La technologie des fibres optiques monomodes semble aujourd'hui atteindre ses limites fondamentales en termes de débits. Il devient donc nécessaire de proposer une rupture technologique qui permettra, dans un futur proche, de répondre aux besoins toujours croissants des utilisateurs. La technologie de multiplexage spatial a été étudiée de manière intensive depuis 2011 et elle semble être une approche susceptible de répondre au problème posé. Néanmoins, pour que cette approche soit viable technologiquement, il est nécessaire de développer et/ou de revisiter les technologies des différents composants qui constituent la ligne de transmission. Le but de cette thèse consiste à démontrer, grâce à une approche associant théorie et expérience, la possibilité de réaliser des répéteurs optiques adaptés à cette technologie émergente, et plus particulièrement au cas du multiplexage modal de l'information dans des fibres légèrement multimodes. Nous nous sommes intéressés à l'élaboration d'amplificateurs à fibres dopées Erbium permettant l'obtention d'un gain égalisé sur les différents canaux de télécommunication utilisés, à savoir les modes et les longueurs d'onde. Pour cela, nous avons proposé une optimisation de la distribution transverse du dopant (Erbium), associée à un schéma de pompage simple de la fibre active. Deux géométries de fibres ont été étudiées : fibres à symétrie cylindrique (réalisées par procédé de fabrication conventionnel), et fibres à coeur micro-structuré. Nous démontrons qu'il est possible d'obtenir un gain élevé et égalisé sur l'ensemble des canaux, tout en conservant une efficacité énergétique satisfaisante du composant. / The current single mode fiber-based technology seems to reach its fundamental limits in terms of data rate. Thus, new disruptive technologies are required in order to meet the continuously increasing demand for data traffic. Since 2011, Space Division Multiplexing (SDM) has been intensively investigated and seems to be a potential approach to further increase the bandwidth and overcome the capacity crunch. Nevertheless, to make this technology viable, the technologies of the different components of the telecommunication line have to be developed or revisited. The aim of this thesis is to show the possibility of realizing optical repeaters especially designed for this new multiplexing technology, thanks to numerical and experimental results. More specifically, we focus our attention on the design and the characterization of few-mode erbium doped fiber amplifiers enabling gain equalization over the different communication channels used for the transmission, in the case of Mode Division Multiplexing (MDM). For this purpose, we propose an optimization of the transverse erbium distribution into the fiber core, associated with a simple pumping scheme. Two fiber designs have been investigated: fibers with cylindrical geometry (realized with standart fabrication process), and micro-structured-core fibers. Finaly, we demonstrate the possibility of obtaining high and flat gain over the different channels, while conserving a satifying energy efficiency.

L'objectif de cette thèse est, dans un premier temps, d'étudier la génération d'ultraviolets dans les fibres microstructurées par mélange à quatre ondes d'une pompe à 532 nm, en particulier en fonction des fluctuations des propriétés de dispersion dues au procédé de fabrication et en explorant différents régimes de pompage; puis, dans un second temps, le développement d'une méthode versatile de caractérisation du contenu modal. Nous utiliserons le calcul différentiel stochastique pour représenter l'espérance du gain obtenu par mélange à quatre ondes en fonction des fluctuations. Ensuite, de nouveaux schémas de pompages sont étudiés pour générer des UV avec une grand qualité de faisceau. Dans le cadre de l'étude des perturbations du procédé de fabrication, nous avons confirmé que l'invariance de l'accord de phase en fonction des fluctuations d'échelle permet d'obtenir un gain maximum en ces points, et ce même si les fréquences générées sont situées très loin de la pompe.En ce qui concerne la génération d'UV proprement dite, nous avons isolé un schéma de pompage qui consiste à distribuer la pompe sur deux modes d'une fibre microstructurée et d'exploiter l'accord de phase obtenu pour la dispersion de pompe moyenne entre les deux modes. Ce processus permet, comme nous l'avons confirmé expérimentalement, de générer des UV dans le mode fondamental. Enfin, le développement d'une méthode d'analyse statistique multivariée de l'interférence entre les modes a permis de séparer tous les battements inter-modaux et de reconstruire les enveloppes de champ et la distribution modale de puissance, et