Titre de l'écran-titre (visionné le 19 juin 2023) / Le multiplexage par répartition spatiale (SDM) est une technique prometteuse pour augmenter la capacité des systèmes. Elle offre un degré de liberté supplémentaire pour le multiplexage parallèle au temps, à la fréquence, à la polarisation et à la quadrature. La capacité réalisable du système est proportionnelle au nombre de canaux spatiaux. Le multiplexage modal dans une fibre à quelques modes (FMF) offre une densité d'information élevée pour le SDM et peut être combiné avec des fibres multicœurs pour augmenter encore plus la capacité de données. Les modes à moment orbital angulaire (OAM) ont l'avantage de supprimer les interactions entre les modes pendant la transmission par fibre, et conviennent donc pour les systèmes SDM afin de démontrer une capacité très élevée. L'utilisation de configurations en espace libre pour multiplexer les modes OAM exige une grande précision d'alignement et une faible perturbation. Le coût et l'espace nécessaires pour de tels montages augmentent linéairement avec le nombre de modes pris en charge. La plateforme de silicium sur isolant (SOI) offre la compacité, la robustesse et la compatibilité CMOS pour construire un multiplexeur OAM. Dans cette thèse, nous proposons et caractérisons un multiplexeur OAM basé sur un réseau optique à commande de phase sur la plateforme SOI. Nous démontrons le premier multiplexeur intégré qui génère directement des faisceaux OAM polarisés circulairement avec des composants sur puce, brisant le goulot d'étranglement de l'incompatibilité de polarisation dans le couplage puce-fibre OAM. Nous incorporons une capacité de réglage de l'intensité qui améliore considérablement la qualité de l'OAM en permettant une distribution uniforme de la puissance sur les antennes. Nous augmentons de 50% le nombre de modes pris en charge par rapport à l'état de l'art précédent et réduisons de 3dB le record de diaphonie dans le pire des cas. Notre dispositif fournit une solution évolutive pour la génération et le multiplexage OAM dans les systèmes SDM à ultra-haute capacité. Dans le premier chapitre, nous expliquons le principe de fonctionnement de notre circuit à réseau de phase. Nous fournissons des informations détaillées sur nos modèles de simulation pour nos sous-ensembles de composants intégrés et présentons notre méthodologie de calibration du circuit. Le deuxième chapitre présente un modèle de simulation général pour un générateur OAM basé sur un réseau de phase. Le modèle consiste en une méthode de matrice de transfert basée sur le calcul du champ électrique sur puce et la simulation de l'évolution du faisceau se propageant en espace libre. Nous donnons un exemple de la manière de procéder à l'optimisation des paramètres pour les lieus de transmission ciblés. Dans le troisième chapitre, nous démontrons expérimentalement, pour la première fois, un multiplexeur OAM qui génère et multiplexe directement des faisceau de type vortex polarisés circulairement sur SOI. Le dispositif comporte 17 antennes et supporte 14 canaux OAM, 7 dans chaque polarisation circulaire. Les pertes de la puce sont de 25dB, la diaphonie dans le pire des cas sont de -6dB et la bande passante est de 17 nm. Dans le quatrième chapitre, nous étudions, pour la première fois, l'impact de la non-uniformité de l'intensité entre les antennes et nous atténuons cette non-uniformité à l'aide de notre circuit d'accord de l'intensité. Nous démontrons 46 canaux OAM et réduisons avec succès la diaphonie dans le pire des cas à -17,2dB (modes les plus supportés et diaphonie la plus faible en tant que MUX OAM intégré). Les pertes du dispositif sont de 12dB, et la largeur de bande est d'environ 20 nm. / Space division multiplexing (SDM) is a promising technique for increasing the system capacity. It provides an extra degree of freedom for multiplexing parallel to the time, frequency, polarization, and quadrature. The achievable capacity of the system is proportional to the number of spatial channels. Modal multiplexing in a few-mode fiber (FMF) offers a high information density for SDM and can be combined with multicore fibers to increase data capacity further. The orbital angular momentum (OAM) modes have an advantage in suppressing mode interactions during fiber transmission, thus are suitable to be transmitted in SDM systems to demonstrate ultra-high capacity. Using free-space setups to multiplex OAM modes require high alignment precision and low perturbation. The cost and space needed for such setups scale