La mise en forme spatiale de faisceau laser, en particulier l’obtention d’un profil d’intensité homogène intéresse aussi bien la recherche que l’industrie (recherche biomédicale, microscopie, découpe, gravure, marquage laser, Laser MegaJoule…). De par ses avantages intrinsèques, nous sommes désireux d’apporter une solution fibrée, monomode et à maintien de polarisation. Ces travaux s’articulent autour de 2 problématiques :L’obtention d’un mode plat polarisé linéairement.Différentes solutions ont été mises en place pour satisfaire cette contrainte (embouts, fibres air-silice et fibres toute solide incluant des barreaux de contraintes). Nous avons notamment réalisé une fibre microstructurée air-silice monomode délivrant un mode plat de diamètre 20µm à 1050nm de polarisation linéaire (taux d’extinction de 20dB, biréfringence ~0,6x10-4). Cette fibre a été intégrée avec succès dans une chaine amplificatrice délivrant un faisceau cohérent avec un profil d’intensité aplati polarisé linéairement dépassant 100µJ en régime nanoseconde. En parallèle le développement de codes numériques a permis de proposer des designs augmentant la biréfringence voire polarisants.L’augmentation de l’aire effective du mode.Nos études ont permis de mettre en évidence les compromis entre qualité modale et pertes par courbures y compris dans le cas de structure présentant des résonateurs pour « vider » les modes d’ordre supérieur. L’impact sur le contenu modal des indices de différents types de barreaux de contraintes et de la biréfringence induite a également été étudié. Enfin nous avons réalisé une fibre mode plat à 1050nm de diamètre 34µm (aire effective ~1200µm2) utilisable en tant qu’embout. / Spatial beam shaping, in particular an homogeneous intensity profile is very attractive to fundamental research and industry (biomedical, microscopy, laser cutting, engraving, marking, Laser MegaJoule…). Thanks to its intrinsic advantages we wish to offer a fibered, single-mode and polarization maintaining solution. This work addresses two difficulties:Producing singlemode fiber delivering a flat mode while preserving the light polarization.Several solutions were developed to achieve this objective: fiber end-cap, air-silica and all-solid microstructured fibers with Stress Applying Parts (SAP). We have obtained several fibers including an air-silica microstructured single-mode fiber which delivers a flat fundamental mode with a diameter of 20µm at 1050nm linearly polarized (polarization extinction ratio of 20dB and a birefringence of 0.6x10 4). This fiber was successfully integrated in an amplifier chain delivering a coherent output beam with a flat intensity profile linearly polarized with a power of more than 100µJ for 10 ns pulses. In the same time, we developed a numerical code enabling us to propose designs with enhanced birefringence and even a polarizing behavior.Increase of mode effective areaOur studies exhibit the compromises required between modal quality and bending losses even in the case of a fiber design with resonator to extract from the core its high order modes. The impact of indices of different kinds of SAP and the impact of the induced birefringence on the modal content are also studied. Finally we realized a fiber delivering a flat intensity with a mode diameter equals to 34µm (effective area ~1200µm²) at 1050nm which can be used like an end-cap.

