Une impulsion laser intense se propageant dans un plasma sous-dense (ne<<nc) déplace les électrons sur son passage et crée une onde de sillage à même d'accélérer des électrons. Lorsque l'impulsion est très intense (I₀> 10¹⁸ W.cm⁻²) et de durée très courte (τ₀< 100 fs), , on atteint le régime de la bulle. Les champs électriques dans ces bulles, de l’ordre de 100 GV/m, peuvent accélérer un faisceau d’électrons jusqu’au GeV sur des distances de l’ordre du centimètre. Dans ce régime, les électrons expulsés par la force pondéromotrice du laser forment une fine et dense couche à la surface d'une cavité d'ions restés immobiles. Les propriétés de ce régime sont examinées par l’intermédiaire d’un modèle analytique, que nous avons développé en nous inspirant du travail de W. Lu et S. Yi. En nous plaçant dans ce régime prometteur, nous avons étudié les mécanismes d’injection et de piégeage dans l'onde de sillage. Dans l’injection optique, les polarisations parallèles ou circulaires positives conduisent respectivement à une injection mettant en jeu du chauffage stochastique, ou à l’injection froide. Un paramètre de similarité est introduit, celui-ci permet de déterminer la méthode d’injection la plus appropriée pour maximiser la charge injectée. Enfin, le modèle analytique présenté en première partie est étendu afin d’étudier l’onde de sillage dans le régime de la bulle lorsqu’un champ magnétique longitudinal initial est appliqué au plasma. Lorsque le plasma est magnétisé deux phénomènes remarquables se manifestent, d'une part une ouverture apparaît à l'arrière de la bulle et d'autre part un mécanisme d'amplification du champ magnétique longitudinale est induit par la variation du flux magnétique. Les prédictions de notre modèle analytique sont confrontées aux résultats de simulations PIC 3D issues du code CALDER-Circ. La conséquence immédiate de la déformation de l'onde de sillage est la réduction, voire la suppression de l'auto-injection. L’application d’un champ magnétique longitudinal, combinée à un choix judicieux des paramètres laser-plasma, permet de réduire la dispersion en énergie des faisceaux d’électrons produits après injection optique. / An intense laser pulse propagating in an under dense plasma (ne<<nc) expels electrons and a wakefield is created which can accelerate efficiently electrons. When the laser pulse is very intense (I₀> 10¹⁸ W.cm⁻²) and short(τ₀< 100 fs), the bubble regime is reached. Within the bubble the electric field can exceed 100 GV/m and a trapped electron beam is accelerated to GeV energy with few centimetres of plasma.In this regime, the electrons expelled by the laser ponderomotive force are brought back and form a dense sheath layer. First, an analytic model was derived using W. Lu and S. Yi formalisms in order to investigate the properties of the wakefield in the blowout regime. In a second part, the trapping and injection mechanisms into the wakefield were studied. When the optical injection scheme is used, electrons may undergo stochastic heating or cold injection depending on the lasers’ polarisations. A similarity parameter was introduced to find out the most appropriate method to maximise the trapped charge. In a third part, our analytic model is extended to investigate the influence of an initially applied longitudinal magnetic field on the laser wakefield in the bubble regime. When the plasma is magnetized two remarkable phenomena occur. Firstly the bubble is opened at its rear, and secondly the longitudinal magnetic field is amplified - at the rear of the bubble - due to the azimuthal current induced by the variation of the magnetic flux. The predictions of our analytic model were shown to be in agreement with 3D PIC simulation results obtained with Calder-Circ. In most situations the wake shape is altered and self-injection can be reduced or even cancelled by the applied magnetic field. However, the application of a longitudinal magnetic field, combined with a careful choice of laser-plasma parameters, reduces the energy spread of the electron beam produced after optical injection.