ce, sans faire appel à aucune des hypothèses propres aux méthodes existantes. / The main objective of this thesis is, firstly, to study the generation of ultraviolet light in photonic crystal fibers through four-wave mixing of a 532 nm pump, in particular in the presence of dispersion fluctuations due to the fabrication process and by exploring different pumping schemes; secondly, the aim was to develop a versatile analysis method of the modal content of multimode fibers.We used stochastic calculus to model the expected gain value of four-wave mixing as a function of the fluctuations of the fiber drawing process. Furthermore, alternative pumping schemes were studied to aim at producing high-quality UV beams.While studying the impact of stochastic fluctuations of the fiber drawing process, we confirmed that phase-matching points showing an invariance with respect to scale fluctuations should indeed provide maximum gain at that point, even for very large frequency detunings with respect to the pump. Concerning the generation of UV light with very high beam quality, we have isolated a pumping scheme in which the pump is split across two spatial modes of a photonic crystal fiber and take advantage of the phase-matching condition of the averaged pump dispersion of the two pump modes. We have shown experimentally that this process can produce ultraviolet light in the fundamental mode. Finally, the elaboration of an advanced multivariate statistical analysis method applied to inter-modal interference allowed one to separate, in a semi-automatic fashion, all the interferences and reconstruct the mode envelopes and modal power distribution without any of the hypotheses required by other methods.

In den vergangenen Jahrzehnten konzentrierte sich das Operations Management auf Optimierungsstrategien, insbesondere wurden Meta-Heuristiken für das komplexe, kombinatorische Problem der ressourcenbegrenzten Ablaufplanung erforscht. In einfachen Worten gehört dieses Problem zu den NP-schweren Problemen, die einen derart großen Lösungsraum besitzen, der mittels Enumerationverfahren rechnerisch unlösbar ist. Daher erfordert die Exploration von optimalen Lösungen andere Methoden als Zufallssuchverfahren. Solche Suchalgorithmen in Meta-Heuristik starten mit einer oder mehreren Ausgangslösung und erkunden den Suchraum nach optimalen Lösungen. Jedoch stellen die existierenden Forschungsansätze zur Lösungssuche nur diejenigen Lösungen bereit, die ausschließlich unter den gegebenen Eingangsbedingungen optimal sind. Diese Eingabebedingungen definieren einen Lösungsraum, in dem alles nach Plan geht. Jedoch ist das in der Praxis sicherlich nicht der Fall. Wie wir sagen, der Wandel ist die einzige Konstante in dieser Welt. Risiken und Unsicherheiten begegnen stets im täglichen Leben. Die vorliegende Dissertation untersucht Optimierungsansätze unter Unsicherheit. Der Forschungsbeitrag ist zweigeteilt. Wie bereits gesagt, wurden Optimierungsstrategien zum Durchsuchen des Lösungsraums in den letzten Jahren stark erforscht. Obwohl es eine anerkannte Tatsache ist, dass die Verbesserung und die Leistung von Optimierungsstrategien stark mit den Initiallösungen korreliert, scheint die Literatur diesbezüglich inexistent, während zumeist auf die Entwicklung von meta-heuristischen Algorithmen wie Genetische Algorithmen und Particle-Swarm-Optimierung fokussiert wird. Die Initiallösungen werden durch simulationsbasierte Strategien entwickelt, die typischerweise gierige Regeln und ereignisbasierte Simulation nutzen. Allerdings verhalten sich kommerzielle Basis-Softwareprodukte meist als Black-Box und stellen keine Informationen über das interne Verhalten bereit. Außerdem erfordern derartige Softwareprodukte meist spezielle Architekturen und missachten Ressourcenbeschränkungen. Die vorliegende Studie diskutiert die ressourcenbeschränkte Projektplanung mit alternativen Modi und schlägt ein simulationsbasiertes Rahmenwerk vor, mit dem ein heuristisches Multi-Pass-Verfahren zur Verfügung gestellt wird. Das erweiterte Multi-Modus-Problem ist in der Lage, den Produktionsbereich in einer besseren Art und Weise nachzubilden, bei dem eine Aktivität von mehreren Ressourcen unterschiedlicher Qualifikation ausgeführt werden kann. Der vorgeschlagene Rahmen diskutiert die Leistung von Algorithmen und verwendet hierfür Benchmark-Instanzen. Das Verhalten verschiedener Projektnetze und deren Eigenschaften werden auch innerhalb des vorgeschlagenen Rahmenwerks bewertet. Darüber hinaus hilft das offene Rahmenwerk, besondere Eigenschaften von Aktivitäten zu analysieren, um deren Verhalten im Fall von Störungen zu prognostizieren. Die traditionellen Methoden der Risikoanalyse schlagen Slack-basierte Maßzahlen