linearly with the number of supported modes. Silicon-on-insulator (SOI) platform provides the compactness, robustness, and CMOS compatibility to build an OAM multiplexer. In this thesis, we propose and characterize an optical phased array-based OAM multiplexer on the SOI platform. We demonstrate the first integrated multiplexer that directly generates circularly polarized OAM beams with on-chip components, breaking the bottleneck on polarization incompatibility in chip-to-OAM fiber coupling. We incorporate an intensity tuning capability that substantially improves the OAM quality by enabling a uniform power distribution across the antennas. We increase the number of supported modes from previous state-of-the-art by 50% and reduce the worst-case crosstalk record by 3dB. Our device provides a scalable OAM generation and multiplexing solution in ultra-high-capacity SDM systems. In the first chapter, we explain the design principle of our phased array circuit. We provide detailed information about our simulation models for our integrated building blocks and present our calibration methodology of the circuit. The second chapter demonstrates a general simulation model for a phased array-based OAM generator. The model consists of a transfer matrix method based on on-chip electrical field calculation and the simulation of free-space propagation beam evolution. We give an example of how to conduct parameter optimization for target transmission links. In the third chapter, we experimentally demonstrate, for the first time, an OAM multiplexer that directly generates and multiplexes circularly polarized vortex on SOI. The device has 17 antennas and supports 14 OAM channels, 7 in each circular polarization. The loss of the chip is 25dB, the worst-case crosstalk is -6dB, and the band width is 17 nm. In the fourth chapter, we investigate, for the first time, the impact of intensity non-uniformity among antennas, and we mitigate the non-uniformity using our tuning circuit. We demonstrate 46 OAM channels and successfully reduce the worst-case crosstalk to -17.2dB (most supported modes and lowest crosstalk as integrated OAM MUX). The loss of the device is 12dB, and the band width is around 20 nm.

Titre de l'écran-titre (visionné le 10 octobre 2023) / Les faisceaux de lumière issus des modes du moment cinétique d'orbite (OAM) sont caractérisés par un front de phase hélicoïdal. On peut les utiliser pour faire du multiplexage de modes (MDM), c'est-à-dire combiner des signaux indépendants d'ordres différents en un seul signal composite destiné à être transmis sur une voie commune, typiquement une fibre à coeur en anneau (RCF). L'intérêt est d'augmenter la capacité des réseaux de communication tout en diminuant la complexité des systèmes de traitement de signaux (DSP), et par le fait même, les coûts monétaires et énergétiques qui leur sont associés. On vise à donc maximiser le nombre de modes OAM efficacement multiplexés dans une RCF. Ce mémoire aborde cette problématique en faisant l'étude du couplage des modes OAM du côté du transmetteur. On pose d'abord le cadre théorique des modes OAM de la lumière. On expose ensuite les éléments de base du système à l'étude : la génération des modes OAM par q-plate, les caractéristiques de design de la RCF, et le multiplexage en espace libre. On propose une configuration de multiplexeur à 16 modes OAM en espace libre. Une fois le contexte de la problématique présenté, on s'intéresse à la compréhension du comportement de propagation des faisceaux OAM en espace libre. On en fait la caractérisation expérimentale pour quatre grandeurs d'ordre OAM. On présente aussi trois méthodes de modélisation de ce comportement et on compare les résultats obtenus avec les mesures en laboratoire. À l'issue de l'analyse comparative, on choisit la méthode qui nous apparaît la mieux adaptée à la problématique. Les faisceaux OAM générés par q-plates possèdent naturellement une divergence. Leur taille et leur divergence dépendent de la grandeur d'ordre du mode OAM. En se basant sur les simulations des faisceaux OAM ainsi que sur des concepts théoriques de propagation des faisceaux gaussiens, on propose un système optique permettant de manipuler la taille et la divergence des faisceaux OAM en espace libre. On vérifie le design par des mesures expérimentales. Finalement, les performances du système optique proposé sont démontrées en optimisant et en mesurant l'efficacité de couplage de quatre modes OAM de grandeur d'ordre différente à l'intérieur de la même RCF.

