Virgo est un interféromètre de Michelson dont les bras contiennent des cavités Fabry-Perot. Il a été construit pour détecter directement les ondes gravitationnelles. Le projet Advanced Virgo est une amélioration majeure de Virgo pour atteindre une sensibilité encore plus élevée avec laquelle la détection des ondes gravitationnelles deviendra probable. On prévoit un système laser mono-fréquence de 175 Watts de puissance optique présentant des stabilités accrues pour le bruit relatif de puissance et pour le bruit de fréquence. Ce travail de thèse a pour objet la réalisation de ce système laser de haute-puissance et de haute-stabilité basée sur l'utilisation d'amplificateurs à fibre combinés de façon cohérente. Des amplificateurs à fibre disponibles dans le commerce sont caractérisés en termes de qualité de faisceau, de bruit de puissance, de bruit de fréquence, de stabilité de pointé du faisceau, et également en terme de stabilité à long terme sur quelques milliers d'heures. On implémente l'interférométrie de Mach-Zehnder pour la combinaison cohérente de faisceaux. Les techniques de caractérisation de faisceaux laser sont aussi développées en considérant leurs limites ultimes. Hormis un déficit de puissance optique, le système laser développé dans cette étude sur la base de la combinaison cohérente de Master Oscillator Fiber Power Amplifiers, remplit les conditions posées par Advanced Virgo. / Virgo is a cavity-enhanced Michelson interferometer built for the direct detection of gravitational waves. The Advanced Virgo project consists of major upgrades to the Virgo gravitational wave detector for an order of magnitude improvement in differential strain sensitivity, one of which is the tenfold increase in injected laser power to 175 Watts. The use of fiber laser amplifiers and their coherent combination are foreseen to deliver the required high-power low-noise beam. In this thesis work, we review the laser requirements for gravitational wave detectors, introduce the design of the laser system for Advanced Virgo, and develop the means for laser characterization in accordance with the stringent noise specifications. We then present the results to date, notably the quasi-continuous long-term operation of two 40-Watt fiber laser amplifiers over thousands of hours and their coherent combination with Mach-Zehnder interferometry. Although the targeted power for Advanced Virgo is not yet attained, the developed system shows decent noise performance and is promising for further power-scaling efforts.

Nous avons développé une méthodologie basée sur phénomène de mélange à quatre ondre polarimétrique « Four wave Mixing FWM » et son équivalen résonant la diffusion Raman cohérente anti-Stokes (CARS, Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) polarimétrique et réalisé des mesures sur des systèmes cristallins, simili biologiques : les membranes cellulaires connues sous le nom de « Multilamellar Vesicles MLV » et des échantillons de biologiques : la myeline, et ce, en variant les polarisations des lasers excitateurs, Pompe et Stokes. Le signal anti-Stokes émis est ensuite analysé afin d’en extraire les ordres 2 et 4 de la fonction de distribution angulaire des molécules actives constituant l’échantillon. Pour cela, plusieurs approches sont explorées telles que des algorithmes d’optimisation ou par décomposition en série de fourrier du signal polarimétrique. Ces multiples approches en traitement du signal permettent d’obtenir de manière rapide les coefficients des fonctions de distribution angulaire recherchées, et ainsi d’avoir des informations sur la symétrie des échantillons imagés, allant jusqu’à l’observation d’une symétrie d’ordre 4. La capacité de la microscopie non linéaire résolue en polarisation à sonder des ordres moléculaires est clairement démontrée et ainsi son intérêt dans l’étude de la relation entre la structure et la fonction de systèmes biologiques. / The capacity to quantify molecular orientational order in tissues is of a great interest since pathologies (skin lesion, neurodegenerative diseases, etc) can induce strong modifications in proteins’ organization. While numerous studies have been undertaken using polarization resolved second order nonlinear optical microscopy which is only specific to non-centrosymmetric organizations, higher order effects have been less explored. Four-wave mixing (FWM) microscopy and its resonant counterpart coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) can be of a great utility as label free diagnosis tools benefiting from less constraining symmetry rules. In this work, we implement incident polarizations tuning in FWM and CARS microscopy to probe molecular order, using a generic method to read-out symmetry information.Fourier analysis of the polarization-resolved FWM/CARS signal processed with an analytical model provides a fast and direct determination of the symmetry orders of the distribution function of the probed molecules. This method does not require a priori knowledge of the organization structure and provides quantitatively its second and fourth order symmetries. We applied this technique on different systems, from crystalline to less organized (multilamellar vesicles and proteins aggregates). We show that this new approach brings additional and more refined information on supra-molecular structures in complex media.

