'ensemble de la technologie WDM pour les satellites. Ainsi nous avons testé plusieurs fibres basées sur des technologies différentes dans le but d'évaluer leurs comportements sous radiations gamma. Nous avons ainsi défini un critère objectif pour la sélection des fibres dopées Erbium, et avons montré des éléments permettant de durcir des fibres co-dopées Aluminium en se basant uniquement sur des paramètres de conception. Ainsi, nous avons démontré une fibre durcie aux radiations à base de nanoparticules de silice dopées Erbium, montrant une perte de puissance de l'ordre de 1 dB en fin de mission typique d'un satellite. L'accent a également été mis sur la modélisation de l'AOFD en proposant un modèle évolué prenant en compte des effets non linéaires liés à la complexité de la spectroscopie de l'ion Erbium. Ce modèle a été complété par une prise en compte de l'effet des irradiations et de la guérison optique en utilisant un modèle de proche de celui développé par R. Chen. Nous avons pu noter la grande importance de l'effet de la guérison optique sur les performances de l'AOFD en fin de vie. / This thesis focuses on the impact of nanostructuration on the performance of Erbium Doped Fiber in severe environment like Space. This study is motivated by the fact that no on-the-shell Erbium Doped Fiber can satisfy the space requirement, disabling the availability of the AOFD and stongly limiting the interest of the WDM technology for satellites. Several fiber based on different technologies have been tested in order to check their behavior under gamma radiations. We have defined an objective criterion for the selection of erbium doped fibers, and showed elements for hardening aluminum co-doped fibers, based solely on design parameters. In this way, we brought to the fore a radiation hardened fiber, based on silica nanoparticles, exhibiting a power decrease of 1 dB after a typical space mission. We also focused on EDFA modeling by proposing an evolved model taking into account non-linear effects due to the complex spectroscopy of Erbium. This model is completed by including irradiation effects thanks to a model such as Chen's one. The photobleaching effect that has been found to be strong is also considered.

L'évolution des outils télécommunicationnels répond à une révolution des usages. Les réseaux d'accès et de type radio-sur-fibre doivent répondre à cette demande de l'utilisateur final et le déploiement massif de la fibre optique confirme cette évolution. Dans cette perspective, l'utilisation du multiplexage en longueur d'onde (largement utilisé dans les réseaux cœurs) est maintenant considérée dans le cas d'une augmentation du débit chez l'utilisateur. Néanmoins de nouvelles problématiques, propres à ces réseaux, émergent, telles que le coût pour l'abonné. De nouveaux composants indépendants de la longueur d'onde sont donc nécessaires pour réduire les coûts de déploiement tout en apportant flexibilité et facilité de gestion de ce type de réseaux. Les modulateurs déportés (ou RSOA) sont une solution répondant à ces exigences mais ils doivent se plier à celles, nouvelles, des réseaux d'accès et des réseaux radio-sur-fibre. Cette thèse propose une étude détaillée des propriétés physiques de ces composants ainsi que de ces applications en tant qu'émetteur indépendant de la longueur d'onde dans plusieurs configurations réseaux. Les notions fondamentales nécessaires à la compréhension de ces travaux seront abordées ainsi que la conception et la fabrication de ces composants en salle blanche. Une analyse des performances statiques et dynamiques des composants en fonction de certains paramètres clefs tels que le confinement optique, la longueur de la zone active et la réflectivité des facettes est détaillée. La théorie, une modélisation et des mesures expérimentales seront utilisées pour la création de composants optimisés ayant des performances conformes à l'état de l'art. De nouvelles configurations de RSOA à deux électrodes seront proposées pour diverses utilisations originales de ces composants. Finalement, une étude système viendra compléter notre analyse pour des applications concernant les réseaux d'accès et les réseaux de type radio-sur-fibre.

