Th.--Electronique et communications--Paris--ENST, 1993.

Les verres et fibres appartenant au système AgI-AgPO3-Ag2WO4 ont été étudiés pour leur transmission optique dans la région visible (450 à 900 nm) et leur conductivité électrique. Ces verres combinent des propriétés qui sont essentielles pour une application directe dans les domaines de l’optogénétique et de l'électrophysiologie. Les sondes actuellement utilisées dans ces domaines sont généralement produites de façon complexe et possèdent une transparence optique réduite dans le visible ou une faible conductivité électrique. Le choix d'une composition de verre comme matériau pour une fibre multifonctionnelle permettrait de simplifier la mise en œuvre et d’optimiser les propriétés de cette fibre pour une application directe en optogénétique et en électrophysiologie. L'ajout progressif (Ag2WO4) dans le système vitreux binaire AgI-AgPO3 a été étudié pour son influence sur les propriétés physicochimiques, optiques et électriques. Cette étude a démontré que l’absence d’espèces réduites de tungstène dans les verres mène à une transparence optique dans le domaine du visible similaire pour chacune des compositions. Une conductivité électrique (AC) de 10-3 à 10-2 S·cm-1 a été mesurée à température ambiante sur des verres en pastilles. Ces valeurs se situent dans la gamme de conductivité électrique recherchée pour l’application en électrophysiologie. Il a aussi été observé que l'addition de tungstate d'argent contribue à modifier la température de transition vitreuse et la densité du verre, tout en réduisant le risque d’hydrolyse des chaines de phosphate dans ces verres. Une fibre optique a été fabriquée et caractérisée à partir d’une composition vitreuse optimale et pourrait être utilisée comme sonde pour l’application visée. / Glasses and fibers belonging to the AgI-AgPO3-Ag2WO4 system have been studied for their optical transmission properties in the visible region (450 to 900 nm) and electrical conductivity (AC). These glasses combine properties that are essential for direct application in the fields of optogenetics and electrophysiology. The probes currently used in those fields are generally produced by a complex method or have a reduced optical transparency in the visible or a low electrical conductivity. The choice of a glass composition, as single material for a multifunctional fiber, could simplify its fabrication and optimize the characteristics of this fiber toward the aimed application of electrophysiology. The progressive addition of silver tungstate (Ag2WO4) in the AgI-AgPO3 binary glasses has been studied for its influence on the optical, electrical and physical properties. This study showed an optical transparency in the visible range similar for each of the compositions due to the absence of reduced tungsten species. An electrical conductivity (AC) of 10-3 to 10-2 S·cm-1 was measured on the bulk glasses at room temperature and is within the electrical conductivity range required for the applications. It was also observed that the addition of silver tungstate contributes to change the glass transition temperature and density while reducing the risk of hydrolysis reaction of the phosphate chains in these glasses. An optical fiber has been manufactured and characterized from an optimal vitreous composition which can be used as a probe in the intended application.

L'omniprésence de la biréfringence photoinduite dans les réseaux optiques photoinscrits, présente un défi important pour l'ingéniosité du procédé de fabrication de ce type de composants. Des études précédentes ont identifié trois contributions à la biréfringence photoinduite dans les réseaux : le stress photoinduit causé par la densification de la structure du verre dans le coeur photosensible de la fibre, l'anisotropie causée par l'excitation préférentielle des défauts d'oxygènes dans la matrice du verre et la biréfringence de forme causée par l'asymétrie du profil du changement d'indice dans le plan transverse. Dans l'objectif de contribuer aux travaux qui visent à remédier à la biréfringence photoinduite, nous nous proposons dans la première partie de cette thèse, de la caractériser et de quantifier les différents facteurs qui y contribuent. Nous calculerons la biréfringence de forme dans différents types de fibres à l'aide d'une méthode vectorielle d'éléments finis d'ordre élevé. Nous évaluerons la biréfringence causée par le stress photoinduit en mettant en évidence, à travers une mesure tomographique, l'asymétrie de la distribution de stress et l'anisotropie d'indice dans la fibre irradiée. Nous en déduirons par la suite la valeur de la contribution de ce type de biréfringence à la biréfringence photoinduite totale. Vu la nature vectorielle de l'onde dans les réseaux biréfringents, il est important de se procurer un outil numérique pour l'analyse et la prédiction de la propagation de l'onde vectorielle dans les réseaux optiques. Ainsi, nous nous proposons dans la deuxième partie de cette thèse, de développer un outil de calcul pouvant décrire l'évolution de la polarisation dans les structures périodiques en tenant compte de la propagation bidirectionnelle de l'onde et de la rotation des axes propres de polarisation dans les régions illuminées et non illuminées du réseau.

Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<p align="justify">Il y a un demi siècle, Fermi, Pasta et Ulam découvraient la récurrence du même nom, et créaient une discipline nouvelle, la dynamique non linéaire. Leur expérience numérique consistait à exciter le mode fondamental d'une chaîne d'oscillateurs reliés entre eux par des ressorts linéaires et faiblement non linéaires. Alors qu'ils s'attendaient à ce que l'énergie se répartisse progressivement sur un large spectre en raison du couplage non linéaire, ils observèrent au contraire un échange périodique (récurrent) d'énergie entre quelques-uns des modes d'ordre inférieur uniquement. Dix ans plus tard, des chercheurs ont interprété ce comportement récurrent comme le résultat de l'interaction entre des impulsions qui se propagent sans se déformer et résistent aux collisions entre elles, les solitons. Par la suite, le soliton a émergé dans différents domaines pour finalement occuper le cœur des sciences non linéaires. Et c'est sans doute en optique non linéaire que le soliton a connu ses plus grands succès, tant sur le plan fondamental que sur celui des applications. En particulier, les phénomènes non linéaires sont aisés à observer dans les fibres optiques grâce au large éventail des sources lasers disponibles et en raison du fort confinement de la lumière qui s'y propage.</p><p><p align="justify">Dans notre travail de thèse, nous avons apporté la première démonstration expérimentale de la récurrence de Fermi-Pasta-Ulam dans la dynamique d'instabilité modulationnelle en fibre optique. En effet, une onde continue perturbée évolue spontanément, sous certaines conditions, en un train d'impulsions :l'énergie est transférée du mode fondamental (l'onde continue) aux modes d'ordre supérieur. La théorie prévoit qu'ensuite, l'onde continue initiale se reforme comme l'énergie revient vers le mode fondamental. Pour réaliser cette expérience, il faut parvenir à rencontrer les conditions prescrites par la théorie tout en évitant l'intervention d'effets perturbateurs. Dans ce but, nous avons étudié l'évolution d'impulsions plateaux, qui reproduisent les conditions d'onde continue requises par la théorie tout en permettant d'atteindre des puissances suffisantes pour observer la récurrence.</p><p><p align="justify">Nous nous sommes ensuite intéressés à un nouveau type de soliton appelé paroi de domaines de polarisation, qui se présente comme la structure de commutation entre deux domaines semi-continus de polarisations circulaires orthogonales. En principe, les parois de domaines pourraient être exploitées dans les lignes de transmission optique où elles serviraient à séparer des séquences de bits de valeurs différentes, le 1 logique étant représenté par exemple par une polarisation circulaire droite, et le 0 par la polarisation circulaire orthogonale. Ces parois se propagent sans déformation et, contrairement aux solitons habituellement utilisés pour la transmission par fibre optique, elles conservent une position stable au sein du train de données transmis. Grâce à cette stabilité intrinsèque des parois de domaines, il devient possible de rapprocher des impulsions successives et d'accroître le débit des lignes de transmission, qui pourrait atteindre le Tbit/s en monocanal. Toutefois, les parois de domaines de polarisation n'existent en théorie que dans les fibres isotropes, alors que les fibres réelles sont soumises à de nombreuses perturbations qui les rendent biréfringentes. Dans notre travail, nous avons déterminé les paramètres d'une fibre spéciale qui permette l'observation de parois de domaines dans des conditions réalistes, mais nous n'avons pas réalisé l'expérience car la fibre commandée n'a pas pu être fabriquée.</p><p><p align="justify">Si l'amélioration des performances des systèmes de télécommunications futurs passera nécessairement par l'accroissement des débits d'information en monocanal, elle exigera également la mise au point de dispositifs tout optiques, donc ultra-rapides, destinés au routage et au traitement des signaux transmis. Au-delà des applications en télécommunications, le développement de tels dispositifs provoquerait une véritable révolution photonique :les photons, plus rapides, supplanteraient pour les tâches usuelles les électrons utilisés dans les transistors électroniques. Ces dispositifs photoniques sont généralement basés sur les propriétés particulières résultant de la périodicité intrinsèque des matériaux utilisés. Cette périodicité se traduit par l'existence d'une bande interdit :quand les photons s'y trouvent (on dit alors qu'ils vérifient approximativement la condition de Bragg), ils ne peuvent se propager. Par ailleurs, la transmission de ces dispositifs est contrôlée en exploitant leurs propriétés non linéaires. Dans le cas des fibres, la bande interdite peut être réalisée quasiment sur mesure en imposant une modulation périodique contrôlée de l'indice de réfraction de la fibre. On crée ainsi un réseau de Bragg fibré, dans lequel la lumière subit une forte réflexion quand elle vérifie la condition de Bragg. Pourtant, même dans ces conditions, des impulsions suffisamment intenses appelées solhiatons peuvent encore subsister et se déplacer dans le réseau, les effets non linéaires compensant la réflexion du réseau. Pour