Thèses (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2001. / Titre de l'écran-titre (visionné le 17 juillet 2006). Publié aussi en version papier.

Le silicium est le fondement de la microélectronique, pour laquelle des milliards de dollars et des décennies de recherche ont été consacrés au développement de l'industrie de la fabrication. Après avoir surmonté un certain nombre d'obstacles techniques difficiles, cette technologie a atteint une maturité, une rentabilité et un processus robuste. La photonique à base de silicium a récemment fait l'objet d'une grande attention en raison de la demande mondiale croissante de données issues des télécommunications. Le silicium, matériau transparent dans les spectres du proche et du moyen infrarouge, permet de concevoir des circuits optiques basés sur cette plate-forme. Tirant parti de l'infrastructure et de l'expertise de la fabrication microélectronique moderne, la photonique de silicium offre de nombreux avantages attrayants en réduisant la taille, la consommation d'énergie et le coût de fabrication, ainsi qu'un grand potentiel de production de masse. Les progrès récents de la photonique de silicium ont permis aux concepteurs d'avoir accès à des librairies de blocs de construction passifs et actifs tels que des multiplexeurs, des résonateurs en anneau, des modulateurs, des photodétecteurs, etc. Ces avancées ont incité les chercheurs à exploiter cette plateforme dans divers domaines allant de la détection à la médecine. L'un des défis de la recherche sur la photonique du silicium est de développer une source de lumière et un amplificateur compatible avec le silicium en raison des bandes interdites indirectes du silicium et du germanium. Plusieurs solutions sont actuellement à l'étude pour fournir des sources de lumière sur puce, qui sont réalisées comme suit : lasers à commande électrique par manipulation de la bande interdite et méthodes de co-intégration ou lasers à commande optique par co-intégration de matériaux de gain, dopage d'un matériau de revêtement avec des ions de terres rares, ou utilisation d'effets non linéaires pour convertir la fréquence. La manipulation de la bande interdite implique l'ingénierie de la bande interdite des matériaux du groupe IV avec des souches ou des alliages pour améliorer l'émission directe de la bande interdite. Les techniques de co-intégration comprennent la croissance épitaxiale hétérogène ou le collage de matériaux du groupe III-V sur le guide d'ondes en silicium pour concevoir un laser ou tirer parti de caractéristiques à gain élevé. Le dopage d'une gaine de verre avec des éléments de terres rares comme le thulium, l'holmium, l'erbium avec des guides d'ondes spécialement conçus pour former une cavité laser a également été proposé comme solution. La conversion de fréquence par des effets non linéaires dans les guides d'ondes en silicium est une autre approche de la génération de lumière sur puce qui peut être réalisée sans aucun post-traitement des puces en silicium sur isolant (SOI). Par exemple, dans le silicium, la non-linéarité du troisième ordre permet la génération de peignes, la génération de supercontinuum, l'oscillation paramétrique optique et l'émission Raman. Parmi celles-ci, la diffusion Raman-Stokes stimulée (SRSS) peut être avantageusement utilisée pour la conversion et l'amplification des longueurs d'onde, car elle ne nécessite pas d'ingénierie de dispersion. Le gain Raman du silicium a donc été exploité dans la conception de divers lasers et amplificateurs sur puce. Les lasers et amplificateurs Raman sur puce utilisent des conceptions simples et ont jusqu'à présent été réalisés principalement avec des tranches de silicium relativement épaisses. Dans ce travail, nous profitons du gain Raman pour étudier, modéliser, concevoir et démontrer expérimentalement un laser et un amplificateur Raman. Nos recherches s'appuient sur une fonderie à accès libre offrant des plaquettes SOI standard avec une épaisseur de silicium de 220 nm. Dans notre première contribution, nous présentons un modèle complet pour un laser Raman CW dans une plateforme SOI. Nous concevons ensuite un laser Raman de 2,232 μm avec une cavité résonante en anneau sur puce. Les valeurs optimisées pour la longueur de la cavité et les rapports de couplage de puissance sont déterminés par la simulation numérique des performances du laser en tenant compte des variations de fabrication. Enfin, en concevant un coupleur directionnel (DC) accordable pour la cavité laser, une conception robuste du laser Raman est présentée. Nous montrons que la réduction des pertes de propagation et l'élimination des porteurs libres, par l'utilisation d'une jonction p-i-n, amélioreront de manière significative les performances du laser Raman en termes de réduction de la puissance de seuil et d'augmentation de l'efficacité de la pente. Dans notre deuxième contribution, nous démontrons un laser Raman accordable de haute performance qui convertit la gamme de longueur d'onde de pompe de 1530 