Este trabalho apresenta uma análise de natureza teórica de um dispositivo RF-Photonic denominado de Oscilador de Microondas Optoeletrônico. Este dispositivo, realizado utilizando-se conceitos de óptica integrada, converte a energia contínua de uma fonte laser em sinais na faixa espectral de Microondas ou de Rádio Freqüência (RF). Os sinais gerados por este oscilador são considerados mais estáveis e espectralmente puros do que aqueles gerados pelos tradicionais osciladores eletrônicos que utilizam o cristal de quartzo como seu meio ressonante. Este oscilador, referido pelo acrônimo de OEO, consiste de uma fonte laser e um circuito de realimentação constituído por um modulador eletroóptico de amplitude, uma linha de atraso a fibra óptica, um fotodetector, um amplificador e um filtro. Neste trabalho, abordam-se dispositivos optoeletrônicos nos quais as características de sinais ópticos são controladas por sinais de microondas, por meio do efeito eletroóptico. Desenvolve-se uma análise detalhada do interferômetro de tipo Mach-Zehnder, o qual é utilizado para implementar o modulador eletroóptico existente no OEO. Faz-se um desenvolvimento completo e detalhado de um enlace óptico analógico com a finalidade de constituir uma sólida base teórica. Emprega-se uma teoria quase linear para analisar o limiar de oscilação e determinar os valores de amplitude e freqüência de oscilação do OEO. Apresenta-se uma configuração em malha dupla, a qual resolve a dificuldade na implementação de filtros de RF altamente seletivos, requeridos pelo OEO.

Photonic links have been proposed to transport radio frequency (RF) signals over optical fiber. External optical modulation is commonly used in high performance RF-photonic links. The practical use of optical fiber to transport RF signals is still limited due to high RF signal loss. In order to reduce the RF signal loss, highly efficient modulators are needed. For many applications, modulators with broad bandwidths are required. However, there are applications that require only a narrow bandwidth. For these narrow-band applications, the modulation efficiency can be improved through the resonant enhancement technique at the expense of reduced bandwidth. The aim of this thesis is to investigate highly efficient Mach-Zehnder optical modulators (MZMs) on Lithium Niobate (LiNbO3) with resonant enhancement techniques for narrow-band RF-photonic applications. This work focuses in particular on analyzing the factors that affect the modulation efficiency through resonant enhancement so that the modulator electrode structure can be optimized for maximum modulation efficiency. A parameter study of the effects of the electrode characteristics on the modulation efficiency of resonantly enhanced modulators (RE-MZM) is provided. From this study, optimum design objectives are identified. Numerical optimization is employed to explore the design trade-offs so that optimal configurations can be found. A sensitivity analysis is carried out to assess the performance of optimal RE-MZMs with respect to the variations of fabrication conditions. The results of these investigations indicate that the RE-MZM with a large electrode gap is the optimal design since it provides high modulation efficiency although the inherent switching voltage is high, and is the most tolerant to the fabrication fluctuations. A highly efficient RE-MZM on X-cut LiNbO3 is practically demonstrated with the resonant enhancement factor of 5 dB when comparing to the unenhanced modulator with the same electrode structure and effective switching voltage of 2 V at 1.8 GHz. The performance of the RF-photonic link using the fabr icated RE-MZM is evaluated. Optimization of RE-MZMs for operating at millimeter-wave frequencies is also reported. Factors that limit the modulation efficiency of an RE-MZM at millimeter-wave frequencies are identified. Novel resonant structures that can overcome these limitations are proposed. Preliminary designs indicate that greatly improved modulation efficiency could be expected.

L'objectif de cette thèse est le développement d'outils numériques pour la résolution des équations de Navier-Stokes dans l'approximation à faible nombre de Mach. On s'intéresse l'écoulement avec des contrastes de masse volumique d'origine thermique, plus particulièrement, aux anneaux de vorticité anisothermes générés par l'injection de fluide dans un milieu au repos. Ce sujet présente un intérêt important, tant du point de vue fondamental que du point de vue des applications industrielles. Tout processus industriel utilisant les systèmes d'injection est concerné, tels que les moteurs automobiles et aronautiques. Ce travail est guidé par la motivation de construire un schéma pouvant traiter les écoulements à forts contrastes de densité ayant lieu, par exemple, dans la combustion. On considère les équations conservatives formulées en trois dimensions dans un repère de coordonnées cylindriques. Quatre schémas d'intégration en temps, basés sur la méthode de projection incrémentale étendue au régime à faible nombre de Mach, sont implémentés. Des essais numériques sont menés pour analyser leurs stabilité et taux de convergence temporels. Des simulations pour une large gamme de rapports de masse volumique variant de 1/10 10 sont ralisées avec succès. Les effets de contraste de densité sur la dynamique et la structure de l'écoulement sont analysés. Les résultats ont montré que le jet chaud est caractérisé par un vortex de tête dans lequel se concentre le fluide le plus léger (chaud). Par ailleurs, le tourbillon généré par le jet froid constitue une région à temprature et masse volumique intermédiaires. On montre que les caractéristiques de l'écoulement (circulation, longueur de pénétration, coordonnées du tourbillon, etc.) sont fortement dépendantes du rapport de densité.