L'imageur de Fresnel est un instrument focalisation diffractive qui est développé pour l'observation astrophysique depuis l'espace. Il est a longue focale, et de ce fait requiert le vol en formation. Pendant ma thèse, le concept a été étudié avec des prototypes au sol et validé en mesurant la qualité des images obtenues et les fonctionnalités de l'instrument. Depuis 2007, un prototype diffractif d'imageur de Fresnel de génération 2 a été conu, il a été mis au point en 2009, et fonctionne en parallèle sur un tube de lunette long de 18 mètres. Plusieurs grilles de Fresnel carrées de 200x200 mm ont été construites, testées au sol par l'observation de cibles astrophysiques, et améliorées pour tendre vers la qualité requise pour des applications depuis l'espace avec des grilles grande taille 4m ou plus. Des observations sont faites à Nice depuis juin 2009 avec un prototype de 200x200 mm d'ouverture, et 18 m de focale. Elles montrent que le concept fonctionne en conditions réelles. Les données acquises et les images obtenues démontrent la fonctionnalité et la qualité de cet imageur de Fresnel. La première partie de la thèse présente le principe de focalisation diffractive utilisé dans l'imageur de Fresnel, la formation des images, et le détail de sa conception : les caractéristiques des différents composants optiques du système et leurs performances nominales. La deuxième partie décrit les essais faits pour valider le concept et pour démontrer la formation des images à haute dynamique, les résultats d'observations, et l'optimisation du prototype au sol. La troisième et dernière partie propose une mission spatiale, et sa configuration pour l'observation depuis l'espace. Une cible telle qu'un disque d'accrétion autour d'une étoile jeune est prise comme cas d'étude pour la mission spatiale d'un imageur de Fresnel avec une ouverture de 20_20 m, ouvrant de nouveaux domaines de l'astrophysique dans l'ultraviolet.

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Les assemblages d'accéléromètres sont utilisés entre autres en biomécanique afin d'estimer le champ des accélérations d'un corps rigide et, de là, les variables cinématiques décrivant les déplacements dudit corps rigide. On remarque toutefois que le progrès de cette technologie a été limité par celui des gyroscopes micro-usinés, lesquels sont plus précis que les assemblages d'accéléromètres dans la plupart des applications. Le but des recherches décrites dans cette thèse est d'améliorer la précision des estimés de vitesse angulaire produits par les assemblages d'accéléromètres. Les développements proposés portent sur deux aspects : une classe d'architectures mécaniques d'accéléromètres est proposée ayant pour but de réduire la sensibilité des capteurs aux accélérations transverses, des algorithmes robustes étant également proposés afin d'estimer la vitesse angulaire à partir de certaines ou de toutes les composantes du champ d'accélération du corps rigide. La classe d'accéléromètres proposée est inspirée des architectures de machines à cinématique parallèle (MCP) en assimilant la masse d'épreuve et le support d'un accéléromètre à l'organe terminal et à la base d'une MCP, respectivement. Une caractéristique commune aux MCP proposées ici est que leurs organes terminaux et leurs bases sont reliées par n+1 chaînes cinématiques simples, n = 1, 2, 3 étant leurs nombres de directions sensibles respectifs. Pour cette raison, on appelle accéléromètres simpliciaux multiaxiaux les capteurs résultant de ces MCP. Une version microusinée de l'accéléromètre simplicial biaxial est conçue, fabriquée et testée. En outre, la théorie permettant l'estimation de la vitesse angulaire d'un corps rigide à partir de mesures d'accélérations est réexaminée. De cette révision, quatre algorithmes permettant l'estimation de la vitesse angulaire à partir de mesures d'accélération centripète sont proposés. Enfin, un algorithme permettant l'estimation de la vitesse angulaire d'un corps rigide à partir de mesures d'accélérations centripète et tangentielle et reposant sur le filtrage de Kalman est proposé.