vor, um die Effizienz von Basisplänen zu bestimmen. Das Rahmenwerk wird weiter entwickelt, um mit diesem einen Prüfstand zu gestalten, mit dem nicht-reguläre Maßzahlen bestimmt werden können. Diese Maßnahmen werden als Robustheitsindikatoren bezeichnet und korrelieren mit der Verzögerung derartiger Multi-Modus-Probleme. Solche Leistungsmaße können genutzt werden, um die Wirksamkeit von Basisplänen zu bewerten und ihr Verhalten unter Unsicherheiten zu prognostizieren. Die Ergebnisse dieser Tests werden als modifizierte Zielfunktion verwendet, in der ein bi-objektives Leistungsmaß aus Durchlaufzeit und Robustheit eingesetzt wird, um die Effizienz der vorgeschlagenen Heuristiken zu testen. Da diese Leistungsmaße das Verhalten von Aktivitäten unter Störungen zeigen, werden diese auch genutzt, um die Formfaktoren und Puffergrößen für die Entwicklung eines stochastischen Modells zu bestimmen. Die Analyse der Projektergebnisse, durchgeführt mittels Monte-Carlo-Simulationen, unterstützt das Argument von Teilpuffern für die Modellierung von Aktivitätsdauern anstatt Ansätze mit Extrempuffern und PERT-beta-Schätzungen. / Over the past decades, researches in the field of operations management have focused on optimization strategies based on meta-heuristics for the complex-combinatorial problem of resource constrained scheduling. In simple terms, the solution for this particular problem categorized as NP-hard problem, exhibits a large search space, is computationally intractable, and requires techniques other than random search. Meta-heuristic algorithms start with a single or multiple solutions to explore and optimize using deterministic data and retrieve a valid optimum only under specified input conditions. These input conditions define a solution search space for a theoretical world undergoing no disturbance. But change is inherent to the real world; one is faced with risks and uncertainties in everyday life. The present study explores solution methodologies in the face of uncertainties. The contributions of this thesis are two-fold. As mentioned earlier, existing optimization strategies have been vigorously investigated in the past decade with respect to exploring large solution search space. Although, it is an established fact that the improvement and performance of optimization strategies is highly correlated with the initial solutions, existing literature regarding this area is not exhaustive and mostly focuses on the development of meta-heuristic algorithms such as genetic algorithms and particle swarm optimization. The initial solutions are developed through simulation based strategies mainly based on greedy rules and event based simulation. However, the available commercial softwares are primarily modeled as a black box and provide little information as to internal processing. Additionally, such planners require special architecture and disregard resource constraints. The present study discusses the multi-mode resource constrained scheduling problem and proposes a simulation-based framework to provide a multi-pass heuristic method. The extended version of multi-mode problem is able to imitate production floor in an improved manner where a task can be performed with multiple resources with certain qualifications. The performance of the proposed framework was analyzed using benchmark instances. The behavior of different project networks and their characteristics is also evaluated within the proposed framework. In addition, the open framework aids in determining the particular characteristic of tasks in order to analyze and forecast their behavior in case of disruptions. The traditional risk analysis techniques suggest slack-based measures in order to determine the efficiency of baseline schedules. The framework is further developed to design a test bench in order to determine non-regular performance measures named as robustness indicators which correlate with the delay of such cases as multi-mode problem. Such performance measures can be used to indicate the effectiveness of baseline schedules and forecast their behavior. The outputs of these tests are used to modify the objective function which uses makespan and robustness indicators as a bi-objective performance measure in order to test the efficiency of proposed heuristics. Furthermore, since these measures indicate the behavior of tasks under disruptions, they are utilized in order to determine the shape factors and buffers for the development of a stochastic model. The analysis of project outcomes performed through Monte-Carlo simulations supports the argument of partial buffer sizing for modeling activity duration estimates rather than extreme buffer approaches proposed via PERT-beta estimates.