Ce travail de thèse examine la possibilité d'utiliser de nouvelles fibres optiques fortement non-linéaires pour des applications de régénération tout-optique à 40 Gbit/s. Les fibres optiques étudiées sont des fibres optiques microstructurées en verre de silice et en verre de chalcogénure fabriquées dans le cadre d'une collaboration avec la Plate-forme d'Etudes et de Recherche sur les Fibres Optiques Spéciales (PERFOS, Lannion) et l'Equipe Verres et Céramiques (EVC) de l'UMR Sciences Chimiques de Rennes. Le régénérateur optique étudié est le régénérateur proposé par P.V. Mamyshev, basé sur le phénomène d'automodulation de phase dans une fibre optique non-linéaire. Les résultats originaux obtenus lors de ce travail de thèse se situent sur les trois plans suivants : la modélisation de la propagation non-linéaire dans les fibres optiques, la caractérisation de fibres optiques non linéaires et l'étude d'un régénérateur tout-optique à 40 Gbit/s. <br />En ce qui concerne la modélisation de la propagation non-linéaire, ce travail passe en revue plusieurs méthodes de résolution de l'équation non-linéaire de Schrödinger (ENLS) connues sous le nom de méthodes split-step Fourier. Pour trois de ces méthodes, une modification astucieuse de l'algorithme de résolution numérique de l'ENLS permettant d'augmenter l'efficacité de la méthode est proposée. Ce travail présente également une nouvelle méthode split-step Fourier permettant de résoudre l'ENLS avec une précision choisie.<br />Pour la partie concernant la caractérisation de fibres optiques non-linéaires, ce travail présente, pour la première fois, les caractérisations optiques de fibres optiques microstructurées en verre de chalcogénure et démontre leur fort potentiel pour des applications non-linéaires. Des caractérisations non-linéaires de fibres optiques microstructurées en verre de silice présentant une faible atténuation et un gain Raman record sont également présentées. Une nouvelle méthode pour mesurer simultanément la dispersion chromatique et le coefficient non-linéaire de fibres optiques, basée sur l'effet de compression soliton, est proposée.<br />Concernant l'étude du régénérateur de Mamyshev, ce travail propose une étude théorique conduisant à l'élaboration d'un abaque pour le dimensionnement du régénérateur et permettant d'étudier le rôle du pré-filtrage et le mécanisme de gigue temporelle introduite par le régénérateur. L'étude expérimentale du régénérateur met en évidence le rôle néfaste de l'effet Brillouin et du mélange à quatre ondes sur les performances d'un régénérateur à 40 Gbit/s. Une nouvelle architecture de régénérateur, basée sur l'utilisation d'un compresseur d'impulsions, est proposée afin d'éliminer ces effets indésirables. Son efficacité est démontrée au cours d'une expérience de régénération en boucle à recirculation.

Ces travaux portent sur la réalisation de fibres optiques à très grandes aires effectives pour applications aux lasers intenses. Les applications possibles de ces fibres sont le transport ou la génération de puissants faisceaux lasers. En se basant sur la famille de fibre optique appelée : "fibre de Bragg pixélisée", nous avons introduit le concept de double conditions demi-onde appliquée au mode d’ordre supérieur afin d’augmenter les pertes des modes LP11, LP21, LP02. Le principe d’hétérostructuration quant à lui a permis d’accentuer les pertes des modes d’ordre supérieur grâce à un effet de fuite. Ainsi donc, nous avons réalisé une fibre ayant un diamètre de cœur de 48 µm qui a permis l’obtention d’un diamètre de mode de 40 µm à la longueur d’onde 1050 nm. Dans un second temps, une géométrie de gaine plus simplifiée est proposée. Cette nouvelle géométrie de gaine nous a permis d’accéder à des diamètres de modes allant de 47 µm à 69 µm dans le cas de fibre à bande interdite photonique toutes solides. Ce dernier résultat constitue un diamètre de mode record dans le cas des fibres de Bragg toutes solides. / This work concern the design and the realization of large mode area fiber applied to high power laser. The goal of these fibers are the carrying and the generation of powerful beam laser. Based on special laser family called : "Pixaleted Bragg Fiber" we introduced the innovative concept of double half wave stack conditions applied to the higher order mode to increase the losses of LP11, LP21, LP02 modes. The principle of heterostructuration has been applied in order to increase losses of high order modes using the sieve effect. We succeeded in realizing a fiber with a core diameter of 48 µm, allowing mode field diameter of 40 µm at the wavelength 1050 nm. In the second time, cladding’s geometry has been simplified. This new generation of fiber gives us access to mode field diameter from 47 µm to 69 µm in the case of all solid bandgap fiber. This last result is up to now the highest mode field diameter produced for all solid bandgap fibers.