L'approximation isobare du système d'équations de bilan de masse, de quantité de mouvement, d'énergie et des espèces chimiques est une approximation appropriée pour représenter les écoulements réactifs à faible nombre de Mach. Dans cette approximation, qui néglige les phénomènes acoustiques, le mélange est hydrodynamiquement incompressible et les effets thermodynamiques conduisent à une compression uniforme du système. Nous présentons une nouvelle méthode numérique pour cette approximation. Une méthode de projection incrémentale, qui utilise la forme originale du bilan de masse, assure la discrétisation temporelle des équations de Navier-Stokes. La discrétisation spatiale est réalisée avec une méthode de volumes finis sur un maillage décalé de type MAC. Un schéma de décentrement d'ordre élevé est utilisé pour les flux convectifs. Nous associons à cette discrétisation, une méthode de raffinement local multi-niveaux, basée sur l'approche de Correction de Flux à l'Interface. Une première application concerne un écoulement forcé avec masse volumique variable donnée, imitant un problème de combustion. La deuxième application est le problème de convection naturelle, tout d'abord pour de faibles variations de température puis au-delà de la limite de validité de l'approximation de Boussinesq. Enfin, la troisième application est une flamme de diffusion laminaire. Pour chacun de ces cas-test, nous montrons la robustesse de la méthode numérique proposée, notamment vis à vis des variations de masse volumique. Et nous analysons le gain en précision obtenu par la méthode de raffinement local multi-niveaux.

L'objectif de la thèse était d'utiliser les développements de la manipulation d'atomes par lasers pour réaliser un appareil capable de mesurer les vitesses de rotation avec une sensibilité équivalente à celle des meilleurs gyromètres optiques. Les gyromètres atomiques, comme les gyromètres optiques sont fondés sur l'effet Sagnac. Cet effet est l'apparition d'un déphasage à la sortie d'un interféromètre d'aire non nulle, lorsque le dispositif est en rotation. On montre que l'effet Sagnac appliqué aux ondes de matière associées à des atomes de césium par exemple, est 1011 fois plus sensible que lorsqu'il est appliqué aux ondes lumineuses. La principale difficulté du dispositif est de séparer et de recombiner de façon cohérente les ondes atomiques. Dans notre dispositif, ceci est réalisé dans la zone d'interaction, grâce à des transitions à deux photons appelées transitions Raman stimulées. C'est l'impulsion des deux photons qui, une fois transférée à l'atome au cours de la transition, va provoquer la séparation angulaire des deux paquets d'ondes atomiques. La réalisation du dispositif s'appuie sur un grand nombre de nouvelles solutions techniques qui ont été validées au cours de la thèse. L'un des soucis principal a été de réaliser un appareil compact et suffisamment insensible aux paramètres extérieurs (champ magnétique, température, ?) pour qu'il puisse être transportable. Notre source atomique est une source à atomes refroidis par lasers, permettant ainsi d'avoir une zone d'interaction réduite tout en conservant un très bon niveau de performance. L'appareil est également sensible aux accélérations ; une technique de double jets atomiques contra-propageant a donc été mise en ?uvre pour discriminer les déphasages liés à la rotation et à l'accélération.

Depuis maintenant 15 ans, le domaine de la détection d'exoplanètes s'est largement développé. L'utilisation de méthodes de détection, indirectes d'abord, a permis de découvrir pas moins de 420 nouveaux "mondes", parfois surprenants. Forts de cela, les scientifiques cherchent maintenant à caractériser ces exoplanètes. Ainsi des projets spatiaux, se basant sur la méthode de l'interférométrie annulante, ont pour but de réaliser des spectres de planètes géantes et telluriques. Compte tenu de la complexité de ces missions, la nécessité de tester, d'abord en laboratoire, certains aspects technologiques comme le principe de l'interférométrie annulante, est rapidement apparue. En 2006, le CNES a décidé de mener une étude R&D de la charge utile d'un interféromètre annulant a deux télescopes (typiquement l'instrument PEGASE). Ainsi, le banc de test PERSEE (Pegase Experiment for Research and Stabilization of Extreme Extinction) est né. Ce banc est le premier banc de test couplant un interféromètre annulant avec un système permettant d'introduire des perturbations calibrées typiques du vol en formation et de les corriger grâce a des boucles actives. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la conception, de l'étude et du développement d'un des sous-systèmes du banc : le module de recombinaison interférométrique. Ce module est dérivé du concept de l'interféromètre de "Mach-Zehnder Modifié" proposé par Serabyn et al. (2001). Il a la particularité de combiner à la fois les faisceaux scientifiques permettant de faire de l'interférométrie annulante et les faisceaux du système de métrologie, ceci afin de minimiser les chemins différentiels entre les deux voies.