L'objectif de ce mémoire est dedévelopper de nouvelles méthodes d'imageriesans lentille en simple tir 2D et 3D avec dessources harmoniques XUV. Un intérêt particulierest porté aux techniques d'imageries permettantl'imagerie des objets biologiques et de phase.Dans un premier temps, on introduit la théorie del'imagerie dans lentille et on détaille lesméthodes utilisées au cours de cette thèse pourreconstruire le champ diffracté par l'objet quel'on souhaite imager. Les techniques d'imageriessont séparées en deux catégories : itératifs etholographiques. On discute des conditionsexpérimentales nécessaires à la reconstruction del'image de l'objet et on compare les avantagesrespectifs des deux types de méthodes. Puis, ondétaille les aspects expérimentaux du faisceauXUV obtenu par HHG et on couvre brièvementla théorie associée à ce processus. La sectionsuivante traite des paramètres et des techniquesde traitement des données influant sur la qualitéde l'image reconstruite en imagerie sans lentille.On montre comment améliorer lesreconstructions HERALDO dans un régime defaible flux de photons. On présente ensuite lesrésultats d'une technique de caractérisationcomplète de la cohérence spatiale d’un faisceauXUV en simple tir. Cette dernière est unparamètre critique de l'imagerie sans lentille. Al'aide d'un tableau non redondant de référencesponctuelles, on mesure la cohérence spatialepour chaque distance entre les références, sansaucune mesure du profil spatial du faisceau. Onmontre que la distribution de la cohérence estgaussienne et que son diamètre dépend desconditions de génération du faisceauharmonique. On étudie aussi quantitativementcomment l'accumulation de plusieurs tirs dediffraction diminue la cohérence apparente dufaisceau. Une expérience d'imagerie d'objets dephase avec une source harmonique pouvant êtreappliquée à des objets biologiques est ensuiteprésentée.A notre connaissance c'est la premièrereconstruction par méthode CDI d'objets dephase avec une source harmonique. La suite dumanuscrit présente les résultats de deuxexpériences visant à réaliser de l'imagerie 3D àl'échelle nanométrique avec une sourceharmonique. Tout d’abord, on présente unetechnique d'imagerie 3D simple tir. C'est lapremière expérience permettant unereconstruction 3D à partir d'une seuleacquisition, avec une résolution spatialenanométrique et une résolution temporellefemtoseconde, sans utiliser de connaissances apriori sur l'objet étudié. Cette technique possèdeun vaste spectre d'application, particulièrementpour l'étude structurelle d'échantillonsbiologiques sensibles aux dégâts d'irradiation.De plus, cette technique peut être facilementapplicable à des FELs et des synchrontrons pourobtenir de meilleures résolutions. La deuxièmeexpérience d'imagerie 3D est une preuve deconcept validant la faisabilité de lacryptomographie avec une source harmonique.Pour reconstruire le volume 3D de l'échantillon,la cryptotomographie utilise des figures dediffraction qui sont acquises pour desorientations de l'échantillon inconnues. Lerégime de faible flux dans lequel on se place nouspermet de simuler les paramètres d'une sourceharmonique fonctionnant dans la fenêtre de l'eau.On conclut que, le niveau du signal de diffractionest suffisant pour pouvoir identifier l'orientationde l'objet à partir des figures de diffractionenregistrées, dans des conditions expérimentalesoptimisées. Ainsi, avec suffisamment de figuresde diffraction enregistrées et assez d'orientationsde l'objet, on peut reconstruire le volume 3D del'objet. Ces résultats impliquent qu'uneexpérience de cryptotomographie d'objetsbiologiques avec une source harmoniquefonctionnant dans la fenêtre de l'eau seraitréalisable. / The aim of this dissertation is todevelop new lensless single shot imagingtechnique in 2D and 3D with XUV harmonicsources which can be applied to study biologicalobjects and phase objects. Firstly, we introducethe theory underlying lensless imagingtechniques and we describe the methods usedduring this thesis to reconstruct the light fielddiffracted by the studied object. The imagingtechniques are split in two categories: iterativeand holographic. The iterative methodsreconstruct the phase of the diffracted wavefront using constraints in the Fourier space andthe reel space. With the holographic techniques,the phase is encoded directly in the interferencefringes between the reference and the objectwithin the diffraction pattern. We discuss theexperimental parameters required to achieve animage reconstruction and we compare therespective advantages of the two types ofmethod. Then, we describe the experimentalparameters