Les liaisons opto-hyperfréquences sont appelées à jouer un rôle important dans les futurs systèmes micro-ondes. Elles permettent par exemple de transporter des signaux radars ou des oscillateurs locaux sur porteuse optique sur de longues distances. Elles permettent également de réaliser un certain nombre de fonctions comme des déphasages, l’introduction de retards vrais sur de larges bandes passantes, le filtrage reconfigurable des signaux, ou même des fonctions plus complexes comme de l’analyse spectrale ou de la corrélation de signaux hyperfréquences. Comme tous les systèmes opto-hyper, elles souffrent de pertes dues soit à la conversion opto-hyper, soit tout simplement à la propagation. Les amplificateurs classiques, par exemple à fibre dopée erbium, à semi-conducteur, ou à effet Raman dans les fibres, ne permettent pas de compenser ces pertes sans dégrader le rapport signal sur bruit. L’objectif de la thèse est l’étude et la réalisation expérimentale d’un amplificateur optique sensible à la phase basé sur des fibres hautement non linéaires (HNLF) pour amplifier des signaux analogiques sans ajouter du bruit. La majeure partie de ce travail de thèse a été consacrée à la mise en œuvre d’une expérience qui porte sur l’amplification sensible à la phase avec une seule pompe. Notre étude a également porté sur l’étude des performances de cet amplificateur en termes de linéarité et de bruit. La linéarité de l’amplificateur a été testée en comparant les produits d’intermodulation d’ordre 3 (IMD3) lorsque le PSA est activé et le PSA est désactivé. Nous avons montré à partir de ces mesures que l’introduction de l’amplificateur sensible à la phase dans la liaison n’a pas dégradé la dynamique libre de parasite (SFDR). De plus, nous avons étudié les performances de notre amplificateur sensible à la phase en termes de bruit en effectuant des mesures de son facteur de bruit (NF). En effet, nous avons mesuré un facteur de bruit de -2.07 dB dans le cas où l’on ne détecte que le signal, tandis qu’un facteur de bruit de 0.2 dB est obtenu lors de la détection de l’ensemble « signal et idler ». / Microwave photonic links are expected to play an important role in future RF systems. Based on low loss optical fibers, analog photonic links (APLs) have become the heart of the emerging field of microwave photonics, in which various functionalities are explored such as the generation and distribution of radar signals and local oscillators, phase shifting, reconfigurable true time delays, or even more complex functions such as spectrum analysis or correlation of RF signals. Unavoidably, microwave photonics systems undergo losses due either to microwave-to-optical conversion or to propagation. Classical amplifiers based on erbium doped fibers, semiconductor amplification, or Raman scattering in fibers, do not allow to compensate for these losses without degrading the signal-to-noise ratio. The aim of this thesis is to address this issue and to theoretically study and experimentally an optical phase-sensitive amplifier based on highly nonlinear fiber (HNLF) in order to amplify an analog signals without adding noise. We experimentally investigate the linearity of a phase sensitive amplifier based on nonlinear optical fiber in the context of microwave photonics. The linearity of the PSA amplifier is assessed by performing third order intermodulation distortion products (IMD3) measurements using two RF tones. The results show that the PSA is, in the explored domain, perfectly linear for the RF modulation, leading to amplification without any increase of distortion, thus proving the compatibility with future microwave photonics applications. In addition, we study the performance of our PSA in terms of noise by taking measurements of the noise figure (NF). Indeed, we measure a noise factor of -2.07 dB in the case where when we detect only the signal, while a 0.2 dB noise factor is obtained when both "signal and idler" are detected.