nm - 1600 nm à la gamme de signal de 1662 nm- 1745 nm avec une puissance de sortie moyenne de 3 mW à ~50 mW de puissance de pompe avec un seul dispositif. La caractéristique principale de ce laser est l'utilisation d'un mécanisme de couplage accordable pour ajuster les coefficients de couplage de la pompe et du signal dans la cavité en anneau et compenser les erreurs de fabrication. Nos résultats sont très prometteurs pour l'augmentation substantielle des ressources spectrales optiques disponibles sur une puce de silicium. Nous démontrons également, pour la première fois, un laser Raman dans l'infrarouge moyen générant un signal à 2,231 μm avec une pompe à 2 μm et étudions les défis d'obtenir une émission cette bande. Notre dernière contribution est dédiée à l'amplificateur Raman, nous discutons et validons expérimentalement l'importance de considérer le gain Raman non-réciproque en utilisant une pompe et une sonde contre-propagatives ou co-propagatives, différentes longueurs d'amplificateur, puissances de pompe d'entrée et valeurs de perte non-linéaire. Nous démontrons un circuit optique sans perte assisté par Raman dans un guide d'ondes de 1,2 cm de longueur qui atteint un gain net nul avec seulement 60 mW de pompage en puissance continue. Nous examinons les pertes non linéaires des guides d'ondes en silicium pour estimer la durée de vie des porteurs libres (FCL), puis nous extrayons le coefficient de gain Raman du guide d'ondes photonique en silicium. Nous utilisons ensuite ces paramètres clés comme entrée d'un modèle d'amplificateur Raman photonique au silicium pour trouver la performance optimale en fonction de l'encombrement et de la puissance de pompage disponibles. / Silicon is the foundation of microelectronics in which billions of dollars and decades of research have been devoted in development of fabrication industry. After overcoming number of difficult technical obstacles, this technology has reached a mature, cost effective and a robust process. Silicon-based photonics have recently witnessed a great deal of attention sparked by a global-growing demand of data from telecommunication. Silicon as transparent material in near- and mid-infrared spectra enables designing optical circuits based on this platform. Leveraging the modern microelectronics manufacturing infrastructure and expertise, silicon photonics offers many appealing advantages in lowering the size, power consumption and fabrication cost beside a great potential to be mass-produced. Recent advances in silicon photonics have enabled designers to have access to libraries of passive and active building blocks such as multiplexers, ring resonators, modulators, photodetectors and etc. Such breakthroughs have attracted researchers to exploit this platform in various fields spanning from sensing to medicine. A challenging aspect in silicon photonics research is to develop a silicon-compatible light source and amplifier due to the indirect band gaps of silicon and germanium. Several solutions are currently proposed to design the on-chip light sources: electrically-driven lasers by band gap manipulation and co-integration methods or optically-driven lasers by gain material co-integration, doping a cladding material with rare earth ions, or using nonlinear effects to convert frequency. Band-gap manipulation implies engineering the group IV materials band gap with strain or alloys to improve the direct band gap emission. Co-integration techniques include heterogeneous epitaxial growth or bonding the group III-V materials on the silicon waveguide to design a laser or take advantage of high-gain features. Doping of a glass cladding with rare earth elements like thulium, holmium, erbium with specially designed waveguides to form a laser cavity has also been proposed as a solution. Frequency conversion through nonlinear effects in silicon waveguides is another approach to on-chip light generation that is possible to achieve without any post processing of silicon on insulator (SOI) chips. For example, in silicon, the third-order nonlinearity enables comb generation, supercontinuum generation, optical parametric oscillation, and Raman emission. Among them, stimulated Raman-Stokes scattering (SRSS) can be advantageously used for wavelength conversion and amplification with ease since it does not require dispersion engineering. The silicon Raman gain has therefore been exploited in designing various on-chip lasers and amplifiers. On-chip Raman lasers and amplifiers use simple designs and have so far been achieved mostly with relatively thick silicon wafers. In this work, we take advantage of Raman gain to comprehensively study, model, design and experimentally demonstrate Raman laser and amplifier. Our investigations rely on open-access foundry offering the standard SOI wafers with silicon thickness of 220 nm. In our first contribution, we present a comprehensive model for a CW Raman laser in SOI platform. We then design a 2.232 µm Raman laser with an on-chip ring