of the XUV beam produced by highharmonic generation (HHG) and we brieflyexplain the theory of the HHG. The next sectiondiscusses the parameters the quality of thereconstructed image. We show how to improvethe resolution and the signal to noise ratio usingthe HERALDO technique in the low fluxregime.We then show the result of a new technique forthe single shot characterization of the spatialcoherence of XUV beams. Indeed, the spatialcoherence is a critical parameter for coherentdiffractive imaging techniques. Using a NRA ofreference holes, we measure the spatialcoherence for each distance between each pairof holes, without the knowledge of the intensitydistribution on the sample. We show that thespatial coherence has a gaussian distribution andthat its diameter varies according to thegeneration parameters of the harmonic beam.We also study quantitatively the effect of multishotsaccumulation of the diffraction pattern onthe apparent coherence of the beam. We alsoshow the result of phase object imaging usingcoherent diffractive imaging with a harmonicsource. To our knowledge, this if the first timesuch result has been achieved. The rest of thedissertation present new lensless imaging 3Dtechniques using harmonic sources. The first ofthe last two experiments shown is a lenslesssingle shot stereo 3D technique. It is the first oneallowing a 3D reconstruction from a singleacquisition, with a nanometer spatial resolutionand a femtosecond temporal resolution, withoutusing \textit{a priori} knowledge of the samplestudied. This method has a vast spectrum ofapplication and is particularly interesting for thestructural study of biological sample sensitive toradiation damage and for the study of nonreversibledynamical phenomena in 3D.Furthermore, this can easily be implemented inFELs and synchrotrons to reach even betterspatial resolution. The second 3D experimentshown in this thesis is a proof of concept ofcryptotomography using a high harmonic sourcein a low flux regime. To reconstruct the 3Dvolume of the sample, cryptotomographie usesdiffraction pattern acquired for unknown sampleorientations and therefore non-classified. Thelow flux regime used here simulate the flux of aharmonic source generated in the water window.We conclude from this experiment that, with theproper experimental conditions, the diffractionsignal is sufficient to allow the classification byorientation of the diffraction patterns. Withenough diffraction pattern and angles of thesample recorded, we can achieve a 3Dreconstruction of the sample. This result impliesthat the cryptotomography of biological objectsusing a water window harmonic source ispossible.

L’étude expérimentale des processus physico-chimiques de la combustion nécessite de disposer de diagnostics non-intrusifs. Le présent manuscrit reporte le développement du diagnostic laser de mesure de température DRASC (Diffusion Raman anti-Stokes Cohérente) en régime d’impulsions laser femtoseconde pour lequel la configuration à sonde à dérive de fréquence (CPP) a permis d’effectuer des mesures instantanées de température à 1kHz. Un travail à la fois théorique, numérique et expérimental a permis d’extraire la température des spectres DRASC instantanés acquis dans des mélanges air/argon (300-600K) et en flamme prémélangée CH4/Air avec une précision de l’ordre de 1% à 2100 K. La validité de ces résultats est obtenues par des confrontations numérique/expérimental pour différentes grandeurs d’influence. Cette étude permettra dans un proche futur d’appliquer le diagnostic DRASC fs CPP dans des flammes turbulentes représentatives d’écoulements réels observés en combustion aéronautique. / The experimental study of the physico-chemical processes of combustion requires the use of non-intrusive diagnostics. This manuscript reports the development of the CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering)) laser diagnostic in the femtosecond pulse regime for which the Chirped Pulse Probe (CPP) configuration enabled instantaneous measurements of temperature at 1kHz. A theoretical, numerical and experimental study allowed highlighting the possibility to measure temperature from the data processing of instantaneous DRASC spectra acquired in air/argon mixtures (300-600K) and in premixed flame CH4/Air with an accuracy of 1% at 2100 K. Validity of these results was obtained from numerical/experimental confrontations for different scalar parameters configurations. This study would enable in the near future the application of the CPP fs CARS diagnostic in turbulent flames representative of real flows observed in aeronautical combustion.