Les travaux de recherche, rapportés dans ce manuscrit, portent sur l’étude d’un laser à fibre en forme de huit et le développement de sources à 1.6 µm. En premier temps, nous avons étudié la dynamique impulsionnelle d’un laser à fibre micro-structurée en forme de huit. L’objectif est de montrer l’impact des propriétés de la fibre micro-structurée sur le comportement impulsionnel du laser. Nous avons également étudié le phénomène d’hystérésis dans cette cavité. Nos résultats numériques ont permis de démontrer l’universalité de ce phénomène dans les cavités lasers. Autrement, il est indépendant de la technique de verrouillage de modes. En second lieu, nous avons développé une source laser émettant à 1.6 µm à partir d’un amplificateur fonctionnant dans la bande C. La méthode que nous avons explorée est basée sur la gestion des pertes linéaires. L’émission, en continu et en verrouillage de modes, a été démontrée dans deux configurations différentes. Enfin et en se basant sur ce concept, nous avons rapporté des sources accordables sur une large fenêtre spectrale. Nous avons également étudié différentes formes des régimes harmoniques autour de 1.6 µm. / During our research, we are interested in studying of the figure of eight fiber laser based on the microstructured optical fiber and developing a 1.61 µm mode locked fiber laser from a C-band double-clad Er : Yb doped fiber amplifier. In the first step and based on a theoretical model, we have investigated the multi-pulse emission of a microstructured figure-of eight fiber laser operating in passive mode-locking. The proposed laser is mode locked by the nonlinear amplifying loop mirror (NALM). We further study the hysteresis dependence and the number of pulses in steady state as a function of both the small signal gain and the nonlinear coefficient of microstructured fiber. Our results demonstrate that the nonlinear coefficient of microstructured fiber plays a key role in the formation of multi-soliton. In the second step and based on the control of the linear losses of the cavity, we demonstrate the possibility to achieve filter less laser emission above 1.6 μm, from a C-band double-clad Er: Yb doped fiber amplifier, using a figure-of-eight geometry and a unidirectional ring cavity. We also reported a widely tunable mode locked fiber laser and harmonic mode locking of twin and third pulse around 1.61 µm.

La diffusion Brillouin stimulée (DBS), résultant d'une interaction acousto-optique, est connue pour limiter la puissance transmise dans une fibre optique, mais sa grande sensibilité aux conditions extérieures la rend très intéressante dans le domaine des capteurs distribués. La nouvelle génération de fibres optiques microstructurées, apparue à la fin des années 90, présente un potentiel intéressant pour les interactions acousto-optiques car la succession périodique de micro canaux d'air emprisonnés dans la silice permet de confiner simultanément les modes optiques et acoustiques. A travers différentes expériences, ce travail de doctorat présente une étude détaillée de l'influence de la microstructure air-silice sur la dynamique de l'effet Brillouin tant dans la dimension transverse que longitudinale de la fibre photonique. Nous avons ainsi mis en évidence l'excitation de modes acoustiques transverses localisés dans le coeur de la fibre et piégés par la microstructure, à des fréquences hypersonores dépassant parfois le GHz, en bon accord avec le calcul numérique par élément finis des modes acoustiques de la fibre. De plus, les mesures du spectre de rétrodiffusion Brillouin stimulée ont également révélé le caractère acoustique multimode ainsi que l'augmentation significative du seuil Brillouin dans la plupart des fibres étudiées. Ces résultats ont été confirmés par des mesures distribuées du spectre Brillouin, qui ont montré la grande sensibilité aux contraintes mécaniques des fréquences Brillouin. En annexe à cette thèse, nous avons étudié la génération de supercontinuum, la diffusion Raman et le mélange à quatre ondes dans de courtes longueurs de fibres microstructurées.