Ce mémoire est consacré à l'étude de l'impact de la régénération 2R dans un système de transmission optique. La régénération optique 2R devrait permettre d'améliorer les performances et limiter le coût des liaisons longue distance et métropolitaines. Des dispositifs simples et peu coûteux pourraient en effet remplacer certains transpondeurs des liaisons optiques. Seules les techniques compatibles avec le réseau multiplexé en longueur d'onde (WDM) seront susceptibles de voir le jour. Ces travaux se sont par conséquent plus particulièrement tournés vers un dispositif 2R à base d'un absorbant saturable en microcavité verticale, dispositif qui présente les qualités requises pour l'application visée. Ces travaux ont donné lieu à des considérations tant d'un point de vue compréhension des phénomènes que d'un point de vue performances. Ils ont été réalisés dans le cadre du projet RNRT (Réseau National de Recherche en Télécommunications) ASTERIX (Absorbant Saturable pour la régénération TERabits multIpleXée en longueurs d'onde).<br />Après une présentation des généralités sur les systèmes de transmission optique et des principales dégradations subies par le signal, nous abordons la régénération optique. Nous mettons ensuite en évidence la difficulté de démontrer l'efficacité d'un régénérateur. Nous montrons notamment que pour démontrer son efficacité, un régénérateur optique doit être caractérisé dans une liaison.<br />L'étude numérique et expérimentale d'une liaison comportant une cascade de régénérateurs optiques 3R, nous permet ensuite, dans le cas où l'accumulation de bruit d'amplitude limite la transmission, de connaître l'évolution des densités de probabilité depuissance des symboles et donc du taux d'erreur binaire (TEB).<br />Le cas d'une régénération 2R est ensuite abordé. Un dispositif original constitué d'un absorbant saturable suivi d'un amplificateur optique à semiconducteur (SOA) est caractérisé avant d'être cascadé dans une ligne de transmission à 10 Gbit/s. L'efficacitédu dispositif est démontrée puisqu'un facteur d'amélioration de la distance de propagation supérieur à 9,5 est obtenu pour un TEB de 10-8 permettant une propagation sur 20 000 km. L'accordabilité du dispositif est également démontrée sur une bande spectrale de 13 nm, ce qui est prometteur pour une transmission WDM.<br />Ce dispositif 2R nous permet finalement d'aborder de manière plus générale, l'effet d'une cascade de régénérateurs 2R dans une liaison. Une étude numérique clarifie le phénomène d'accumulation de gigue temporelle en présence de régénérateurs 2R. Une boucle à recirculation à pas de régénération variable permet d'étudier expérimentalemen l'impact du pas entre régénérateurs. Il existe un pas de régénération optimal correspondant au meilleur compromis entre accumulation de gigue temporelle et de bruit d'amplitude. L'étude met également en évidence l'intérêt d'espacer largement les régénérateurs (distance doublée pour 6 régénérateurs cascadés à un TEB de 10-8 dans le cas considéré). Enfin la limitation de la transmission par la gigue temporelle est mise en évidence expérimentalement.

Dans le contexte des réseaux de transmission optiques à haut débit, l'on s'intéresse à la récupération d'horloge, fonction critique au niveau de la réception et de la régénération des signaux. À plusieurs dizaines de gigabits par seconde par canal, les boucles à verrouillage de phase électroniques remplissant traditionnellement cette tâche sont difficiles à réaliser. Or il est possible d'en reproduire le schéma à l'aide de composants optiques non-linéaires plus rapides, notamment les amplificateurs optiques à semi-conducteurs.<br />Après une mise en contexte et quelques généralités sur le principe de fonctionnement desdits boucles de phase et amplificateurs optiques, nous présentons deux systèmes de récupération d'horloge utilisant le mélange à quatre ondes dans ces derniers. Cet effet non-linéaire est observé et étudié, ainsi que les dispositifs de récupération d'horloge, dont le fonctionnement est démontré expérimentalement sur des signaux optiques de type RZ et NRZ à 10 Gbps. Des mesures de taux d'erreurs montrent une pénalité négligeable ; on obtient une bande d'accrochage de l'ordre de quelques dizaines de kilohertz, et une gigue de l'ordre de la picoseconde.<br />Bien que ce débit ne soit plus très impressionnant de nos jours, ces schémas, reposant sur des effets non-linéaires ultrarapides, peuvent être étendus à une utilisation à des débits beaucoup plus élevés (de l'ordre de plusieurs centaines de gigabits par seconde voire au-delà) et à la récupération d'horloge fractionnelle, pour des applications de démultiplexage temporel. Les expériences correspondantes restent à effectuer, ainsi que l'utilisation de composants non-linéaires à faible bruit tels que les fibres optiques microstructurées et le niobate de lithium périodiquement orienté.