Les fibres optiques (qu’elles soient à saut ou à gradient d'indice) sont largement utilisées pour les liaisons longue (intercontinentale, dorsale optique terrestre) et courte portée (centre de données, réseau d'accès). Certaines fibres, appelées fibres optiques de spécialité, jouent également un rôle important dans d'autres domaines telles que la médecine (endoscopie par exemple), les capteurs, les applications au laser, etc. La multiplication constante des services Internet combinée à la croissance du nombre d'utilisateurs rend nécessaire l'augmentation de la capacité actuelle des réseaux à fibres optiques. Les fibres aujourd’hui installées et utilisées pour les transmissions à très haut débit utilisent uniquement le mode fondamental (noté LP01, dans l'approximation de faible guidage) pour transmettre les informations : on parle de fibres optiques monomodes. Comme ils atteignent maintenant la limite non-linéaire de Shannon, une des idées pour augmenter la capacité des réseaux optiques consiste à mettre en œuvre le multiplexage spatial (SDM) et à utiliser simultanément différents modes dans une fibre dite légèrement multimode (supportant généralement quelques dizaines de modes) ou une fibre multi-cœurs. Depuis 2010, plusieurs études ont été développées dans ce sens, principalement sur les fibres supportant les modes LP (Linéairement Polarisés) et, plus récemment, les modes OAM (moment angulaire orbital), c’est-à-dire des modes à polarisation circulaire et à phase hélicoïdale. Dans ce dernier cas, les propriétés de phase et de polarisation sont supposées limiter le couplage entre les modes. Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de fibres OAM présentant un couplage faible entre modes, pour une application au transport de données mais également pour une étude en photonique non-linéaire. Certaines des fibres étudiées sont des fibres à cœur annulaire fabriquées selon les méthodes de fabrication conventionnelles, présentant des rayons interne / externe et des indices d’anneau optimisés. Nous avons fabriqué de telles fibres à cœur annulaire toute solide dans le but de les appliquer pour une transmission MIMO simple en utilisant des modes OAM comme des canaux indépendants. Cependant, nous avons également conçu et fabriqué la première fibre à cristal photonique (PCF) avec un cœur annulaire quasi-circulaire, à faible perte par confinement et adaptée au guidage des modes OAM. Nous avons montré expérimentalement que les fibres fabriquées supportent les modes OAM et leurs matrices de transmission ont été mesurées. Nous avons également effectué des expérimentations préliminaires sur le décalage solitonique dans la fibre PCF supportant les modes OAM. / Optical fibers (step index and graded-index ones) are widely used for long-haul (intercontinental, terrestrial optical backbone) and short-reach (datacenter, access network) links. Some fibers called specialty optical fibers also play an important role in other applications like medicine (endoscopy for example), sensing, laser applications etc. The constant rise of Internet services combined to the growth of the number of Internet users makes it necessary to increase the current capacity of optical fiber networks. The fibers commercially used today for very high data rate transmissions use only the fundamental mode (denoted LP01, in the weakly guiding approximation) to transmit the information: there are known as single-mode fibers. As they are now reaching the so-called nonlinear Shannon limit, one of the ideas for increasing the capacity of fiber networks is to implement space-division multiplexing (SDM) and then simultaneously use different modes in a so-called few-mode fiber (fiber supporting typically dozens of modes) or a multicore fiber. Since 2010, several studies have been developed in this direction, mainly on fibers supporting LP (Linearly Polarized) modes and more recently OAM (Orbital Angular Momentum) modes, i.e. modes with helical phase and circular polarization. In this last case, phase and polarization properties are supposed to limit the coupling between modes. This PhD work deals with the design and the realization of OAM fibers presenting weak coupling between modes, for application to data transport but also for study in nonlinear photonics. Some of the fibers studied are annular core fibers made by conventional manufacturing methods, having internal / external radii and optimized ring refractive indices. We fabricated such all-solid ring-core fibers with the aim to apply them for simple MIMO transmission using OAM modes as independent channels. However, we also designed and manufactured the first photonic crystal fiber (PCF) with close-to-circular ring-core, low confinement loss and suitable for OAM mode guidance. We experimentally show that the fabricated fibers support OAM modes, and their transmission matrices have been measured. We also performed preliminary solitonic shifting experimentations in PCF fiber supporting OAM.