resonator cavity. The optimized values for the cavity length and power coupling ratios are determined by numerical simulation of laser performance taking into account fabrication variations. Finally, by designing a tunable directional coupler (DC) for the laser cavity, a robust design of Raman laser is presented. We show the reduction of propagation loss and free carriers removal, by the use of a p-i-n junction, will significantly improve the Raman laser performance in terms of threshold power reduction and increasing the slope efficiency. In our second contribution, we demonstrate a high-performance tunable Raman laser which converts the pump wavelength range of 1530 nm - 1600 nm to the signal range of 1662 nm- 1745 nm with an average output power of 3 mW at ~50 mW pump power with only a single device. The key feature to this laser is the use of a tunable coupling mechanism to adjust both pump and signal coupling coefficients in the ring cavity and compensate the fabrication errors. Our results indicate great promise for substantially increasing the optical spectral resources available on a silicon chip. We also, for the first time, demonstrate a MIR Raman laser generating signal at 2.231 µm with a pump at 2 µm and study the challenges of working in this band. Our last contribution is dedicated to Raman amplifier. We discuss and experimentally validate the importance of considering the non-reciprocal Raman-gain by using counter-propagating or co-propagating pumps and probes, different amplifier lengths, input pump powers and nonlinear loss values. We demonstrate a Raman-assisted loss-less optical circuit in a 1.2-cm-length waveguide that reaches zero net-gain with only 60 mW continuous-wave pumping. We examine the nonlinear loss of silicon waveguides to estimate free carrier lifetime (FCL) then extract the Raman gain coefficient of silicon photonic waveguide. Then, we use these key parameters as input to a silicon photonic Raman amplifier model to find the optimum performance based on the available footprint and pump power.

RESUME Parmi les divers processus permettant l'amplification optique indispensable aux systèmes de télécommunications par fibre, l'effet Raman, basé sur l'échange de puissance entre un signal et un laser de pompe de fréquence supérieure à travers un couplage avec les vibrations moléculaires de la silice, permet d'amplifier à n'importe quelle longueur d'onde avec une grande bande passante. Un des inconvénients majeurs de cette technique est la forte puissance optique nécessaire à sa réalisation qui génère l'apparition de nombreux effets non linéaires potentiellement dommageables pour la bonne transmission du signal. L'interaction des effets Kerr ou de la diffusion Brillouin avec les autres caractéristiques de la propagation dans les fibres peut entraîner une diminution des performances. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons un nouveau processus d'élargissement spectral induit par l'effet Kerr dans les amplificateurs Raman fibrés. Nous avons également mis à jour ce même processus dans les lasers Raman. L'application de ce phénomène à la suppression de la diffusion Brillouin est ensuite démontrée avec succès. La deuxième partie de ce travail démontre comment tirer avantage des effets non linéaires afin de générer des impulsions optiques de haute puissance dans un laser Raman fibré. Enfin, dans la troisième partie, nous proposons et démontrons l'application de deux nouvelles méthodes de caractérisation à la mesure de la distribution des effets Raman et Kerr le long des fibres optiques grâce à une technique de réflectométrie optique cohérente. SUMMARY Among the various processes that allow optical amplification that is required for fiber telecommunication systems, the Raman effect, based on the power exchange between a signal and a pump laser with higher frequency through a coupling with molecular vibrations of silica, enables to amplify at any wavelength with a large bandwidth. One of the major drawbacks of this technique is the high power required to realize it, generating the appearance of numerous nonlinear effects, potentially harmful for the quality transmission. The interplay between Kerr effects or Brillouin scattering and other propagation characteristics of optical fibers can lead to a decrease of the performances. In the first part of this thesis we describe a new broadening mechanism induced by the Kerr effect in Raman fiber amplifiers. This effect was also discovered in Raman fiber lasers. An application of this phenomenon as an efficient way to suppress Brillouin scattering is then successfully demonstrated. The second part of this work demonstrated how to take advantage of optical nonlinearities to generate high peak power pulses with a Raman fiber laser. Finally, in the third part, we propose and demonstrate the application of two new methods to measure the spatial distribution of Raman and Kerr effects along optical fibers thanks to a coherent optical reflectometry technique.