Des sources des rayons XUV (1-100 nm) sont des outils extraordinaires pour sonder la dynamique à l’échelle nanométrique avec une résolution femto- voire attoseconde. La génération d’harmoniques d’ordre élevé (GH) est une des sources majeures dans ce domaine d’application. La GH est un processus dans lequel une impulsion laser infrarouge femtoseconde est convertie, de manière cohérente, en fréquences élevées dans le domaine EUV par interaction hautement non-linéaire dans un atome, une molécule et plus récemment, dans un cristal. La GH possède une excellente cohérence spatiale qui a permis de réaliser des démonstrations impressionnantes en imagerie sans lentille. Pour accroître le potentiel de ces sources, des défis sont à relever : leur brillance et énergie de photon maximum doivent augmenter et les techniques d’imagerie sans lentille doivent être modifiées pour être compatibles avec l’importante largeur spectrale des impulsions attosecondes émise par ces sources. Cette thèse présente une nouvelle approche dans laquelle des figures de diffraction large bande, i.e. potentiellement attosecondes, sont rendues monochromatiques numériquement. Cette méthode est basée uniquement sur la mesure du spectre de la source et la supposition d’un échantillon spatialement non-dispersif. Cette approche a été validée tout d’abord dans le visible, à partir d’un supercontinuum. L’échantillon binaire est reconstruit par recouvrement de phase pour une largeur spectrale de 11 %, là où les algorithmes usuels divergent. Les simulations numériques montrent aussi que la méthode de monochromatisation peut être appliquée au domaine des rayons X, avec comme exemple un masque semi-conducteur utilisé en de lithographie EUV. Bien que la brillance « cohérente » de la source actuelle (qui progresse) reste insuffisante, une application sur l’inspection de masques sur source Compton est proposée. Dans une extension de ces simulations un masque de lithographie étendu est reconstruit par ptychographie, démontrant la versatilité à d’autres techniques d’imagerie sans lentille. Nous avons également entamé une série d’expérience dans le domaine des X-durs sur source synchrotron. Les figures de diffraction après monochromatisation numérique semblent prometteuses mais l’analyse des données demandent des efforts supplémentaires. Une partie importante de cette thèse est dédiée à l’extension des sources harmoniques à des brillances et énergies de photon plus élevées. Ce travail exploratoire permettrait la réalisation d’une source harmonique compacte pompée par un laser OPCPA dans le moyen infrarouge à très fort taux de répétition. Les longueurs d’onde moyen infrarouge (3.1 μm dans ce travail de thèse) sont favorables à l’extension des énergies des photons au keV et aux impulsions attosecondes. Le but est de pouvoir couvrir les seuils d’absorption X et d’améliorer la résolution spatio-temporelle. Cependant, deux facteurs rendent cette démonstration difficile: le nombre de photons par impulsion de la source OPCPA est très limité et la réponse du dipôle harmonique à grande longueur est extrêmement faible. Pour relever ces défis plusieurs configurations expérimentales sont explorées : génération dans un jet de gaz ; génération dans une cellule de gaz ; compression solitonique et la génération d’harmoniques combinées dans une fibre à cristal photonique ; compression solitonique dans une fibre à cristal photonique et génération d’harmoniques dans une cellule de gaz. Les premiers résultats expérimentaux sur la compression solitonique jusqu’à 26 femtosecondes et des harmoniques basses jusqu’à l’ordre sept sont présentésEn résumé, ces résultats représentent une avancée vers l’imagerie nanométrique attoseconde sans lentille basée sur des algorithmes « large bande » innovants et une extension des capacités de nouvelles sources harmoniques ‘table-top’ au keV pompées par laser OPCPA. / Soft X-ray sources based on high harmonic generation are up to now unique tools to probe dynamics in matter on femto- to attosecond timescales. High harmonic generation is a process in which an intense femtosecond laser pulse is frequency upconverted to the UV and soft X-ray region through a highly nonlinear interaction in a gas. Thanks to their excellent spatial coherence, they can be used for lensless imaging, which has already led to impressive results. To use these sources to the fullest of their potential, a number of challenges needs to be met: their brightness and maximum photon energy need to be increased and the lensless imaging techniques need to be modified to cope with the large bandwidth of these sources. For the latter, a novel approach is presented, in which broadband diffraction patterns are rendered monochromatic through a numerical treatment based solely on the spectrum and the assumption of a spatially non-dispersive sample. This approach is validated through a broadband lensless imaging experiment on a supercontinuum source in the visible, in which a binary sample was properly reconstructed through phase retrieval for a source bandwidth of 11 %. Through simulations, the numerical monochromatization method is shown to work