Both experimental and numerical investigations of converging shock waves have been performed. In the experiments, a shock tube was used to create and study converging shock waves of various geometrical shapes. Two methods were used to create polygonally shaped shocks. In the first method, the geometry of the outer boundary of the test section of the shock tube was varied. Four different exchangeable shapes of the outer boundary were considered: a circle, a smooth pentagon, a heptagon, and an octagon. In the second method, an initially cylindrical shock wave was perturbed by metal cylinders placed in various patterns and positions inside the test section. For three or more regularly spaced cylinders, the resulting diffracted shock fronts formed polygonal shaped patterns near the point of focus. Regular reflection was observed for the case with three cylinders and Mach refection was observed for cases with four or more cylinders. When the shock wave is close to the center of convergence, light emission is observed. An experimental investigation of the light emission was conducted and results show that the shape of the shock wave close to the center of convergence has a large influence on the amount of emitted light. It was found that a symmetrical polygonal shock front produced more light than an asymmetrical shape. The shock wave focusing was also studied numerically using the Euler equations for a gas obeying the ideal gas law with constant specific heats. Two problems were analyzed; an axisymmetric model of the shock tube used in the experiments and a cylindrical shock wave diffracted by cylinders in a two dimensional test section. The results showed good agreement with the experiments. The temperature field from the numerical simulations was investigated and shows that the triple points behind the shock front are hot spots that increase the temperature at the center as they arrive there. As a practical example of shock wave focusing, converging shocks in an electrohydraulic lithotripter were simulated. The maximum radius of a gas bubble subjected to the pressure field obtained from the lithotripter was calculated and compared for various geometrical shapes and materials of the reflector. Results showed that the shape had a large impact while the material did not influence the maximum radius of the gas bubble. / QC 20100706

The profile of the poloidal velocity in the edge region of tokamak plasmas has been identified as playing a major role in the confinement of particles and energy. It has been suggested that a strongly sheared poloidal flow can reduce particle and energy losses by the stabilization of unstable modes and decorrelation of turbulence the edge region of the plasma. A Gundestrup probe, a Mach probe array, is used to measure both the parallel and perpendicular flow velocities in the Saskatchewan Torus-Modified (STOR-M) tokamak during several discharge conditions. It is observed that during Ohmic discharges there is no velocity shear and the direction of the parallel flow is independent of the direction of the toroidal magnetic field. During H-mode induced by a turbulent heating current pulse, a region of strong velocity shear develops in the plasma edge and an edge transport barrier develops. This results in a short period of improved particle and energy confinement with reduced fluctuation amplitudes. During electrode biasing experiments, a stainless steel biasing electrode is inserted into the plasma up to r = 82 mm and biased to +500 V relative to the vacuum chamber. It is observed that the particle confinement improves during the biasing phase while the energy confinement is degraded. A region of weak shear in the poloidal flow is observed in the plasma scrapeoff layer (SOL). The results from STOR-M are compared with results from data taken in the Czech Academy of Sciences Torus (CASTOR) tokamak during both Ohmic discharges and discharges with electrode biasing.

The profile of the poloidal velocity in the edge region of tokamak plasmas has been identified as playing a major role in the confinement of particles and energy. It has been suggested that a strongly sheared poloidal flow can reduce particle and energy losses by the stabilization of unstable modes and decorrelation of turbulence the edge region of the plasma. A Gundestrup probe, a Mach probe array, is used to measure both the parallel and perpendicular flow velocities in the Saskatchewan Torus-Modified (STOR-M) tokamak during several discharge conditions. It is observed that during Ohmic discharges there is no velocity shear and the direction of the parallel flow is independent of the direction of the toroidal magnetic field. During H-mode induced by a turbulent heating current pulse, a region of strong velocity shear develops in the plasma edge and an edge transport barrier develops. This results in a short period of improved particle and energy confinement with reduced fluctuation amplitudes. During electrode biasing experiments, a stainless steel biasing electrode is inserted into the plasma up to r = 82 mm and biased to +500 V relative to the vacuum chamber. It is observed that the particle confinement improves during the biasing phase while the energy confinement is degraded. A region of weak shear in the poloidal flow is observed in the plasma scrapeoff layer (SOL). The results from STOR-M are compared with results from data taken in the Czech Academy of Sciences Torus (CASTOR) tokamak during both Ohmic discharges and discharges with electrode biasing.

Processing of microwave signals in electrical domain introduces many difficulties especially when the frequency of the signal is increased beyond several GHz. Electromagnetic interference (EMI) and frequency depended losses can be given as examples to these difficulties. Photonic processing of microwave signals, however, is immune to these problems since optical components such as fiber cables, lasers, optical modulators and photodetectors are both immune to EMI and have wide bandwidths. This thesis deals with down conversion of a microwave signal using a Mach-Zender modulator and filtering unwanted harmonics using a photonic filter.