La génération efficace de sources attosecondes requiert l'utilisation de lasers femtosecondes dont les impulsions doivent pouvoir être contrôlées et manipulées afin d'obtenir le meilleur flux possible. L'amplification paramétrique optique (OPA) et la compression des impulsions, à travers une fibre creuse, une cellule de gaz ou des lames de verre minces, sont parmi les moyens le permettant. Ainsi, un étage d'amplification suivant un OPA commercial a été mis en place, permettant de fournir 1.5 mJ à 1.4 µm. Il a aussi été possible de mettre en opération deux solutions simples et peu coûteuses pour comprimer à moins de 20 fs des impulsions de 4.2 mJ dans une cellule d'argon, avec une efficacité de 52% et des impulsions de 0.6 mJ dans une série de lames minces de borosilicate avec une efficacité de 80%. Dans un deuxième temps, une nouvelle technique d'élargissement spectral dans une fibre creuse (HCF) a été développée. Basée sur l'effet Raman dans des gaz moléculaires, elle est particulièrement adaptée aux sources laser ytterbium de haute puissance, permettant une compression à moins de deux cycles optiques, tout en offrant un décalage dans l'infrarouge. Avec une efficacité de transmission de 50% et une efficacité de conversion de photons près de 80%, tout en ne nécessitant pas de miroirs chirpés, elle permet de proposer dans un montage compact et accessible, une solution offrant des perspectives particulièrement intéressantes, autant pour l'accroissement du flux des sources XUV lors de la génération d'harmoniques d'ordres élevés que pour les applications spectroscopiques en chimie et biologie.

Les lasers à fibre sont des sources robustes, efficaces et qui présentent une qualité de faisceau irréprochable. Cependant, la plupart sont généralement limités à certaines bandes spectrales bien définies, coïncidant avec les transitions électroniques des ions de terres rares. Les cavités laser basées sur la conversion Raman sont une alternative intéressante qui permet de générer, avec une combinaison de pompe et de fibre adéquate, un rayonnement laser à n’importe quelle longueur d’onde. Ces sources permettraient notamment de couvrir la plage spectrale entre 2 et 4 m, convoitée pour diverses applications dans le domaine médical, spectroscopique et militaire. Or, les fibres de silice standards, dont l’atténuation croît rapidement aux longueurs d’onde dépassant 2.2 m, ne sont pas adaptées pour cette application. Bien que les fibres de la famille des verres fluorés ou des chalcogénures présentent plusieurs défis techniques, elles répondent beaucoup mieux aux exigences requises. Dans le cadre de notre projet, nous avons fait l’étude de sources laser basées sur la conversion Raman dans une fibre en fluorozirconate et dans une fibre en sulfure d’arsenic (As2S3). Il s’agissait des toutes premières démonstrations expérimentales de cavités Raman dans ces matériaux. Nous avons également développé des programmes de simulation numérique afin d’en faire l’optimisation et d’identifier leurs limites. En premier lieu, des cavités Raman en fluorozirconate émettant autour de 2.2 m et pompées par un laser Tm:silice à 2 m ont été assemblées et perfectionnées. En imbriquant les cavités Raman et de la pompe, de hautes puissances atteignant quelques watts ont pu être mesurées à la sortie. En second lieu, nous avons fait la démonstration de cavités Raman en As2S3 émettant dans l’infrarouge moyen, à 3.34 m. Elles étaient pompées par une source laser Er3+:ZBLAN à 3 m que nous avons également développée dans nos laboratoires. En raison du gain Raman élevé des chalcogénures, nous avons pu monter ces cavités à partir de quelques mètres de fibre seulement. Les résultats obtenus au cours de notre projet sont probants et font des lasers à fibre une option viable pour l’émission de radiations cohérentes à des longueurs d’onde comprises entre 2 et 4 um. / Fiber lasers are robust, reliable and efficient laser sources that also offer