for hard X-rays as well, with a simplified semiconductor lithography mask as sample. A potential application of lithography mask inspection on an inverse Compton scattering source is proposed, although the conclusion of the analysis is that the current source lacks brightness for the proposal to be realistic. Simulations with sufficient brightness show that the sample is well reconstructed up to 10 % spectral bandwidth at 8 keV. In an extension of these simulations, an extended lithography mask sample is reconstructed through ptychography, showing that the monochromatization method can be applied in combination with different lensless imaging techniques. Through two synchrotron experiments an experimental validation with hard X-rays was attempted, of which the resulting diffraction patterns after numerical monochromatization look promising. The phase retrieval process and data treatment however require additional efforts.An important part of the thesis is dedicated to the extension of high harmonic sources to higher photon energies and increased brightness. This exploratory work is performed towards the realization of a compact high harmonic source on a high repetition rate mid-IR OPCPA laser system, which sustains higher average power and longer wavelengths compared to ubiquitous Ti:Sapphire laser systems. High repetition rates are desirable for numerous applications involving the study of rare events. The use of mid-IR wavelengths (3.1 μm in this work) promises extension of the generated photon energies to the kilo-electronvolt level, allowing shorter pulses, covering more X-ray absorption edges and improving the attainable spatial resolution for imaging. However, high repetition rates come with low pulse energies, which constrains the generation process. The generation with longer wavelengths is challenging due to the significantly lower dipole response of the gas. To cope with these challenges a number of experimental configurations is explored theoretically and experimentally: free-focusing in a gas-jet; free-focusing in a gas cell; soliton compression and high harmonic generation combined in a photonic crystal fiber; separated soliton compression in a photonic crystal fiber and high harmonic generation in a gas cell. First results on soliton compression down to 26 fs and lower harmonics up to the seventh order are presented.Together, these results represent a step towards ultrafast lensless X-ray imaging on table-top sources and towards an extension of the capabilities of these sources.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’une source laser TW, de cadence élevée, stabilisée en phase, et délivrant des impulsions de quelques cycles optiques pour explorer la physique attoseconde. De telles impulsions contiennent seulement quelques oscillations de l’onde porteuse (durée de 5 fs à une longueur d’onde centrale de 800 nm) et ne sont pas directement disponibles à la sortie d’une source laser femtoseconde classique. Une technique de post-compression efficace pour obtenir de telles impulsions consiste à élargir le spectre des impulsions laser par automodulation de phase dans une fibre creuse remplie de gaz, puis à compenser la phase spectrale introduite avec des miroirs chirpés. Cette technique convient à des impulsions dont l’énergie est inférieure au millijoule. Au-delà, la transmission et la stabilité du compresseur chutent fortement à cause d'effets non linéaires tels que l'autofocalisation et l'ionisation. Pour comprimer des impulsions énergétiques et dont la phase de l’enveloppe est stabilisée par rapport à la porteuse (stabilisation de la CEP), il est possible de diviser l'impulsion initiale en plusieurs répliques d'énergie moindre et de réduire ainsi l'intensité crête en entrée de fibre. Le spectre de chaque réplique est alors élargi indépendamment. Dans le cadre de cette thèse, la combinaison cohérente passive d'impulsions de quelques cycles optiques issues d'une fibre creuse remplie de gaz est démontrée pour la première fois. L'utilisation de lames biréfringentes (calcite) dont l’orientation est soigneusement déterminée permet de générer et combiner des répliques avec une efficacité élevée. Ainsi, dans le cas d’une division en deux répliques, des impulsions stabilisées en phase (CEP), de durée 6 fs et d'énergie 0.6 mJ ont été générées de manière fiable et reproductible. L’étude détaillée de cette technique, aussi bien théorique qu’expérimentale, a permis de mettre en évidence les conditions requises pour générer des impulsions de quelques cycles optiques et présentant un bon contraste temporel. Plus précisément, la phase spectrale relative entre les répliques peut être mesurée à l'aide d'une méthode interférométrique permettant de quantifier les déphasages résiduels dus à la lame qui recombine les répliques, ainsi que ceux induits lors de la propagation dans la fibre par d'éventuels effets de modulation de phase croisée ou d'ionisation. Les effets qui affectent le processus de combinaison des répliques, tels que les modifications des états de polarisation des répliques ou bien les interactions non linéaires entre les répliques, sont analysés