L'ion neodyme est un candidat potentiel pour realiser un amplificateur optique pour la seconde bande de telecommunications optiques, en particulier du fait de sa bande d'absorption accessible aux diodes laser du commerce. Cependant, l'emission a 1,3 mm est en competition avec la transition a 1,06 mm issue du meme niveau metastable. Pour optimiser les performances de l'amplificateur a base de neodyme, il faut eliminer cette emission. Nous proposons donc une structure integrant un filtre par reseau de Bragg incline et distribue sur toute la longueur de l'amplificateur. Cet amplificateur est concu a partir d'une couche mince de trifluorure de lanthane (LaF3) dope neodyme (Nd3+). Nous avons mene une etude spectroscopique du LaF3:Nd3+. Durant cette etude, nous nous sommes attaches a etudier certains parametres importants pour l'amplificateur, notamment la polarisation de l'emission a 1,3 mm et l'influence de la concentration en Nd3+. Nous avons ensuite developpe un procede de realisation original a plusieurs points de vue : tout d'abord par l'association d'un materiau polymere pour realiser les fonctions optiques passives et du LaF3:Nd3+ monocristallin comme materiau actif, ensuite par le developpement de technologies generiques permettant de realiser des fonctions optiques a bas cout comme la nanoimpression utilisant une resine thermodurcissable tres fluide et le polisciage. Nous avons aussi mis au point des traitements de surface permettant d'ameliorer l'adherence sur un polymere et les cristaux ioniques. Nous avons enfin modelise le gain d'un micro amplificateur pour 1,3 mm et determine les conditions a respecter pour avoir un gain efficace et un bon rendement. A la suite de quoi, nous proposons une structure pour realiser un tel amplificateur.

Dans le cadre des futurs réseaux de télécommunication optiques, les phénomènes non-linéaires dans les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (AOS) telles que la modulation croisée de polarisation (XPolM) et la modulation de phase croisée sont exploités pour réaliser des fonctions de traitement tout-optique nouvelles. Ces fonctions sont dédiées au routage, à la commutation de paquets et la reconnaissance des en-têtes dans les réseaux de transmission optiques. L'objectif de ce travail était double: d'une part la compréhension de la biréfringence induite dans l'AOS et en particulier le phénomène de couplage dans la XPolM grâce à une approche expérimentale, et d'autre part la mise en œuvre de cet effet pour réaliser des portes logiques tout-optiques. Un modèle théorique bidimensionnel de l'AOS est présenté. Il prend en compte les composantes TE et TM de l'onde optique, les gains optiques, les phases TE et TM et le couplage d'énergie entre les deux modes propres de l'AOS. Un banc de mesure en espace libre de type pompe et sonde a été soigneusement mis en place afin de contrôler finement les états de polarisation des signaux optiques et d'extraire des paramètres de la modulation croisée de polarisation dans la bande utile [1550-1565] nm. L'impact de la puissance de pompe et de sa polarisation sur la modification des axes propres de l'AOS est mis en évidence. Une étude expérimentale et théorique est proposée afin d'étudier l'impact de la dépendance en polarisation du gain de l'AOS sur l'efficacité de la XPolM. Cette étude est basée sur la théorie des modes couplés et les paramètres de Stokes déterminés expérimentalement. Une validation du modèle est proposée. La XPolM est exploitée pour réaliser des fonctions optiques telles que des portes logiques tout-optiques (AND, NOR, NOTXOR) à 2.5 Gbit/s au format NRZ en utilisant un unique AOS. L'efficacité de ces fonctions est estimée en mesurant le taux d'extinction. La biréfringence induite est également exploitée pour réaliser un commutateur et une porte logique tout-optique à 10 Gbit/s.

Ce mémoire pressente l'étude et la réalisation d'un laser a colorant a blocage de mode passif produisant des impulsions de 100 femtosecondes (10##1#3 s). Dans une cavite en anneau contenant un milieu amplificateur (rhodamine 6g) et un absorbant saturable (dodci), un système de prismes permettant de contrôler la dispersion de vitesse de groupe réalise une mise en phase de toutes les fréquences du spectre des impulsions. Nous avons ensuite étudie la possibilité de produire des impulsions femtosecondes a d'autres longueurs d'onde directement avec l'oscillateur. Des impulsions de 60 fs a 685 nm et inférieures a 50 fs entre 775 nm et 800 nm ont ete produites pour la première fois par blocage de mode passif. Les impulsions dans le proche infrarouge nous ont permis d'étudier la cinetique de la saturation de l'absorption dans des semi-conducteurs du type multipuits quantiques gaas/algaas. Un regime de fonctionnement particulier du laser a ete observe et analyse en termes de solitons optiques. Afin de realiser des expériences de spectroscopie résolue dans le temps avec des impulsions encore plus brèves, nous avons étudie un système de compression d'impulsions suivi d'une amplification pour augmenter leur énergie. Des impulsions de 20 fs avec une énergie de 10 micro joules (puissance crete: 0,5 gw) ont ete utilisées pour étudier la cinétique de la saturation de l'absorption dans un colorant organique (le vert de malachite).