an unrivaled beam quality, but most are limited to the specific spectral bands where rare-earth electronic transitions exist. Raman fiber lasers, however, can be operated on virtually any emission wavelength and can be used to bridge the gap between these rare-earth emission bands. Therefore, they could be designed to emit on any wavelength between 2 and 4 m, which would find many applications in the medical, military and spectroscopic fields. Standard silicate fibers cannot be considered for this purpose, due to their limited transparency at wavelengths over 2.2 m. Fluoride and chalcogenide glass fibers are much better suited for this task even though they bring new technical challenges. During our Ph.D. project, Raman lasers based on both fluorozirconate and arsenic trisulphide (As2S3) glass fibers were studied. In fact, we reported the very first experimental Raman cavities based on these materials. First, fluorozirconate Raman cavities emitting around 2.2 m and pumped by a Tm:silica fiber laser were assembled and perfected. Based on an architecture where the Raman and pump laser cavities are nested, we have achieved high output power levels, up to a few watts. We have also demonstrated As2S3 Raman cavities operating directly in the mid-infrared, at 3.34 m. They were pumped by an in-house made erbium doped fluoride fiber laser at 3 m. Due to the high Raman gain of chalcogenide glasses, only a few meters of fiber were required. The behavior of these laser sources was also investigated numerically to find their optimal operating parameters and to identify their limits. The results obtained prove that fiber lasers are well suited for generating a wide range of wavelengths between 2 and 4 um.

La microscopie optique permet de visualiser des échantillons biologiques avec une bonne sensibilité et une résolution spatiale élevée tout en interférant peu avec les échantillons. La microscopie par diffusion Raman cohérente (CARS) est une technique de microscopie non linéaire basée sur l’effet Raman qui a comme avantage de fournir un mécanisme de contraste endogène sensible aux vibrations moléculaires. La microscopie CARS est maintenant une modalité d’imagerie reconnue, en particulier pour les expériences in vivo, car elle élimine la nécessité d’utiliser des agents de contraste exogènes, et donc les problèmes liés à leur distribution, spécificité et caractère invasif. Cependant, il existe encore plusieurs obstacles à l’adoption à grande échelle de la microscopie CARS en biologie et en médecine : le coût et la complexité des systèmes actuels, les difficultés d’utilisation et d’entretient, la rigidité du mécanisme de contraste, la vitesse de syntonisation limitée et le faible nombre de méthodes d’analyse d’image adaptées. Cette thèse de doctorat vise à aller au-delà de certaines des limites actuelles de l’imagerie CARS dans l’espoir que cela encourage son adoption par un public plus large. Tout d’abord, nous avons introduit un nouveau système d’imagerie spectrale CARS ayant une vitesse de syntonisation de longueur d’onde beaucoup plus rapide que les autres techniques similaires. Ce système est basé sur un laser à fibre picoseconde synchronisé qui est à la fois robuste et portable. Il peut accéder à des lignes de vibration Raman sur une plage importante (2700–2950 cm-1) à des taux allant jusqu’à 10 000 points spectrales par seconde. Il est parfaitement adapté pour l’acquisition d’images spectrales dans les tissus épais. En second lieu, nous avons proposé une nouvelle méthode d’analyse d’images pour l’évaluation de la structure de la myéline dans des images de sections longitudinales de moelle épinière. Nous avons introduit un indicateur quantitatif sensible à l’organisation de la myéline et démontré comment il pourrait être utilisé pour étudier certaines pathologies. Enfin, nous avons développé une méthode automatisé pour la segmentation d’axones myélinisés dans des images CARS de coupes transversales de tissu nerveux. Cette méthode a été utilisée pour extraire des informations morphologique des fibres nerveuses dans des images CARS de grande échelle. / Optical-based microscopy techniques can sample biological specimens using many contrast mechanisms providing good sensitivity and high spatial resolution while minimally interfering with the samples. Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy is a nonlinear microscopy technique based on the Raman effect. It shares common characteristics of other optical microscopy modalities with the added benefit of providing an endogenous contrast mechanism sensitive to molecular vibrations. CARS is now recognized as a great imaging modality, especially for in vivo experiments since it eliminates the need for exogenous contrast agents, and hence problems related to the delivery, specificity, and invasiveness of those markers. However, there are still several obstacles preventing the wide-scale adoption of CARS in biology and medicine: cost and complexity of current systems as well as difficulty to operate and maintain them, lack of flexibility of the contrast mechanism, low tuning speed and finally, poor accessibility to adapted image analysis methods. This doctoral thesis strives to move beyond some of the current limitations of CARS imaging in the hope that it might encourage a wider adoption of CARS as a microscopy technique. First, we introduced a new CARS spectral imaging system with vibrational tuning speed many orders of magnitude faster than other narrowband techniques. The system presented in this original contribution is based on a synchronized picosecond fibre laser that is both robust and portable. It can access Raman lines over a significant portion of the highwavenumber region (2700–2950 cm-1) at rates of up to 10,000 spectral points per second and is perfectly suitable for the acquisition of CARS spectral images in thick tissue. Secondly, we proposed a new image analysis method for the assessment of myelin health in images of longitudinal sections of spinal cord. We introduced a metric sensitive to the organization/disorganization of the myelin structure and showed how it could be used to study pathologies such as multiple sclerosis. Finally, we have developped a fully automated segmentation method specifically designed for CARS images of transverse cross sections of nerve tissue.We used our method to extract nerve fibre morphology information from large scale CARS images.

L'expansion de nouvelles technologies et la demande incessante d'une transmission d'informations plus rapide font que les systèmes de télécommunications nécessitent plus de débit sur de plus longues distances. L'amplification optique et notamment l'amplification optique par effet Raman représente une intéressante possibilité à repousser les limites de distance et de debit.Les verres à base d'oxyde de tellure sont des matériaux prometteurs pour les applications d'amplification optique par effet Raman; en particulier grâce à leurs fortes propriétés optiques linéaires et non linéaires, leurs fenêtres de transparence allant dans le proche et milieu infra-rouge du spectre de transmission. De plus, leurs propriétés thermiques et en particulier leurs faibles temperatures de transition vitreuse permettent une facilité de fibrage. L'estimation de l'intensité du gain Raman et sa zone spectrale mise en jeu sont généralement approchées à partir du spectre de diffusion Raman spontanée du matériaux. La compréhension des relations existantes entre la structure vitreuse, la réponse vibrationnelle et les propriétés d'optique non linéaire, représente un point clé au développement et à l'optimisation des verres de tellure pour l'amplification Raman. Cette dissertation apporte une réponse détaillée à la question fondamentale de l'étude doctorale: "Quel est l'impact de la structure vitreuse sur les propriétés d'amplification Raman dans les verres d'oxyde de tellure?"