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des propriétés quantiques d'un Oscillateur Paramétrique Optique pompé en mode synchrone (SPOPO) en dessous du seuil. Les relations d'entrée-sortie du champ quantique sont établies pour un tel dispositif en utilisant un formalisme symplectique à la fois en temps et en fréquence. On prédit que le champ produit est dans un état fortement multimode où les modes comprimés sont des peignes de fréquences de différents profils spectraux/temporels. On le démontre expérimentalement à l'aide d'un SPOPO composé d'une cavité en anneau et un cristal non-linéaire pompé par un train d'impulsions femtoscondes à 400 nm. Les états générés sont mesurés par une détection homodyne avec mise en forme de l'oscillateur local. Cela permet la construction d'une matrice de covariance dans une base de pixels de fréquences et la mise en évidence des corrélations quantiques entre les différentes régions du spectre optique. La diagonalisation de cette matrice donne les modes décorrélés en bruit et les niveaux de compression de bruit respectifs. La génération d'états décrits par au moins 4 modes décorrélés dans des états comprimés se propageant dans le même faisceau a été démontrée. Les résultats plus récents montrent des états à 8 modes, ouvrant la voie à la génération extensible d'états fortement multimodes de la lumière.

In den vergangenen Jahrzehnten konzentrierte sich das Operations Management auf Optimierungsstrategien, insbesondere wurden Meta-Heuristiken für das komplexe, kombinatorische Problem der ressourcenbegrenzten Ablaufplanung erforscht. In einfachen Worten gehört dieses Problem zu den NP-schweren Problemen, die einen derart großen Lösungsraum besitzen, der mittels Enumerationverfahren rechnerisch unlösbar ist. Daher erfordert die Exploration von optimalen Lösungen andere Methoden als Zufallssuchverfahren. Solche Suchalgorithmen in Meta-Heuristik starten mit einer oder mehreren Ausgangslösung und erkunden den Suchraum nach optimalen Lösungen. Jedoch stellen die existierenden Forschungsansätze zur Lösungssuche nur diejenigen Lösungen bereit, die ausschließlich unter den gegebenen Eingangsbedingungen optimal sind. Diese Eingabebedingungen definieren einen Lösungsraum, in dem alles nach Plan geht. Jedoch ist das in der Praxis sicherlich nicht der Fall. Wie wir sagen, der Wandel ist die einzige Konstante in dieser Welt. Risiken und Unsicherheiten begegnen stets im täglichen Leben. Die vorliegende Dissertation untersucht Optimierungsansätze unter Unsicherheit. Der Forschungsbeitrag ist zweigeteilt. Wie bereits gesagt, wurden Optimierungsstrategien zum Durchsuchen des Lösungsraums in den letzten Jahren stark erforscht. Obwohl es eine anerkannte Tatsache ist, dass die Verbesserung und die Leistung von Optimierungsstrategien stark mit den Initiallösungen korreliert, scheint die Literatur diesbezüglich inexistent, während zumeist auf die Entwicklung von meta-heuristischen Algorithmen wie Genetische Algorithmen und Particle-Swarm-Optimierung fokussiert wird. Die Initiallösungen werden durch simulationsbasierte Strategien entwickelt, die typischerweise gierige Regeln und ereignisbasierte Simulation nutzen. Allerdings verhalten sich kommerzielle Basis-Softwareprodukte meist als Black-Box und stellen keine Informationen über das interne Verhalten bereit. Außerdem erfordern derartige Softwareprodukte meist spezielle Architekturen und missachten Ressourcenbeschränkungen. Die vorliegende Studie diskutiert die ressourcenbeschränkte Projektplanung mit alternativen Modi und schlägt ein simulationsbasiertes Rahmenwerk vor, mit dem ein heuristisches Multi-Pass-Verfahren zur Verfügung gestellt wird. Das erweiterte Multi-Modus-Problem ist in der Lage, den Produktionsbereich in einer besseren Art und Weise nachzubilden, bei dem eine Aktivität von mehreren Ressourcen unterschiedlicher Qualifikation ausgeführt werden kann. Der vorgeschlagene Rahmen diskutiert die Leistung von Algorithmen und verwendet hierfür Benchmark-Instanzen. Das Verhalten verschiedener Projektnetze und deren Eigenschaften werden auch innerhalb des vorgeschlagenen Rahmenwerks bewertet. Darüber hinaus hilft das offene Rahmenwerk, besondere Eigenschaften von Aktivitäten zu analysieren, um deren Verhalten im Fall von Störungen zu prognostizieren. Die traditionellen Methoden der Risikoanalyse schlagen Slack-basierte Maßzahlen vor, um die Effizienz von Basisplänen