Nous pr��sentons une ��tude comparative de l'injection optique quasi-statique pour des lasers �� semi-conducteurs et des lasers �� fibre. La fabrication des lasers �� fibre �� contre-r��action r��partie est d��taill��e. L'��tude spectrale de l'injection de lasers �� semi-conducteurs pour des puissances inject��e usuelles (> -30 dBm) permet, par des cartographies, de caract��riser des r��gimes bistables, le r��gime de relaxation, et la synchronisation de chaos. Pour de faibles puissances inject��es (< -30 dBm), nous montrons que le laser esclave est un amplificateur de qualit�� pour de faibles signaux coh��rents, et observons l'attraction en fr��quance de l'esclave inject�� par le ma��tre. L'injection statique des lasers �� fibre permet d'observer une r��ponse dynamique dans le domaine temporel, li��e �� des ph��nom��nes de relaxation. Nous proposons des m��thodes de mesure, par injection optique, du facteur de Henry, de faibles largeurs spectrales, du taux d'��mission spontan��e du laser esclave.

Nous explorons les dynamiques de synchronisation des lasers solides fonctionnant sur deux états propres de polarisation. Ce type de laser présente l'intérêt de pouvoir générer des fréquences de battement très stables dans une gamme de fréquence du Hz au THz. Cette thèse en tire parti pour étudier plusieurs mécanismes d'accrochage de fréquence dans ces lasers. Tout d'abord, nous construisons un laser bipolarisation doté d'un miroir à réflectance saturable (SESAM). Cela lui permet de fonctionner dans un régime pulsé où tous les modes longitudinaux oscillent en phase, et ce sur les deux états propres du laser. On démontre également que les états de polarisation d'impulsions successives forment des séquences dont nous détaillons les caractéristiques. Un phénomène particulier est observé dans ce laser : si la fréquence de battement est choisie égale à la moitié de l'intervalle spectral libre du laser, les deux peignes de fréquences associés aux deux états propres se synchronisent. Dans un second temps, nous soumettons un laser bi-fréquence à une réinjection optique décalée en fréquence. De cette manière, nous sommes capable de transférer, sur la fréquence de battement du laser, la stabilité d'un synthétiseur radio-fréquence, utilisé comme référence. Ce résultat est obtenu tant en régime continu que pulsé. Enfin, conjointement à la réinjection décalée en fréquence, nous utilisons les oscillations de relaxation d'un laser de classe B pour induire un régime où la fréquence de battement est synchronisée sur une référence externe, mais pas sa phase. Incidemment, des dynamiques particulières d'intensités sont observées en sortie du laser.

Cette thèse porte sur l'étude de structures lasers à semi-conducteurs à base d'îlots et de bâtonnets quantiques, connues pour avoir quelques propriétés remarquables telles leur fort gain, leur effet non-linéaire renforcé, leur faible courant de seuil, leur haute température caractéristique ... Les caractérisations en termes de bruit d'intensité et d'injection optique de ces structures montrent un comportement atypique comparativement aux structures classiques (massives ou à base de puits quantiques). Nous avons pu ainsi comparer le bruit d'un laser DFB à bâtonnets quantiques avec celui d'un laser DFB massif ou à puits quantiques. Des études comparatives de bruit ont aussi été effectuées sur des lasers de type Fabry-Perot. Une modélisation du bruit a été confrontée aux résultats expérimentaux et montre l'importance de la prise en compte de la couche de mouillage. L'injection optique, contrairement aux propriétés d'un laser classique, présente un grand nombre de régimes dynamiques fortement non linéaires près du seuil laser (r~1,1) et peu de régimes à seuil modéré (r~3). Ces résultats nous indiquent finalement que le couplage des modes longitudinaux est à la fois fort et fortement amorti par l'interaction avec la couche de mouillage, ce qui nous donne des pistes très intéressantes pour la modélisation du blocage de modes observé dans ces structures.