Souvent considéré néfaste dans le domaine de la télécommunication car il limite la puissance d'un système de transmission optique, l'effet Brillouin peut être utilisé pour la réalisation de lasers. Un laser à fibre Brillouin peut potentiellement être très cohérent et très peu bruité ; ce qui incite son utilisation dans plusieurs domaines incluant la défense, la métrologie et les télécommunications. L'objectif de cette thèse, qui s'insert dans le cadre du projet ATOS (Antenne acoustique en technologie Tout Optique pour la Surveillance), est d'obtenir un laser Brillouin à la fois compact et avec un seuil laser relativement bas. Pour respecter ces deux conditions, il est nécessaire de disposer d'une fibre avec un très fort coefficient de gain Brillouin gB et ayant une très petite aire effective de manière à concentrer la puissance optique dans le cœur de la fibre. Nous avons ainsi choisi d'utiliser une fibre faite à partir de verres en chalcogénure, qui ont un gB de deux ordres de grandeurs supérieures au gB d'une fibre monomode silice classique avec une microstructure dans le coeur. Ces travaux de recherche contribuent donc, d'une part, à démontrer qu'il est expérimentalement possible de réaliser des lasers Brillouin compacts, bas seuils et exhibant des caractéristiques remarquables en termes de bruit et de cohérence avec des fibres microstructurées en verre de chalcogénure et, d'autre part, à étudier la potentialité de ces cavités lasers dans le cadre du projet ATOS tout en proposant d'autres applications possibles pour la métrologie, l'instrumentation et les télécommunications.

La thématique de ce travail sont les guides d'onde à la limite de diffraction à fort contrast d'indice entre le cœur et la gaine, afin de réduire la taille du cœur (qq. µm) tout en gardant le confinement du mode, jusqu'à la limite fondamentale où les effets nonlinéaires (NL) sont maximisés.Déjà proposées en pratique, les fibres microstructurées (MOF) étirées et les barreaux de silice sont courts (~ cm), cassants, difficiles à fabriquer et à manipuler et n'ont pas la possibilité de faire un réseau (essentiel pour les futures circuits de la nano-photonique intégrée).<br /> Nous avons proposé d'utiliser les canaux trifoliés de la gaine d'une MOF, où chaque ensemble de trois trous d'air adjacents forme un possible guide d'onde. En utilisant la microscopie optique en champ proche, nous avons démontré que ces canaux sont des guides d'onde à une longueur d'onde adéquate (λ=0,67µm), ayant des pertes à l'état de l'art.<br /> Après une étape intermédiaire où nous avons étudié le couplage par onde évanescente dans une MOF asymétrique à deux cœurs, nous avons conçu une fibre MOF multi-cœur de canaux trifoliés identiques, guidant à 1,55 µm.<br /> Nous avons démontré le guidage dans tous les canaux, avec des pertes à l'état de l'art ( 0,01 dB/mm/canal). Puis, nous avons démontré que les guides sont couplés entre eux, par l'obtention des cartes de sortie étendues sur toute la structure, après des injections ponctuelles. Puis, en calculant et comparant les écarts types des images de sortie CCD et de cartographie d'injection 2D, avec ceux des cartes des supermodes théoriques et de simulation de propagation, nous avons prouvé la forte efficacité du couplage entre tous les guides du réseau.