zu bestimmen. Das Rahmenwerk wird weiter entwickelt, um mit diesem einen Prüfstand zu gestalten, mit dem nicht-reguläre Maßzahlen bestimmt werden können. Diese Maßnahmen werden als Robustheitsindikatoren bezeichnet und korrelieren mit der Verzögerung derartiger Multi-Modus-Probleme. Solche Leistungsmaße können genutzt werden, um die Wirksamkeit von Basisplänen zu bewerten und ihr Verhalten unter Unsicherheiten zu prognostizieren. Die Ergebnisse dieser Tests werden als modifizierte Zielfunktion verwendet, in der ein bi-objektives Leistungsmaß aus Durchlaufzeit und Robustheit eingesetzt wird, um die Effizienz der vorgeschlagenen Heuristiken zu testen. Da diese Leistungsmaße das Verhalten von Aktivitäten unter Störungen zeigen, werden diese auch genutzt, um die Formfaktoren und Puffergrößen für die Entwicklung eines stochastischen Modells zu bestimmen. Die Analyse der Projektergebnisse, durchgeführt mittels Monte-Carlo-Simulationen, unterstützt das Argument von Teilpuffern für die Modellierung von Aktivitätsdauern anstatt Ansätze mit Extrempuffern und PERT-beta-Schätzungen. / Over the past decades, researches in the field of operations management have focused on optimization strategies based on meta-heuristics for the complex-combinatorial problem of resource constrained scheduling. In simple terms, the solution for this particular problem categorized as NP-hard problem, exhibits a large search space, is computationally intractable, and requires techniques other than random search. Meta-heuristic algorithms start with a single or multiple solutions to explore and optimize using deterministic data and retrieve a valid optimum only under specified input conditions. These input conditions define a solution search space for a theoretical world undergoing no disturbance. But change is inherent to the real world; one is faced with risks and uncertainties in everyday life. The present study explores solution methodologies in the face of uncertainties. The contributions of this thesis are two-fold. As mentioned earlier, existing optimization strategies have been vigorously investigated in the past decade with respect to exploring large solution search space. Although, it is an established fact that the improvement and performance of optimization strategies is highly correlated with the initial solutions, existing literature regarding this area is not exhaustive and mostly focuses on the development of meta-heuristic algorithms such as genetic algorithms and particle swarm optimization. The initial solutions are developed through simulation based strategies mainly based on greedy rules and event based simulation. However, the available commercial softwares are primarily modeled as a black box and provide little information as to internal processing. Additionally, such planners require special architecture and disregard resource constraints. The present study discusses the multi-mode resource constrained scheduling problem and proposes a simulation-based framework to provide a multi-pass heuristic method. The extended version of multi-mode problem is able to imitate production floor in an improved manner where a task can be performed with multiple resources with certain qualifications. The performance of the proposed framework was analyzed using benchmark instances. The behavior of different project networks and their characteristics is also evaluated within the proposed framework. In addition, the open framework aids in determining the particular characteristic of tasks in order to analyze and forecast their behavior in case of disruptions. The traditional risk analysis techniques suggest slack-based measures in order to determine the efficiency of baseline schedules. The framework is further developed to design a test bench in order to determine non-regular performance measures named as robustness indicators which correlate with the delay of such cases as multi-mode problem. Such performance measures can be used to indicate the effectiveness of baseline schedules and forecast their behavior. The outputs of these tests are used to modify the objective function which uses makespan and robustness indicators as a bi-objective performance measure in order to test the efficiency of proposed heuristics. Furthermore, since these measures indicate the behavior of tasks under disruptions, they are utilized in order to determine the shape factors and buffers for the development of a stochastic model. The analysis of project outcomes performed through Monte-Carlo simulations supports the argument of partial buffer sizing for modeling activity duration estimates rather than extreme buffer approaches proposed via PERT-beta estimates.