Les planètes se forment très probablement dans les disques de gaz et de poussière détectés autour des étoiles jeunes en cours de formation. L'étude de ces disques circumstellaires est donc indispensable pour comprendre la formation des planètes et l'origine de notre système solaire. Au vu des distances des régions de formation stellaires les plus proches, observer la partie des disques situées entre 0.1 et 10 UA correspond à des échelles spatiales de l'ordre de la milli-arcseconde. L'interférométrie infrarouge est un outil adapté pour atteindre de telles échelles spatiales et, par conséquent, pour étudier l'environnement proche des étoiles jeunes. Cependant, un interféromètre ne produit pas une image directe de l'objet observé. Les données obtenues jusqu'à présent sont peu nombreuses et utilisées uniquement pour contraindre des modèles théoriques. Avec l'arrivée de nouveaux instruments, les données interférométriques peuvent être utilisées pour reconstruire des images indépendamment de modèles paramétriques, comme il est habituellement fait dans le domaine radio. Le présent travail vise à appliquer la méthode de reconstruction d'images à des données interférométriques en infrarouge proche d'objets jeunes. Dans un premier temps, une étude systématique de la méthode de reconstruction d'images est réalisée sur l'algorithme MiRA et des règles pratiques pour les utilisateurs en sont extraits. Il est également démontré qu'il vaut mieux augmenter la couverture du plan (u; v), et ce de manière la plus homogène possible, plutôt que de diminuer les barres d'erreur sur les données. Dans un deuxième temps, la méthode est appliquée à une Herbig Ae, MWC275, donnant lieu à la première image de l'environnement proche d'une étoile jeune complexe. Suite à la pauvreté de la couverture (u; v), une image évidente à interpréter n'est pas réalisable malgré l'utilisation de paramètres adéquats. Une méthodologie impliquant l'utilisation d'un modèle de l'objet est donc indispensable afin de ne pas sur-interpréter les structures dans l'image reconstruite. Finalement, la technique est appliquée à d'autres objets jeunes. Ces nouvelles applications renforcent l'intérêt d'utiliser la reconstruction d'images comme technique d'analyse mais confirment également la prudence à avoir lors de l'analyse des images reconstruites.

Ce manuscrit est dédié au transport relativiste cinétique sous influence de champs magnétiques, identifié comme obstacle pour la modélisation et la simulation intégrée, dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Une réalisation importante concerne le développement d'un code déterministe de référence, 2Dx-3Dv, de type Maxwell-Fokker-Planck-Landau, permettant la prise en compte de fonctions de distribution à large degré d'anisotropie. Ce travail se situe à l'interface de l'analyse numérique, des mathématiques appliquées, et de la physique des plasmas. Un deuxième résultat marquant concerne la dérivation d'un modèle collisionel multi-échelle, pour le transport d'électrons relativistes dans la matière dense. Des processus importants sont mis en évidence pour la FCI, et une analogie est menée vis-à-vis des processus de transport collisionels connus en radiothérapie. Enfin, un modèle mésoscopique aux moments angulaires, avec fermeture entropique, a été dérivé et utilisé pour le dépôt de dose pour la radiothérapie. Des schémas numériques précis, d'ordre élevé, et robustes, ont été développé dans ce cadre. / This manuscript is dedicated to the relativistic kinetic transport, under the influence of the magnetic field, identified as a barrier for the modeling and integrated simulations, in the frame of the Inertial Confinement Fusion (ICF). An important achievement concerns the development of a deterministic, reference code, 2Dx-3Dv, of Maxwell-Fokker-Planck-Landau type, that permits the treatment of distribution functions with large anisotropy degree. This work is at the interface between the numerical analysis, applied mathematics, and plasma physics. Another milestone result concerns the derivation of a multi-scale, collisional model, for the transport of relativistic electrons in dense matter. A set of processes is demonstrated to be of importance for ICF, and an analogy is conducted with respect to well-known collisional transport processes in radiotherapy. Finally, a mesoscopic angular moment model, with entropic closure, is derived and employed for radiotherapy dose computation. High order precise and robust numerical schemes are then developed in this framework.