L'interaction entre un faisceau laser émis avec une partie de la lumière réfléchi depuis une cible qui rentre dans la cavité active du laser, est à l'origine du phénomène de rétro-injection optique ou self-mixing. L'utilisation de ces franges interférométriques non conventionnelles, semble attractive du au faible nombre des composant optiques et son caractère auto-aligné. Dans cette thèse nous approchons leur développement en tant qu'implémentation embarqué rentable pour la mesure du déplacement. A cette fin, nous avons exploré des méthodes du traitement du signal pour la détection des franges et la reconstruction du mouvement de la cible, en évitant l'usage de composant externes. Premièrement, nous avons identifié quelques incompatibilités dans des algorithmes précédentes établis dans notre centre de recherche, puis nous avons avancé des solutions. Fondé sur la théorie d'interpolation, an algorithme simplifié mais démontré convenable en temps-réel à été proposé pour la reconstruction du déplacement. En s'appuyant sur l'élaboration d'un signal analytique, il à été proposé une version amélioré pour le calcul de phase. Celle-ci nous à permit de fournir un algorithme pour la détection de franges, robuste aux variations d'amplitude, sans tenir compte du régime de rétro-injection, impliquant une convenable utilisation pour une variété d'applications. / The interaction between an emitted laser beam and a small portion of backscattered light from a pointed target that re-enters the laser's cavity, is at the origin of optical feedback phenomenon or self-mixing. Exploiting these unconventional interferometric fringes for non-contact sensors is attractive due to its minimal optical part-count and self-aligned nature. In this thesis we approach its development as a cost-eective embedded implementation for displacement measurement. To this end we explored signal processing methods for fringe detection and target's movement reconstruction, avoiding the usage of external components. We first identified some incompatibilities in prior algorithms from our research center, and then proposed further solutions. Based on interpolation theory, a simplified but proved real-time algorithm resulted for displacement reconstruction. Relying on analytical signal elaboration, an improved approach for phase calculation allowed us to provide a fringe detection algorithm robust to amplitude variations, disregarding the feedback regime and thus, allowing a seemly usage over an increased variety of applications.

L’évolution actuelle des systèmes de communications optiques est telle que la circulation d’information n’est plus exclusivement limitée par les liens longues distances transocéaniques ou par les réseaux cœurs. De nombreuses applications courtes distances comme les réseaux d’accès où les débits des systèmes amenant la fibre chez l’abonné doivent être maximisés et les connexions internes et externes des centres de données transportent un trafic de données important produit en partie par les applications de type « Big Data ». Les critères imposés par ces nouvelles architectures notamment en termes de coût et consommation énergétique doivent être pris en compte en particulier par le déploiement de nouveaux composants d’extrémités. Grâce au très fort confinement des porteurs, les lasers à boites quantiques constituent une classe d’oscillateurs présentant des caractéristiques remarquables notamment en termes de courant de seuil et de stabilité thermique. En particulier, l’application d’une perturbation optique externe permet d’exploiter les nonlinéarités optiques des boîtes quantiques pour la réalisation de convertisseurs en longueur d’onde performants ou de transmetteurs à haut-débit fonctionnant sans isolateur optique. Ce dernier point est particulièrement critique dans les réseaux courtes distances où l’utilisation de sources modulées directement reste une solution technologique importante.Ce travail de thèse réalisé sur des structures lasers à base d’Arséniure de Gallium (GaAs) et de Phosphure d’Indium (InP) montre la possibilité d’améliorer l’efficacité de conversion non-linéaire par injection optique et de générer de nombreuses dynamiques dans des oscillateurs rétroactionnés et émettant sur différents états quantiques. Par ailleurs, le déploiement massif des systèmes cohérents mais également la conception des futures horloges atomiques sur puces nécessite l’utilisation de sources optiques à faible largeur de raie et ce afin de limiter la sensibilité de la réception au bruit de phase du transmetteur et de l’oscillateur local et induire un taux d’erreur binaire important. La conception de laser à faible largeur spectrale constitue un autre objectif de ce travail thèse. Les avantages de la technologie boites quantiques ont été mis à profit pour d’atteindre une largeur spectrale de 160 kHz (100 kHz en présence de rétroaction optique) ce qui est de première importance pour les applications susmentionnées. / The recent evolution of optical communication systems is such that the transfer of massive amounts of information is no longer limited to long-distance transoceanic links or backbone networks. Numerous short-reach applications requiring high data throughputs are emerging, not only in access networks, where upgrades of the bit rate of fiber-to-the-home systems need to be anticipated, but also in data center networks where huge amounts of information may need to be exchanged between servers, in part triggered by the rise of big data applications. The new requirements