De nombreux efforts sont actuellement portés sur le développement de sources laser à fibre optique, qui ont des applications dans une variété de domaines scientifiques et industriels. Les propriétés intrinsèques de la fibre dopée sont favorables à l'obtention de fortes puissances moyennes, grâce à une excellente capacité de dissipation thermique. Cependant, le confinement de la lumière dans le coeur de la fibre et les grandes longueurs d'interaction sont à l'origine d'effets non linéaires, comme la diffusion Brillouin stimulée dans le cas d'une source de faible largeur spectrale. L'objectif de ce travail de thèse est de développer une source laser fibrée de forte énergie alliant bonne qualité spatiale et finesse spectrale, dans le but de répondre à un besoin de LIDAR à détection cohérente. L'approche suivie consiste à séparer l'obtention de l'énergie de celle de la qualité de faisceau. Avec une chaîne amplificatrice dont le dernier étage est une fibre multimode co-dopée Erbium-Ytterbium, des impulsions laser à la longueur d'onde de 1,5 μm avec une énergie supérieure à 1 mJ ont été obtenues. Le très large coeur de la fibre évite l'apparition de l'effet Brillouin, mais le profil transverse du faisceau est fortement multimode. Pour retrouver une bonne qualité de faisceau, un étage de remise en forme du profil est mis en place, mettant à profit la propriété de nettoyage de faisceau par effet Brillouin dans une fibre multimode àgradient d'indice. Par ailleurs, un schéma original d'amplification Brillouin est proposé et validé expérimentalement, permettant de conserver la largeur spectrale de la source.

Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude théorique et expérimentale d'oscillateurs paramétriques optiques (OPO) multimodes dans deux régimes: l'optique des images et l'optique des impulsions. On rappelle les outils utilisés habituellement pour décrire et manipuler les états non-classiques de la lumière, en insistant sur l'importance du concept de mode du champ dans sa description quantique, qu'il soit transverse ou longitudinal. On rappelle ensuite les techniques de manipulation des modes transverse (images) et des modes longitudinaux (impulsions) au niveau théorique et expérimental. L'accent est mis sur le rapprochement de ces deux domaines où l'on peut facilement identifier un grand nombre de variables similaires. Un modèle général des OPO multimodes est développé, s'appuyant sur un traitement multimode de la conversion paramétrique dans un cristal non-linéaire d'ordre deux. Ce modèle conduit à des états non-classiques multimodes, intéressants pour l'information quantique, et peut être appliqué aux cas d'un OPO dans une cavité dégénérée pour les modes transverses, et d'un OPO pompé en modes synchrones (SPOPO). Tous ces développements théoriques s'orientent vers plusieurs expériences d'optique multimode décrites dans ce manuscrit. La première est une étude de la transmission et le doublage de fréquence d'images dans une cavité auto-imageante. Deux expériences d'imagerie quantique sont ensuite décrites: l'une conduit à une réduction de bruit multimode dans un OPO au dessus du seuil et la seconde utilise un OPO dans une cavité auto-imageante et permet la production et la caractérisation d'un état trimode sous le seuil de l'OPO. Enfin, on décrit la mise en place expérimentale d'un SPOPO qui conduit à des premiers résultats de réduction de bruit sur un peigne de fréquence.

