Les nanocristaux de Silicium (SiNCs) de taille inférieure à 5 nm sont des matériaux qui présentent une intense photoluminescence (PL) et capables d’amplification optique. Cette dernière propriété est un pré-requis à l’obtention d’émission stimulée sous pompage optique. Atteindre l’émission stimulé (et l’effet laser) à partir de nanostructures basées sur Si est d’un intérêt particulier dans le domaine de la photonique à base de silicium. Le but de ce travail était (i) d’étudier les propriétés optiques fondamentales de SiNCs, (ii) de concevoir et de réaliser un cristal photonique présentant une efficacité d’extraction augmentée et (iii) d’explorer la possibilité d’améliorer l’amplification optique des émetteurs de lumière à base de SiNCs en les combinant avec un cristal photonique à deux dimensions. / Silicon nanocrystals (SiNCs) of sizes below approximately 5 nm are a material with an efficient room-temperature photoluminescence (PL) and optical gain. Optical gain is a prerequisite for obtaining stimulated emission from a pumped material, and the achievement of stimulated emission (and lasing) from Si-based nanostructures is of particular interest in the field of silicon photonics. The aim of this work was (i) to investigate fundamental optical properties of SiNCs, (ii) to design and prepare a photonic crystal with enhanced light extraction efficiency and (iii) to explore a possibility of enhancing optical gain of light-emitting SiNCs by combining them with a two-dimensional photonic crystal.

Cette thèse rapporte les premières études exploratoires menées en vue de réaliser un amplificateur optique fonctionnant dans la bande S des télécommunications (autour de 1470 nm) dans une fibre en silice dopée au thulium dans le but d'augmenter la bande passante utilisable par le procédé de multiplexage en longueur d'onde (WDM) des réseaux optiques en silice standard. Pour permettre d'amplifier un signal optique à l'aide des ions de thulium dans une fibre composé d'un verre à haute énergie de phonon comme la silice, nous avons adapté les processus de fabrication des préforme par MCVD de manière à modifier de moins de 10% mol la composition du cœur de silice de la fibre. Ainsi, l'apport d'Al2O3 permet, en modifiant l'environnement des terres rares, de réduire les désexcitations non radiatives entre les niveaux 3H4 et 3H5 des ions de thulium. Le temps de vie du niveau 3H4 est ainsi multiplié par 3, de 14us pour la silice pure à 50us pour 8,7 %mol d'al2O3. L'efficacité quantique passe alors de 2% à plus de 8%. Grâce à cette amélioration du matériau et à l'optimisation des paramètres optogéométriques de la fibre optique à l'aide d'un modèle numérique, nous avons pu mesurer l'amplification en bande S d'un signal lumineux sur un échantillon majoritairement composé de silice fabriqué au laboratoire. Ce gain, de plus de 1dB pour 1400mW de puissance de pompe optique, est un résultat de premier ordre pour ce type de dispositif, validant l'approche de la modification de l'environnement du thulium dans la silice. De plus les simulations numériques prédisent un gain supérieur à 20 dB pour 1W de puissance de pompe pour le matériau élaboré, avec un schéma de pompage plus efficace.

Ce mémoire présente diverses expériences d'amplification d'impulsions lumineuses brèves ou mono fréquences réalisées avec des milieux laser solides. Une étude théorique de l'amplification laser en régime de saturation est présentée dans la première partie. Les effets de déformation des profils spatial et temporel par la saturation du gain sont étudiés a partir d'un modèle théorique simple considérant le milieu comme un ensemble de cibles éphémères. Il est démontré par ailleurs que le temps de relaxation du niveau inférieur de la transition laser peut avoir une certaine incidence sur le rendement effectif de l'amplification. La deuxième partie est entièrement consacrée a la description d'un amplificateur régénératif nanoseconde utilisant du yag dope au néodyme ou de l'alexandrite comme milieux actifs. Ce dispositif permet de produire des impulsions monofréquences par injection d'une cavité esclave. Une étude détaillée de ce dispositif montre qu'un asservissement de la longueur de la cavité est inutile avec ce type de fonctionnement. Un nouveau matériau solide accordable aux propriétés exceptionnelles est présenté dans la dernière partie de ce mémoire: il s'agit du saphir dope titane. Une mesure précise de l'énergie de saturation a permis d'aborder l'amplification de plusieurs types de signaux lumineux et de réaliser divers oscillateurs aux caractéristiques variées. De nombreux amplificateurs utilisant le saphir dope titane comme milieu actif sont également présentés. Ils permettent d'amplifier des impulsions monomodes ainsi que des impulsions brèves.