Souvent considéré néfaste dans le domaine de la télécommunication car il limite la puissance d'un système de transmission optique, l'effet Brillouin peut être utilisé pour la réalisation de lasers. Un laser à fibre Brillouin peut potentiellement être très cohérent et très peu bruité ; ce qui incite son utilisation dans plusieurs domaines incluant la défense, la métrologie et les télécommunications. L'objectif de cette thèse, qui s'insert dans le cadre du projet ATOS (Antenne acoustique en technologie Tout Optique pour la Surveillance), est d'obtenir un laser Brillouin à la fois compact et avec un seuil laser relativement bas. Pour respecter ces deux conditions, il est nécessaire de disposer d'une fibre avec un très fort coefficient de gain Brillouin gB et ayant une très petite aire effective de manière à concentrer la puissance optique dans le cœur de la fibre. Nous avons ainsi choisi d'utiliser une fibre faite à partir de verres en chalcogénure, qui ont un gB de deux ordres de grandeurs supérieures au gB d'une fibre monomode silice classique avec une microstructure dans le coeur. Ces travaux de recherche contribuent donc, d'une part, à démontrer qu'il est expérimentalement possible de réaliser des lasers Brillouin compacts, bas seuils et exhibant des caractéristiques remarquables en termes de bruit et de cohérence avec des fibres microstructurées en verre de chalcogénure et, d'autre part, à étudier la potentialité de ces cavités lasers dans le cadre du projet ATOS tout en proposant d'autres applications possibles pour la métrologie, l'instrumentation et les télécommunications. / Although stimulated Brillouin scattering (SBS) in optical fiber is a penalizing nonlinear effect in optical communication systems, it is possible to make good use of SBS in other applications such as in Brillouin fiber lasers (BFLs). A BFL can potentially have a very narrow linewidth and very low relative intensity noise (RIN) and frequency noise, making them excellent coherent laser sources that can be used in telecommunications, defense and metrology. The goal of this research work, which is in the framework of ATOS (Antenne acoustique en technologie Tout Optique pour la Surveillance, All Optical Acoustic Antenna for Security) project, is to obtain a compact Brillouin laser with a very low threshold power. In order to match these two conditions, it is essential to use a fiber with a very high Brillouin gain coefficient gB and with a small effective mode area to ensure a stronger light confinement in the fiber core. For this research work, we have combined both alternatives by using a microstructured optical fiber made of chalcogenide glass. These materials are known to have very high gB, which can be two orders of magnitudes higher than in the case of a standard silica fiber. In this work, we have, first of all, experimentally demonstrated that it is possible to obtain a compact, low threshold and low noise Brillouin laser using microstructured chalcogenide fibers. Then, we have studied the feasibility of using this laser cavity in the framework of the ATOS project while proposing alternative applications for metrology and telecommunications.

Ce mémoire présente les travaux effectués sur le développement d'une source optique servant à des applications d'imagerie biomédicale en général et de diffusion Raman cohérente en particulier. En effet la diffusion de ces dernières est freinée par le verrou technologique que constitue la nécessité de deux impulsions synchronisées et décalées en longueur d’onde. La praticité et les possibilités de conversions de fréquences offertes par l’optique non-linéaire fibrée sont ainsi utilisées pour adresser ce verrou technologique. Tout d’abord, une source simplement réglable en longueur d’onde est générée par l’effet d’auto-décalage en fréquence optique d'un soliton par effet Raman. Une étude des principaux paramètres de fibre aboutit à des décalages de 320 à plus de 500 nm, permettant une imagerie des résonances d’intérêt (≈ 1000-4000 cm-1). Deux applications de ce décalage sont présentées. Ensuite, l’autre impulsion voit sa largeur spectrale réduite de 70 à 10 cm-1 par compression spectrale, qui consiste en un "regroupement non-linéaire de fréquences sans pertes", afin de bénéficier de la résolution spectrale nécessaire. Enfin, la source développée est validée par l’acquisition de spectres CARS de différents échantillons de référence, pour différentes résonances (850 à 1750 cm-1). Une extension de la source à d'autres types d'imagerie est proposée, ainsi qu'une architecture de source quasiment entièrement fibrée exploitant les principes développés au cours de cette thèse / This manuscript presents