L'objectif de cette thèse est de développer un ensemble de modèles pour comprendre la physique des sources lasers à fibres de grande luminance spectrale. En les utilisant, des sources laser impulsionnelles à fibres dopées Erbium-Ytterbium ont été réalisées pour les applications lidar à détection cohérente.<br />La dynamique des sources impulsionnelles générant des impulsions nanosecondes à microsecondes a été analysée dans la première partie de cette étude. L'influence des réflexions parasites aux faibles taux de répétition (quelques kilohertz) a notamment été mise en évidence. Les effets thermiques dans les lasers Erbium-Ytterbium à forte puissance de pompe ont également été étudiés. Lorsque l'intensité transportée devient suffisamment importante, l'effet non-linéaire<br />dominant, la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) limite la puissance extractible des amplificateurs.<br />Nous avons donc développé dans un deuxième temps un modèle original qui rend compte de la dynamique de la DBS dans les amplificateurs dopés. Le caractère guidé des ondes acoustiques qui interviennent a été pris en compte. Un modèle satisfaisant des modes longitudinaux acoustiques a été introduit. Afin d'élever le seuil de la DBS, des fibres amplificatrices faiblement multimodes peuvent être utilisées. Un compromis entre qualité spatiale et puissance crête transportable doit alors être<br />trouvé. Grâce à nos modèles, nous avons conçu une source impulsionnelle multi-étages qui a permis<br />d'atteindre 650 µJ pour des impulsions de l'ordre de la microseconde avec une qualité de faisceau caractérisée par un M2~2.

Nous nous ici intéressons à la propagation d'états non-classiques de la lumière à travers des milieux désordonnés, comme les couches de peinture ou les fibres multimodes. Ces milieux sont généralement considérés comme des obstacles à la propagation de la lumière: par exemple, la diffusion de la lumière dans les tissus biologiques diminue considérablement les capacités des systèmes d'imagerie optique. C'est donc un phénomène duquel on souhaite généralement s'affranchir. Au contraire, dans notre étude nous exploitons ce désordre et utilisons ces milieux comme des "mélangeurs" de lumière. La lumière qui y pénètre est fortement diffusée et ses propriétés spectrales, spatiales et de polarisation sont complètement redistribuées. Cette redistribution est associée à un phénomène de propagation d'onde et d'interférence complexe qui est donc déterministe. Nous pouvons alors utiliser des méthodes de manipulation de front d'onde pour étudier ou contrôler ce mélange. Associés à des états non-classiques, ces systèmes permettent de réaliser des marches aléatoires quantiques dans des environnements bien plus complexes que ceux qui existent actuellement. Les méthodes de contrôle de front d'onde nous ont permis d'étudier et de manipuler ces marches aléatoires. Nous avons notamment montré qu'il est possible de guider les photons en manipulant les interférences classiques et quantiques. Ce travail nous a permis d'étudier de nouveaux aspects de la physique des milieux complexes, mais aussi d'explorer un nouveau type de plateformes pour marches aléatoires quantiques qui pourraient jouer un rôle important dans le développement des nouvelles applications pour traitement de l'information. / Light is not only an ideal medium to transmit information, but also a very interesting physical system to process it. In this respect, quantum optics has recently emerged as a highly promising domain for the development of new computing applications that can surpass the performances of currently available systems. In this respect, quantum walk of photons has recently emerged as a very powerful model for quantum information science, and integrated photonic devices have proven a versatile architecture for their implementation. While these waveguide structures allow only near-neighbor coupling between up to a few tens of modes, complex linear systems, such as white paint layer or multimode fiber, enable to couple efficiently a huge numbers of optical modes. Unstable and lossy, these systems have always been considered unpractical for quantum optics experiments. Wavefront shaping methods, developed in the last decade to control light propagating in complex media, allow moving beyond these limitations and make them exploitable with non-classical light. In our work, we demonstrate the implementation of quantum walks in a layer of paint and a multimode fiber using single-photons and photon-pairs. For this purpose, we extend wavefront shaping methods, originally developed to control classical light propagation in complex media, to non-classical light. This capability to manipulate photons allows building new controllable highly multimode optical platforms. Such systems pave the way for the next generation of quantum information processing devices.