en détail. Une méthode est proposée pour minimiser ces effets, même dans le cas plus critique de la division et combinaison d'impulsions à quatre répliques. / The framework of this thesis is the design and development of a TW-class, high-repetition rate, CEP-stabilized, few-cycle laser system devoted to attosecond physics. Few-cycle pulses includes only a few oscillations of the carrier wave (duration about 5 fs for 800nm central wavelength) and are not directly available at the output of typical femtosecond sources. One of the most popular techniques used for producing such pulses with high spatial quality is nonlinear spectral broadening in a gas-filled hollow-core fiber followed by temporal compression with chirped mirrors. However, as the input pulse energy approaches the milliJoule level, both the transmission and stability of hollow fiber compressors rapidly drop with the onset of self-focusing and ionization. A way of overcoming this limitation is to divide the input pulse into several lower energy replicas that can be subsequently recombined after independent spectral broadening in the fiber. In this thesis, the passive coherent combining of millijoule energy laser pulses down to few-cycle duration in a gas-filled hollow fiber is demonstrated for the first time. High combining efficiency is achieved by using carefully oriented calcite plates for temporal pulse division and recombination. Carrier-envelope phase (CEP)- stable, 6-fs, 800-nm pulses with more than 0.6 mJ energy were routinely generated in the case of twofold division and recombination. A detailed theoretical and experimental analysis of this temporal multiplexing technique is proposed to explain the conditions required for producing few-cycle pulses with high fidelity. In particular, an interferometric method for measuring the relative spectral phase between two replicas is demonstrated. This gives a measure of the phase mismatch in the combining plate, as well as that induced by eventual cross-phase modulation or ionization during propagation in the fiber. The effects degrading the combining process, as polarization change or nonlinear interactions between pulse replicas are analyzed in details. A method is proposed to overcome these limitations, even in the critical case of fourfold pulse division and combination.

Les réseaux optiques à très haut-débit sont à la base des technologies de l’information d’aujourd’hui et le sujet d’intenses recherches. Alors que l’innovation permet de rendre les transpondeurs flexibles et versatiles, les réseaux de transmission par fibres optiques sont encore configurés manuellement et surtout rarement modifiés au cours de la vie du réseau. Un des points bloquants pour aller vers la reconfiguration et l’automatisation des réseaux optiques est le besoin de prédiction de la performance de tous les liens du réseau de façon précise et rapide. Cependant, la prédiction est rendue plus complexe par la diversité du type de fibres optiques déployées et les régimes de propagation utilisés.Au cours de mes travaux, j’ai étudié expérimentalement les distorsions du signal provenant des effets non-linéaires de type Kerr, accumulées sur des centaines de kilomètres de fibres optiques. Au travers d’expériences spécifiques et contrôlées, j’ai mesuré et mis en évidence les propriétés fondamentales des distorsions non-linéaires. Ces analyses m’ont permis de concevoir l’estimateur d’un modèle de performance destiné à des liens optiques hétérogènes, qui s’applique pour différents types de fibre et différents régimes de propagation.La flexibilité des transpondeurs associés à un estimateur de performance permettront de concevoir, d’optimiser et d’adapter de façon dynamique les canaux en fonction de la demande et de la topologie du réseau, ainsi que de calculer la protection et la restauration des chemins. / Nowadays, high-speed fiber-optic communication networks are the basis of information technology and the subject of intense research. Innovation enables transponders to be flexible and versatile, but fiber optical networks are still configured manually and especially almost never tuned during the life of the network. One of the blocking points toward reconfigurable and automated optical networks is the need of performance prediction for any link of the network in an accurate and fast way. However, the prediction is made even more complex by the diversity of deployed optical fiber types and propagation regimes.During my work, I addressed experimentally the signal distortions coming from nonlinear Kerr effects accumulated on hundreds of kilometers of optical fibers. Based on specific and controlled experiments, I have measured and highlighted the properties of the nonlinear distortions. These analyses allowed me to design a performance model estimator that can be applied to heterogeneous optical links with various optical fiber types and propagation regimes.The flexibility of transponders associated with a performance estimator will optimize and tune the channels dynamically depending on the load and the topology of the network, as well as compute the protection and restoration links.