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW. / The development in the last decades of mode-locked fiber lasers resulted in the availability of reliable sources of femtosecond pulses that are both used for fundamental research and commercial applications. The wide gain bandwidth and excellent heat dissipation of rareearth-doped optical fibers have made possible the amplification and generation of high-energy ultrashort pulses with high repetition rates. However, phenomena such as nonlinear effects due to the small size of the beam and saturation of the population inversion in the gain medium tend to complicate their use for the amplification of pulses to energies exceeding the millijoule. Several strategies such as stretching the pulses to durations over the nanosecond, using photonic crystal fibers that have a wider core and parallelization have been used to circumvent these limitations, leading to pulses of a few millijoules with durations lower than a picosecond. This master’s thesis presents a novel approach for amplification of ultrashort pulses using stimulated Raman scattering in silica fibers as a gain mechanism. It is well known that this nonlinear effect allows the amplification with a wide bandwidth, such that it is nowadays commonly used in optical-fiber telecommunication networks. Because the adaptation of existing Raman amplification schemes to high-energy ultrashort pulses is not straightforward, we propose instead to transfer energy from a quasi-monochromatic pump pulse to a copropagating ultrashort signal pulse, stretched to comparable durations with a frequency chirp. In order to evaluate the potential of the Raman gain for the amplification of ultrashort pulses, this thesis presents an analytical model allowing the prediction of the amplified pulse’s features, depending upon those of the pump and upon the medium in which they are propagated. We thus find that the wide bandwidth of the Raman gain in silica glass, in addition to its inhomogeneous saturation, allows the amplification of signal pulses to energies of the same magnitude than that of the pump, while keeping their spectrum wide enough to support their compression to ultrashort durations. A few variants of the amplification scheme are presented, and their potential is evaluated using the analytical model or numerical simulations. We predict analytically and numerically the Raman amplification of pulses to energies of a few millijoules, whose durations are lower than 150 fs and having peak powers close to 20 GW.

Les lasers à fibre optique dopée à l’ytterbium en régime continu de haute puissance ontune part de marché grandissante pour des applications d’usinage de métaux. Malgré qu’il s’agisse d’une technologie relativement répandue, un important problème subsiste dans laplupart de ces lasers. À haute puissance, la diffusion Raman stimulée transfère une partie de la puissance de la longueur d’onde principale d’émission des lasers autour de 1070 nm à la première bande de Stokes Raman autour de 1120 nm, ce qu’on appelle l’instabilité Raman. Cette puissance transférée est inutilisable et peut même être dangereuse pour le système laser et ses utilisateurs. Malgré les travaux théoriques et expérimentaux effectués sur ces lasers, très peu d’explications ont été fournies sur les liens entre les paramètres de la fibre optique et des réseaux de Bragg formant la cavité laser et l’instabilité Raman. Le but du projet de maîtrise présenté dans ce mémoire est donc de développer un modèle de simulation numérique de ces lasers, afin de comprendre et d’identifier les mécanismes dominants qui favorisent l’instabilité Raman et de trouver des configurations de montage la minimisant. Ce mémoire présente les deux modèles de simulation développés dans le cadre de ce projet. Le premier traite la propagation du signal laser comme étant unidirectionnelle, alors que le second la traite comme étant bidirectionnelle, ce qui se rapproche plus de la situation expérimentale. Le montage typique simulé est constitué d’une fibre optique à double gaine dopée à l’ytterbium ayant une grande aire modale effective, d’un réseau de Bragg à haute réflectivité et d’un réseau de Bragg à faible réflectivité servant de coupleur de sortie. Les simulations ont permis d’identifier cinq paramètres de la cavité laser ayant un impact important sur l’instabilité Raman. Une faible puissance moyenne du signal, une courte fibre optique de gain, une configuration de pompage en contrapropagation, c’est-à-dire par le côté du coupleur de sortie, ainsi qu’une plus faible réflectivité et une large bande réfléchissante du réseau de Bragg à faible réflectivité permettent de limiter la génération de l’instabilité Raman. L’optimisation de ces paramètres permet d’obtenir une cavité laser ayant extrêmement peu d’instabilité Ra-man. Ce faible niveau d’instabilité Raman semble être causé par une plus faible puissance intracavité, une courte distance de propagation et des modulations rapides de la puissance du signal. Des montages simulés incluant un filtre