Les polaritons sont des quasi-particules bosoniques venant du couplage fort entre des photons de cavité et des excitons confinés dans une hétérostructure semiconductrice. De par leur temps de vie très court et leur très fortes interactions, les polaritons sont un système idéal pour étudier des problèmes fondamentaux d’hydrodynamique quantique hors équilibre ainsi que des aspects plus appliqués d’optique quantique, comme l’implémentation de transistors opto-electroniques ultra-rapides ou la génération d’états non-classiques de la lumière.Ces deux thèmes sont traités dans cette thèse. Dans la première partie j’y dépeins plusieurs méthodes par lesquelles on injecte optiquement un moment angulaire donné dans un superfluide de polaritons, afin d’observer sa nucléation en plusieurs vortex élémentaires. L’impact de la géometrie, du désordre et de l’interaction nonlinéaire de type "polaritonpolariton" sont étudiés. Nous démontrons la conservation du moment angulaire dans le régime stationnaire malgré la nature hors équilibre et ouverte du système. Dans le régime linéaire, un reseau d’interférences contenant des singularités de phase (vortex optiques) est visible. Dans le régime nonlinéaire (superfluide), les interférences disparaissent et des vortex du même signe se forment en conséquence de la conservation du moment angulaire injecté. Enfin, en ajoutant une contrainte sur la géométrie du système nous avons créé de manière controlée un anneau stable de vortex élémentaire du même signe, ce qui pourrait ouvrir la voie à l’étude des interactions inter-vortex dans les fluides quantiques de lumière.Un autre aspect des polaritons sont les propriétés quantiques de la lumière qu’ils émettent. Dans la seconde partie de cette thèse, je décris une source améliorée de lumière comprimée en régime de variables continues dans des micropiliers semiconducteurs en régime de couplage fort. En effet, la génération de lumière comprimée et intriquée est un ingrédient crucial pour l’implémentation de protocoles en information quantique. Dans ce contexte, les matériaux semiconducteurs ont un grand potentiel pour la realization d’éléments sur puce opérant au niveau quantique. Ici, un mélange à quatre ondes dégénérées est obtenu en excitant le micro-pilier à incidence normale. Nous observons un comportement bistable et démontrons la génération de lumière comprimée près du point tournant de la courbe de bistabilité. La nature confinée de la géométrie du piller permet d’atteindre un taux de compression bien supérieur que dans les microcavités planaires, grâce aux niveaux d’énergies discrets protégés des excès de bruits. En analysant le bruit dans la lumière émise par les micro-piliers, nous obtenons une réduction du bruit d’intensité mesurée à 20,3%, et estimée à 35,8% après correction des pertes de détection. / Polaritons are bosonic quasiparticles coming from the strong coupling between photons and excitons in a solid-state semiconductor microcavity. Due to their short lifetime and their strong nonlinear interactions, polaritons are an ideal system to study fundamental problems of out-of-equilibrium quantum hydrodynamics as well as more applied problematic in quantum optics, such as the implementation of ultrafast opto-electronic switches or the generation of non-classical states of light.In this thesis the two themes are treated. In the first part of my thesis I will depict several schemes by which we optically inject a controlled angular momentum in a polartion superfluid, in order to observe its nucleation into elementary vortices. The impact of the geometry, disorder, and polariton-polariton nonlinear interactions is studied. We show the conservation of angular momentum in the steady state regime despite the open, out-of-equilibrium nature of the system. In the linear regime, an interference pattern containing phase defects is visible. In the nonlinear(superfluid) regime, the interference disappear and the vortices nucleate as a consequence of the angular momentum conservation. Finally, constraining the geometry we were able to create in a controlled way a stable ring of elementary vortices of the same sign, opening the way to the study of vortex-vortex interactions in quantum fluids of light.A second aspect of polaritons is the quantum properties of their emitted light. In the second part of the manuscript I describe a novel source of continuous-variable squeezed light in pillar-shaped semiconductor microcavities in the strong coupling regime. Indeed, the generation of squeezedand entangled light fields is a crucial ingredient for the implementation of quantum information protocols. In this context, semiconductor materials offer a strong potential for the implementation of on-chip devices operating at the quantum level. Here, degenerate polariton four-wave mixing is obtained by exciting the pillar at normal incidence. We observe a bistable behavior and we demonstrate the generation of squeezing near the turning point of the bistability curve. The confined pillar geometry allows for a larger amount of squeezing than planar microcavities due to the discrete energy levels protected from excess noise. By analyzing the noise of the emitted light we obtain a measured intensity squeezing of 20,3%, inferred to be 35,8% after corrections for losses in the detection setup.