Les travaux effectués au cours de cette thèse ont pour trait commun l'observation dans l'espace des vitesses de phénomènes liés à la diffusion et à la localisation d'ondes de matière en milieu désordonné. Nous commençons par introduire les deux domaines à la croisée desquels cette thèse s'inscrit. Nous abordons en premier lieu la physique du désordre et de la propagation en milieu complexe en décrivant de façon générale les phénomènes de diffusion et de localisation tels que la rétro-diffusion cohérente ou la localisation d'Anderson. En second lieu, nous développons l'aspect expérimental de ces travaux au travers de l'outil au cœur des recherches de notre équipe : les atomes froids, manipulés et contrôlés dans le but de créer une onde de matière cohérente analogue à une onde plane. L'optique étant une facette primordiale de nos travaux, nous proposons par la suite une étude complète du système expérimental à l'origine de notre milieu désordonné, appelé champ de tavelures (ou speckle en anglais). Ces étapes préliminaires nous permettent ainsi d'introduire les recherches effectuées par notre équipe. Un paramètre élémentaire de la diffusion, le temps élastique de diffusion, est mesuré expérimentalement de façon détaillée, pour un champ de tavelures attractif et répulsif. Un phénomène de localisation faible visible dans l'espace des vitesses, la rétro-diffusion cohérente, observée pour la première fois avec des atomes froids, est ensuite présenté. Son prolongement, la résurgence de rétro-diffusion cohérente, étudiée par notre équipe, est basée sur la manipulation d'une propriété primordiale pour la propagation cohérente en milieu désordonné : la symétrie par renversement du temps. Enfin, nous proposons une étude préliminaire d'un marqueur inédit dans l'espace des vitesses de la localisation d'Anderson : la diffusion cohérente avant. / The work presented in this thesis is linked to the observation in momentum space of diffusion and localization phenomena using matter waves in optical disorder. We start by a general introduction on disorder physics and propagation in complex media by describing diffusion and localization phenomena such as the coherent backscattering or the Anderson localization. Then, we develop the experimental aspect of our work which is related to ultra-cold atoms, manipulated and controlled in order to create a coherent matter-wave analogous to a plane wave. Optics is an essential aspect of our work, that is why we present a complete experimental study of the system of creation of our disorder, called speckle field. These preliminary steps allow us to describe the research done by our team. An elementary parameter of diffusion, the elastic scattering time has been experimentally measured for an attractive and a repulsive speckle field. A weak localization phenomenon visible in momentum space, the coherent backscattering, observed for the first time with ultra-cold atoms, is then presented. The consequent study of the resurgence of coherent backscattering, done by our team, is based on the manipulation of an essential property for coherent propagation in disorder: the time reversal symmetry. Finally, we present a preliminary study of a novel signature in momentum space of the Anderson localization called coherent forward-scattering.

L'évolution libre des fluides géostrophiques turbulents bidimensionnels fait apparaitre des tourbillons présentant une grande cohérence spatio-temporelle. Les écoulements atmosphériques tridimensionnels présentent également ce genre de structures cohérentes, notamment dans les champs de tourbillon potentiel. Certains aspects de la cyclogenèse semblent gouvernés, ou très sensibles, à la position et à l'intensité de ces anomalies. Les images des satellites géostationnaires permettent par ailleurs de visualiser les signatures de ces phénomènes, appelées intrusions sèches. Une première partie du travail adapte des outils de traitement d'image à la détection et au suivi des intrusions sèches sur les images vapeur d'eau. On utilise une approche basée sur des multi-seuillages et le suivi automatisé de structures (logiciel RDT). Le développement de caractéristiques supplémentaires s'avère nécessaire afin de sélectionner les intrusions associées à des événements dynamiques importants. L'une d'entre elles utilise l'information sur le courant-jet à partir de vents d'altitude de l'ébauche. Un deuxième volet s'applique à dégager une méthodologie de correction des structures en tourbillon potentiel à partir de ces informations. L'assimilation de données conventionnelle ne permet pas d'initialiser spécifiquement les structures. Nous décrivons les méthodes alternatives et étudions les possibilités, et limitations, d'une méthodologie basée sur l'assimilation de pseudo-observations. Cela débouche en particulier sur une version renouvelée de la relation entre vapeur d'eau et tourbillon potentiel. Les outils développés sont appliqués à la prévision de la tempête des Landes (2006). L'utilisation de données de concentration d'ozone est finalement évoquée comme une méthode alternative d'initialisation du tourbillon potentiel à la tropopause