the work done concerning the development of a light source used for biomedical imaging and more particularly for coherent Raman scattering imaging. In fact an efficient broadcasting of these ones is hampered by the need of two synchronized and wavelength shifted pulses. As so, the handiness and frequency conversion capabilities of nonlinear fiber optics are used to circumvent this technological lock. First of all, an easy wavelength tunable source is set by the use of the self-shifting in optical frequency of a soliton. A study of the main fiber parameters lead to shifts of 320 to more than 500 nm which allows interesting molecular resonances imaging (≈ 1000-4000 cm-1). Two applications of this shift are also reported. Then, the second pulse sees its spectral width reduced from 70 to 10 cm-1 by spectral compression, which consists in a "loss-less frequency regrouping", in order to obtain a proper spectral resolution. Finally, the developed source is validated by acquiring CARS spectra of different reference solvents and for different resonances (850 to 1750 cm-1). An evolution of this source to allow other imaging techniques is proposed, as well as a quasi-all-fibered source exploiting the principles addressed during this thesis work

Dans le cadre d'un contrat CIFRE entre la société Thales L.A.S. France et le laboratoire XLIM (UMR 7252 du CNRS et de l'Université de Limoges), mon projet de thèse consiste à développer des architectures de fibres optiques dopées aux ions d'ytterbium pour l'amplification d'impulsions avec une haute puissance crête à 1 µm dans l'optique de réaliser une combinaison cohérente de faisceau afin d'obtenir une source laser avec une très haute puissance crête et une haute cadence de répétition. Basé sur un design de fibres à large cœur appelées FA-LPF, deux axes de développement sont abordés. Le premier concerne l'amélioration des tolérances à une courbure externe appliquée sur les FA-LPFs. A l'aide d'une étude numérique, une stratégie novatrice est mise en place pour mitigé les effets d'une courbure. L'architecture est alors dénommée FA-LPF assistée par saut d'indice. Une émission laser monomode en régime continu d'une puissance optique de 65 W est démontrée avec un rayon de courbure de 60 cm pour un diamètre de mode de 47 µm. Le second axe est l'implémentation du contrôle de la polarisation dans les FA-LPFs. L'objectif est d'obtenir un signal linéairement polarisé. Plusieurs architectures testées numériquement permettent une propagation à polarisation linéaire unique dans des structures passives sur un large spectre optique, avec notamment une propagation monomode à polarisation unique à 1400 nm pour un diamètre de cœur de 140 µm. La meilleure des quatre, appelée FA-LPF 4+2 SAP, est fabriquée avec des dopants actifs d'ytterbium. En raison de défauts de fabrication, les fibres obtenues sont à maintien de polarisation. Un ratio de polarisation de 17 dB est obtenu en configuration amplification en régime continu avec un gain de 24 dB (une puissance émise de 50 W). / As part of a CIFRE contract between Thales L.A.S. France and the XLIM laboratory (UMR 7252 of the CNRS and the University of Limoges), my thesis project consists in the development of ytterbium-doped optical fiber architectures for pulses amplification with high peak power at a wavelength of 1 µm in order to achieve a coherent beam combination to obtain a laser source with both a very high peak power and a high repetition rate. Based on a large-core fibre design called FA-LPF, two development axes are addressed. The first one concerns the tolerances improvement to an external bending applied on the FA-LPF. With the help of a numerical study, an innovative strategy is implemented to mitigate the effects of bending. The architecture is then called step-index assisted FA-LPF. A single a singlemode laser emission in continuous regime with an optical power of 65 W is demonstrated with a 60 cm bending radius for a 47 µm mode field diameter. The second axis is the implementation of the polarisation control in FA-LPFs. The goal is to obtain a linearly polarised signal. Several numerically tested architectures allow single linear polarisation propagation in passive structures over a broadband optical spectrum, including a singlemode single-polarisation propagation at 1400nm for a core diameter of 140 µm. The best architecture, called FA-LPF 4+2 SAP, is fabricated with active ytterbium dopants. Due to manufacturing defects, the obtained fibres act as polarisation maintaining fibres. A polarisation extinction ratio of 17 dB is obtained in an amplification configuration in continuous regime with 24 dB of gain (an emitted power of 50 W).