in terms of cost and energy consumption set by novel short-reach applications therefore need to be considered in the design and operation of a new generation of semiconductor laser sources. Owing to the tight quantum confinement of carriers, quantum dot lasers constitute a class of oscillators exhibiting superior characteristics such as a lower operating threshold, a better thermal stability as well as larger optical nonlinearities. The investigation of quantum dot lasers operating under external perturbations allows probing such optical nonlinearities in the view of developing all-optical wavelength-converters with improved performance as well as optical feedback-resistant transmitters. This last point iseven more critical since it is expected that short-reach links making use of directly modulated sources will experience massive deployment in the near future, in contrast to conventional backbone links where the number of required optoelectronic interfaces remains relatively modest. In order to do so, the thesis reports on novel findings in GaAs- and InP-based quantum dot lasers such as improved bandwidth and conversion efficiency under optical injection and various complex dynamics with delayed quantum dot oscillators emitting on different lasing states. Last but not the least, the massive deployment of coherent systems as well as the realization of future chip-scale atomic clocks require the implementation of optical sources with narrow spectral linewidth otherwise the sensitivity to the phase noise of both transmitters and local oscillators can strongly affect the bit error rates at the receiver. This is another objective to be addressed in the thesis where the benefits of the quantum dot technology has allowed to reach a spectral linewidth as low as 160 kHz (100 kHz under optical feedback) which is of paramount importance not only regarding the aforementioned applications.

L'interaction entre un faisceau laser émis avec une partie de la lumière réfléchi depuis une cible qui rentre dans la cavité active du laser, est à l'origine du phénomène de rétro-injection optique ou self-mixing. L'utilisation de ces franges interférométriques non conventionnelles, semble attractive du au faible nombre des composant optiques et son caractère auto-aligné. Dans cette thèse nous approchons leur développement en tant qu'implémentation embarqué rentable pour la mesure du déplacement. A cette fin, nous avons exploré des méthodes du traitement du signal pour la détection des franges et la reconstruction du mouvement de la cible, en évitant l'usage de composant externes. Premièrement, nous avons identifié quelques incompatibilités dans des algorithmes précédentes établis dans notre centre de recherche, puis nous avons avancé des solutions. Fondé sur la théorie d'interpolation, an algorithme simplifié mais démontré convenable en temps-réel à été proposé pour la reconstruction du déplacement. En s'appuyant sur l'élaboration d'un signal analytique, il à été proposé une version amélioré pour le calcul de phase. Celle-ci nous à permit de fournir un algorithme pour la détection de franges, robuste aux variations d'amplitude, sans tenir compte du régime de rétro-injection, impliquant une convenable utilisation pour une variété d'applications.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la forte évolution du réseau d'abonnées sur fibre optique (FTTH). Elle a l'objectif d'étudier les solutions d'émetteurs dits "achromatiques" à base de nouveaux composants optoélectroniques pour les réseaux d'accès optiques multiplexés en longueurs d'onde (WDM-PON). Ces émetteurs doivent être peu chers et identiques chez tout abonné quelque soit la longueur d'onde de fonctionnement. Deux types d'émetteurs achromatiques à base de modulateur réflectif sont étudiés dans cette thèse : le laser Fabry-Perot verrouillé par injection optique (IL-FP) et le modulateur électro-absorbant amplifié en réflexion (R-EAM-SOA). Les caractéristiques de l'IL-FP en régime de verrouillage sont évaluées en termes de bruit d'intensité, de modulation, de facteur de couplage phase-amplitude,... La caractérisation tant statique que dynamique est aussi effectuée pour le second composant R-EAM-SOA. D'autres fonctionnalités de ce composant comme la détection directe et la régénération promettent son grand potentiel pour la réalisation d'un dispositif multifonctionnel pour le réseau d'accès. Il est également proposé d'utiliser pour la première fois, le laser à bâtonnets quantiques à blocage de modes (QD-MLL) comme source d'injection multi-longueurs d'onde cohérentes pour l'accès optique WDM. Il est montré qu'il est possible de supprimer le bruit de partition de modes associé à ces structures à blocage de modes. Finalement l'intégration de ces trois composants dans des architectures WDM-PON est réalisée. La faisabilité des systèmes WDM-PON à 2,5 Gb/s à base des IL-FP injectés par une source QD-MLL est évaluée pour différentes configurations et architectures réseau. La montée en débit à 10 Gb/s est prouvée en utilisant le R-EAM-SOA. Un système WDM-PON bidirectionnel avec une capacité de 240 (24 x 10) Gb/s en voie descendante et 60 (24 x 2,5) Gb/s en voie montante a été démontré en utilisant ces solutions d'émetteurs achromatiques proposées. Une des principales sources de dégradation du système WDM-PON bidirectionnel est la rétrodiffusion de Rayleigh pour laquelle le bruit interférométrique produit est étudié. L'impact de ce bruit sur les performances en transmission du système WDM-PON est aussi analysé.