Dans cette thèse, des algorithmes à faible complexité et des architectures parallèles et efficaces sont explorés pour les systèmes CO-OFDM. Tout d'abord, des algorithmes de faible complexité pour la synchronisation et l'estimation du décalage en fréquence en présence d'un canal dispersif sont étudiés. Un nouvel algorithme de synchronisation temporelle à faible complexité qui peut résister à grande quantité de retard dispersif est proposé et comparé par rapport aux propositions antérieures. Ensuite, le problème de la réalisation d'une architecture parallèle à faible coût est étudié et une architecture parallèle générique et évolutive qui peut être utilisée pour réaliser tout type d'algorithme d'auto-corrélation est proposé. Cette architecture est ensuite étendue pour gérer plusieurs échantillons issus du convertisseur analogique/numérique (ADC) en parallèle et fournir une sortie qui suive la fréquence des ADC. L'évolutivité de l'architecture pour un nombre plus élevé de sorties en parallèle et les différents types d'algorithmes d'auto-corrélation sont explorés. Une approche d'adéquation algorithme-architecture est ensuite appliquée à l'ensemble de la chaîne de l'émetteur-récepteur CO-OFDM. Du côté de l'émetteur, un algorithme IFFT à radix-22 est choisi pour et une architecture parallèle Multipath Delay Commutator (MDC). Feed-forward (FF) est choisie car elle consomme moins de ressources par rapport aux architectures MDC-FF en radix-2/4. Au niveau du récepteur, un algorithme efficace pour l'estimation du Integer CFO est adopté et implémenté de façon optimisée sans l'utilisation de multiplicateurs complexes. Une réduction de la complexité matérielle est obtenue grâce à la conception d'architectures efficaces pour la synchronisation temporelle, la FFT et l'estimation du CFO. Une exploration du compromis entre la précision des calculs en virgule fixe et la complexité du matériel est réalisée pour la chaîne complète de l'émetteur- récepteur, de façon à trouver des points de fonctionnement qui n'affectent pas le taux d'erreur binaire (TEB) de manière significative. Les algorithmes proposés sont validés à l'aide d'une part d'expériences off-line en utilisant un générateur AWG (arbitrary wave- form generator) à l'émetteur et un oscilloscope numérique à mémoire (DSO) en sortie de la détection cohérente au récepteur, et d'autre part un émetteur-récepteur temps-réel basé sur des plateformes FPGA et des convertisseurs numériques. Le TEB est utilisé pour montrer la validité du système intégré et en donner les performances. / In this thesis, low-complexity algorithms and architectures for CO-OFDM systems are explored. First, low-complexity algorithms for estimation of timing and carrier frequency offset (CFO) in dispersive channel are studied. A novel low-complexity timing synchro- nization algorithm, which can withstand large amount of dispersive delay, is proposed and compared with previous proposals. Then, the problem of realization of low-complexity parallel architecture is studied. A generalized scalable parallel architecture, which can be used to realize any auto-correlation algorithm, is proposed. It is then extended to handle multiple parallel samples from ADC and provide outputs, which can match the input ADC rate. The scalability of the architecture for higher number of parallel outputs and different kinds of auto-correlation algorithms is explored. An algorithm-architecture approach is then applied to the entire CO-OFDM transceiver chain. At the transmitter side, radix-22 algorithm for IFFT is chosen and parallel Mul- tipath Delay Commutator (MDC) Feed-forward (FF) architecture is designed which con- sumes lesser resources compared to MDC FF architectures of radix-2/4. At the receiver side, efficient algorithm for Integer CFO estimation is adopted and efficiently realized with- out the use of complex multipliers. Reduction in complexity is achieved due to efficient architectures for timing synchronization, FFT and Integer CFO estimation. Fixed-point analysis for the entire transceiver chain is done to find fixed-point sensitive blocks, which affect bit error rate (BER) significantly. The algorithms proposed are validated using opti- cal experiments by the help of arbitrary waveform generator (AWG) at the transmitter and digital storage oscilloscope (DSO) and Matlab at the receiver. BER plots are used to show the validity of the system built. Hardware implementation of the proposed synchronization algorithm is validated using real-time FPGA platform.