Dans l'Univers local, la distribution de galaxies est bimodale, reflétant la relation existante entre la couleur et la morphologie. <br /> Une question clef en cosmologie observationnelle est de comprendre comment cette dichotomie est apparue au cours de l'histoire de l'Univers. Les relevés de galaxies ont pour but d'isoler des populations de galaxies à différentes époques cosmiques et de suivre leur évolution. Quantifier de manière fiable les morphologies de galaxies lointaines demeure cependant un obstacle majeur.<br /> Dans le visible, les progrès durant les dix dernières années proviennent essentiellement de données acquises par le télescope spatial Hubble (HST) grâce à la haute résolution angulaire délivrée. Au delà de z~1 pourtant, les caméras visibles du HST sondent le flux UV des galaxies ce qui peut biaiser la morphologie estimée vers des types tardifs. De ce point de vue, les observations dans le proche infrarouge au delà de z~1 sont particulièrement importantes puisque la lumière analysée provient d'étoiles évoluées et est donc moins affectée par des épisodes récents de formation stellaire. <br /> Dans cette thèse, on s'interroge sur la possibilité de quantifier les morphologies de galaxies lointaines dans l'infrarouge proche à l'aide de télescopes au sol afin de quantifier les effets de k-correction morphologique.<br /> Dans un premier temps, l'utilisation d'optique adaptative pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique est explorée. On présente l'analyse de 79 galaxies observées avec le système d'optique adaptative NaCo du Very Large Telescope (VLT). Les limites sont obtenues grâce à des simulations exhaustives et des comparaisons avec le télescope spatial. Une première estimation de l'évolution morphologique depuis z~1.2 est obtenue à partir de cet échantillon. La comparaison avec les morphologies obtenues avec le télescope spatial laisse entrevoir des différences mais l'échantillon est trop petit pour extraire des conclusions robustes. Un programme d'observations plus large est proposé.<br /> Dans un deuxième temps, des améliorations aux méthodes classiques non-paramétriques d'estimation morphologique sont proposées (nombre illimité de paramètres simultanés, frontières non linéaires) afin de pouvoir analyser des données observées à travers l'atmosphère. On démontre que ces améliorations permettent une estimation morphologique en deux grands types (elliptique, spirale) avec un taux de réussite de ~80% sur des données limitées par le seeing. Le code source a été mis à disposition de la communauté. <br /> La méthode développée est ensuite employée pour analyser un échantillon de ~50000 galaxies dans l'infrarouge proche. L'évolution morphologique depuis z~2 est obtenue et une quantification des effets de k-correction morphologique est présentée par comparaison avec des données spatiales. On observe une augmentation de la fraction de galaxies elliptiques depuis z~2 (~20%) jusqu'à nos jours (~30%). La classification obtenue est globalement en bon accord avec celle obtenue avec des données spatiales dans le visible jusqu'à z~1. Au delà, la classification infrarouge a tendance à trouver ~1.5 fois plus de galaxies précoces.

La mission Darwin de l'Agence Spatiale Européenne, envisagée à l'horizon 2015, est destinée à l'étude de planètes extrasolaires géantes et telluriques autour d'étoiles proches, pour analyser leurs atmosphères et y détecter d'éventuelles bio-signatures. Le principe proposé pour cette mission est celui de l'interférométrie en frange noire, basée sur le coronographe interférentiel de Bracewell, pour annuler le flux de l'étoile et rendre visible les planètes en orbite autour de celle-ci.<br /><br />Les difficultés technologiques de Darwin exigent, avant une application spatiale, la validation de chaque élément de l'instrument, lors d'expériences préparatoires en laboratoire. Parmi ces difficultés, le déphaseur de Pi, introduit dans l'interféromètre pour annuler le flux de l'étoile, doit être achromatique dans la bande d'observation (6-18 microns). Il existe plusieurs façons de créer ce déphasage achromatique. Cette thèse présente l'étude et le développement de l'une de ces techniques, basée sur des prismes dispersifs, et testée sur le banc SYNAPSE.<br /><br />Après une présentation des enjeux planétologiques et exobiologiques de Darwin, nous introduisons les différentes techniques de déphasage achromatique. Le concept à base de lames dispersives prismatiques est détaillé, ainsi que les étapes de développement du banc SYNAPSE, fonctionnant en proche infrarouge. Nous montrons enfin que ce banc a permis de maintenir un taux de réjection de 4 000 (soit des fuites stellaires de 2,5.10-4) sur l'ensemble de la bande K (2-2,5 microns) durant plusieurs minutes. Ces résultats montrent également que, bien plus que le niveau absolu de réjection, l'enjeu réside dans sa stabilité durant les observations.