Au cours des dernières décennies, le monde a subi une révolution majeure qui a profondément affecté comment on utilise les réseaux de communication. De nouveaux services et applications ont été apparus, tels que les réseaux sociaux, les jeux en ligne ou le streaming en direct, qui exigent une augmentation constante de la capacité des systèmes optiques. La motivation de ce travail est donc d'étudier la mise en œuvre d'un nouvel amplificateur SOA à très large bande avec une bande passante de plus de 100 nm afin d’étendre la capacité du système. L'utilisation de l'amplification SOA change complètement le paradigme dans la conception d'un système optique puisque toutes les dégradations ajoutées par la SOA doivent être considérées. Ainsi, la recherche d'un modèle analytique ou numérique capable de caractériser la nature non linéaire de ce dispositif est d'abord étudiée. Ensuite, on montre comment un SOA bien conçu peut non seulement amplifier un signal à large bande, mais également surmonter certains des principaux inconvénients du SOA devant EDFA. Finalement, on évalue la capacité de ce nouveau UWB SOA pour les applications d'interconnexion de centres de données avec deux expériences en transmettant jusqu'à 115 Tbps de données dans une liaison à bande passante continue de 100 nm sur 100 km de fibre et en testant la stabilité du système avec cartes de ligne en temps réelle entre deux points de présence (POP) de Facebook déployés dans la région parisienne / Over the last few decades the world has undergone a major revolution that has deeply affected the way we use communication networks. New services and applications have appeared demanding a constant increase of the channel capacity. In this period, optical systems have been upgraded at pair with advanced signal processing techniques which have permitted the increase of the spectral efficiency approaching the system capacity to the fundamental limit. It is because is becoming extremely challenging to keep growing the system capacity by this means. In this work, an orthogonal direction is studied to further increase the fibre capacity: extending the optical bandwidth. With this purpose, the use of semiconductor optical amplifiers (SOA) is investigated to be implemented in future ultra-wideband (UWB) systems. The use of SOA amplification changes completely the paradigm in the design of an optical system since all the impairments added by the SOA must be considered. In this work, we assess the reservoir model, a simple yet powerful model, to analyze numerically the nonlinear regime of the SOA for WDM systems. We also show for the first that the linewidth enhancement factor of an SOA can be estimated with a coherent receiver. Finally, it is also studied how the correlation between channels degrades significantly the performance of the SOA and the inclusion of a decorrelation fibre is investigated. The conception of a UWB system is then studied. We characterize a novel ultra-wideband SOA developed by the French project CALIPSO which presents high gain in a 100-nm optical bandwidth with high output saturation power and 6-8 dB of noise figure. We analyze its nonlinear regime for WDM systems and we show for QPSK and 16 QAM modulation formats that the input saturation power can be overtaken by serveral dBs without important nonlinear penalty. On the other hand, a novel technique is studied to compensate fibre nonlinearities in UWB systems: the multicarrier multiplexing, which tries to exploit the concept of symbol rate optimization. Finally, we assess the capabilities of this novel UWB SOA for data-centre interconnection applications with two experiments transmitting up to 113 Tbps data troughput in a 100-nm continuous bandwidth link over 100 km of fibre and then testings is stability with real-time line cards between two points of presence (POP)of Facebook deployed in the Paris area

Il est intuitif qu'avec de nouveaux outils, il devient possible d'explorer de nouveaux domaines de la physique. Les champs électromagnétiques ultra-rapides sont l'un de ces outils, ils permettent de sonder la matière à de nouvelles échelles de temps, à la fois pour développer de nouvelles applications et pour la recherche fondamentale. Néanmoins, ces champs constituent en eux-mêmes un phénomène méritant d'être analysé et étudié. Le travail présenté ici est divisé en deux parties, dont la première s'occupe de la génération et amplification de lasers ultracourtes. L'amplification paramétrique optique est discutée dans les différentes configurations, notamment dans le cas où le signal a une dérivé angulaire spectrale. On discute aussi deux oscillateurs à blocage de mode en phase. Ont présente aussi une nouvelle manière d'étudier son comportement en fonction des dimensions de la sous-cavité. La mesure de ces phénomènes représente également un défi en raison de l'échelle temporelle extrêmement réduite à laquelle ces phénomènes se produisent, échelle bien trop petite pour des méthodes de mesure traditionnelles. Dans ce manuscrit, nous avons abordé deux techniques de mesure bien connues: l'autocorrélation interférométrique (IAC) du second ordre et la corrélation croisée du 3ème ordre (TOCC). Avec l'IAC et une mesure de la puissance spectrale du champ, il est possible de reconstruire intégralement le champ électrique tandis que le TOCC associé à l'autocorrélation en intensité détermine le profil en intensité de manière unique, et ont présente des algorithmes que font la reconstruction avec un haut contraste. Nous avons par ailleurs étudié la réalisation d'une nouvelle configuration de corrélateur croisé monocoup.