dans la cavité à la longueur d’onde de Stokes Raman, un réflecteur non linéaire ou une cavité de basse puissance amplifiée ont également montré une réduction significative de l’intensité de l’onde de Stokes Raman. / Continuous high-power ytterbium-doped fiber lasers have an increasing market share formetal processing applications. Despite their widespread use, these lasers still suffer a ma-jor problem. At high power, stimulated Raman scattering shifts the power from the main emission wavelength around 1070 nm to the first Raman Stokes sideband around 1120 nm. This process is called Raman instability. The shifted power becomes useless and can even be dangerous for both the laser system and its users. Previous experimental and theoretical analyses have failed to provide clear explanations on the link between the Raman instability and the parameters of the ytterbium-doped optical fiber and the fiber Bragg gratings forming the laser cavity. The goal of this master’s degree project was to develop a simulation model for continuous high-power ytterbium-doped fiber lasers in order to identify and understand how the parameters of the laser cavity affect the Raman instability and to find cavity configurations that reduce it. This master’s thesis presents the two simulation models developed during this project. The first model considers unidirectionnal propagation of the laser signal while the second one considers bidirectionnal propagation. The latter is thus a more realistic model of such lasers.The typical simulated setup is made of a double-clad ytterbium-doped fiber with a large mode area, a high reflectivity Bragg grating and a low reflectivity Bragg grating that isused as output coupler. The simulations allowed to identify five cavity parameters having an impact on the Raman instability. A low average power, a short gain fiber, a counter-propagation pumping setup as well as a low reflectivity and a large reflective bandwidth for the fiber Bragg grating used as the output coupler help minimizing the Raman instability.The optimisation of these parameters creates a laser cavity with an extremely low power shift to the Raman Stokes sideband. The low Raman instability seems to be caused by a lower intra-cavity power, a shorter propagation distance and fast power modulations in thesignal. Incorporating a filter in the cavity, using a nonlinear reflector as output coupler or using a setup that includes a low-power master oscillator in combination with a high-power amplifier have also been simulated and show a reduction of the Raman instability.

L’expansion de nouvelles technologies et la demande incessante d’une transmission d’informations plus rapide font que les systèmes de télécommunications nécessitent plus de débit sur de plus longues distances. L’amplification optique et notamment l’amplification optique par effet Raman représente une intéressante possibilité à repousser les limites de distance et de debit.Les verres à base d’oxyde de tellure sont des matériaux prometteurs pour les applications d’amplification optique par effet Raman; en particulier grâce à leurs fortes propriétés optiques linéaires et non linéaires, leurs fenêtres de transparence allant dans le proche et milieu infra-rouge du spectre de transmission. De plus, leurs propriétés thermiques et en particulier leurs faibles temperatures de transition vitreuse permettent une facilité de fibrage. L’estimation de l’intensité du gain Raman et sa zone spectrale mise en jeu sont généralement approchées à partir du spectre de diffusion Raman spontanée du matériaux. La compréhension des relations existantes entre la structure vitreuse, la réponse vibrationnelle et les propriétés d’optique non linéaire, représente un point clé au développement et à l’optimisation des verres de tellure pour l’amplification Raman. Cette dissertation apporte une réponse détaillée à la question fondamentale de l’étude doctorale: “Quel est l’impact de la structure vitreuse sur les propriétés d’amplification Raman dans les verres d’oxyde de tellure?” / Tellurite-based oxide glasses have been investigated as promising materials for Raman gain applications, due to their good linear and nonlinear optical properties and their wide transparency windows in the near- and midwave infrared spectral region. Furthermore, their interesting thermal properties, i.e. low glass transition temperature and ability to be drawn into optical fibers, make tellurite-based glasses excellent candidates for optical fiber amplifiers. The estimation of the strength and spectral distribution of Raman gain in materials is commonly approximated from the spontaneous Raman scattering cross-section measurement. For development of tellurite-based glasses as Raman amplifiers, understanding the relationship between glass structure, vibrational response, and nonlinear optical properties (NLO) represents a key point. This dissertation provides an answer to the fundamental question of the PhD study: “What is the impact of the glass structure on Raman gain properties of tellurite glasses?”