La première partie du manuscrit est consacrée au fonctionnement de sources à diode laser en montage de type cavité étendue et qui intègre un filtre holographique. Ce filtre intra-cavité est dynamique est constitué de l'association d'un matériau photoréfractif et d'un réflecteur. Nous montrons que ce filtre est équivalent à un filtre Fabry-Perot dont l'un des miroirs est constitué par un réseau de Bragg photoréfractif enregistré par la structure de modes du laser. Ses caractéristiques sont décrites en détail. Une brève analyse de stabilité d'un laser auto-organisable illustre le processus de sélection entre les modes, induit par le filtre Fabry-Perot photoréfractif. Nous avons alors étudié des fonctionnements de sources à diode laser montée en cavité étendue utilisant comme réflecteur distant un filtre Fabry-Perot photoréfractif. Dans le cas des diodes laser qualifiées de limitée par diffraction, où l'émission laser est supportée par un seul mode transverse, cette configuration originale force l'oscillation de la source sur un seul mode longitudinal et ce, sur une large plage de courant d'injection. Ce comportement a été démontré pour des longueurs d'onde de fonctionnement allant de 630 à 1550 nm et des puissances de sortie variant de quelques dizaines de milliWatt au Watt. Enfin, nous avons démontré qu'un tel filtre dynamique utilisé avec des diodes laser à ruban large, supportant plusieurs modes transverse, introduit également des pertes sélectives sur la structure transverse des modes. L'application dans ce dernier cas est l'amélioration de la brillance de sources à diode laser de puissance. Enfin, nous présentons le fonctionnement original d'une source à diode laser accordable dont la longueur d'onde de fonctionnement est fixée par l'injection optique temporaire d'un faisceau issu d'un laser maître. Cette source présente la particularité de disposer dans sa cavité d'un milieu holographique dynamique de type photoréfractif qui lui permet, après arrêt de l'injection, de conserver un fonctionnement à la longueur d'onde préalablement imposée par le laser maître. En utilisant un laser maître accordable en longueur d'onde, nous avons réalisé l'adressage optique d'une telle source suivant un peigne de longueurs d'onde quasi périodique. La seconde partie du manuscrit traite des études sur le renforcement des interactions nonlinéaires dans des milieux micro-structurés en semi-conducteurs. La première étape a nécessité le développement complet d'une source OPO accordable en longueur d'onde et délivrant des impulsions picosecondes. Nous rapportons la première démonstration expérimentale et quantitative sur le lien entre la propagation d'une impulsion en régime de lumière lente et l'exaltation des nonlinéarités. Nous avons en particulier étudié les phénomènes d'absorption à deux photons (TPA) et d'auto-modulation de phase induits par les effets Kerr optique et de réfraction par les porteurs libres (FCR) générés par TPA. Par un ajustement de nos courbes expérimentales, sans paramètre ajustable (en s'appuyant sur la valeur de la vitesse de groupe mesurée en régime de propagation linéaire), nous avons démontré de manière quantitative l'effet de l'exaltation des nonlinéarités par l'effet du ralentissement de la lumière. Parallèlement, nous avons initié une étude consacrée à la diffusion Raman stimulée dans des nano-structures semi-conductrices. Nous avons démontré, dans des nanoguides de silicium sur isolant, une saturation du facteur d'amplification Raman par l'élargissement spectral des impulsions pompe par des effets d'automodulation de phase nonlinéaire. Enfin, nous présentons nos résultats expérimentaux sur le fonctionnement d'une microcavité doublement résonnante en régime de diffusion Raman stimulée.