observer les solhiatons, il faut toutefois parvenir à plonger immédiatement et complètement les impulsions dans le réseau, sans quoi elles sont irrémédiablement réfléchies par le réseau. Pour y parvenir, nous avons généré un réseau de Bragg dynamique :il se déplace le long de la fibre avec les impulsions. Nous avons constaté le confinement de deux impulsions qui, en l'absence du réseau dynamique, se propageraient à des vitesses différentes en raison de la dispersion chromatique. Ces impulsions devraient en plus se propager sans déformation, mais nous n'avons pas pu l'observer dans nos conditions expérimentales. Ce confinement constitue la première démonstration expérimentale du processus de formation de solhiatons stationnaires. Transposé des fibres aux matériaux semi-conducteurs, le solhiaton pourrait être exploité dans certains types de transistors photoniques. Les perspectives sont ambitieuses de voir un jour les résultats de notre recherche fondamentale contribuer à l'émergence de nouvelles applications.</p><p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce mémoire présente une nouvelle méthode permettant de caractériser la phase spectrale d'impulsions courtes se propageant dans de la fibre optique. L'information sur la phase des impulsions est extraite de l'analyse du signal temporel généré par l'interférence entre deux bandes spectrales sélectionnées par un réseau de Bragg. L'accord du réseau de Bragg, par l'application d'une contrainte sur la fibre optique, permet de déterminer la phase relative de toutes les composantes spectrales. Afin d'obtenir une bonne résolution spectrale, le réseau de Bragg est constitué d'une structure de type Fabry-Perot distribué qui transmet deux bandes spectrales distinctes selon la polarisation du signal indicent. Nous traitons le cas d'une modulation en amplitude périodique du signal analysé, avec une validation expérimentale, et nous menons des simulations pour une modulation en amplitude pseudoaléatoire. Nous discutons des limites de cette méthode de caractérisation et nous mettons en évidence l'importance de bien contrôler la polarisation du signal incident. Finalement, nous expliquons pourquoi cette méthode ne s'applique pas à une modulation en amplitude pseudo-aléatoire.

Dans cette thèse, nous avons appliqué les outils modernes de la théorie des systèmes dynamiques à l'étude des lasers. Le but de ce travail était de mieux comprendre les sources cohérentes existantes en vue de les améliorer et de proposer de nouveaux mécanismes d'amplification lumineuse. Motivé par de récentes expériences menées sur des lasers miniatures avec absorbant saturable, nous en avons repris la description théorique. Les nouvelles valeurs de paramètres suggérées par l'expérience nous ont amenés à découvrir de nouveaux comportements dynamiques pour ces systèmes. En particulier, nous avons décrit comment l'intensité délivrée par ces lasers devenait temporellement sinusoïdale, puis impulsionnelle sur un très petit intervalle de paramètres. Par la connaissance acquise du laser à absorbant saturable, nous avons pu comprendre comment s'établissait un régime impulsionnel semblable dans un autre laser. Il s'agissait du laser multimode à pompage longitudinalement inhomogène. Il est apparu en effet qu'une partie du milieu emprisonné dans la cavité optique agissait à la manière d'un absorbant saturable, déstabilisant ainsi l'émission continue de ce laser. Nous avons également montré que, dans certaines circonstances, son état dynamique présentait des effets de mémoire. Une autre propriété importante de la dynamique du laser multimode a été mise en évidence: pour de petites perturbations, l'intensité totale présente un comportement plus régulier que les intensités modales prises séparément. Ce type intrigant d'auto organisation fut rencontré plus tard, lorsque nous avons envisagé la dynamique d'un réseau de lasers à semi conducteur couplés par un feedback optique. Le retard accumulé par la lumière au cours de ce feedback est un paramètre essentiel du problème. Ce système important sur le plan technologique s'est révélé extrêmement riche sur le plan dynamique. Nous avons pu montrer que plus le retard était grand, plus les lasers avaient tendance à se synchroniser. Cela fut observé aussi bien en régime continu qu'en régime périodique ou chaotique. Par une telle synchronisation, la qualité du rayon optique émis par le réseau de lasers augmente spectaculairement, élargissant par là ses possibilités d'application. Au début des années 1990, les physiciens commencèrent à étudier systématiquement les effets d'interférence quantique dans l'interaction lumière matière. Ceci faisait suite à l'annonce fracassante que de tels effets devaient permettre de construire des lasers sans inversion de population. Récemment, une série d'expériences a montré que de telles interférences quantiques étaient à l’œuvre dans le laser miniature LNP. Une partie de cette thèse y fut consacrée. Nous avons montré que le comportement dynamique observé résultait d'un renforcement quantique de l'absorption stimulée par les niveaux énergétiques inférieurs. Nous avons poursuivi notre étude des effets d'interférence quantique sur un schéma électronucléaire. Nous avons montré que pour ce système, un rayon gamma peut être amplifié sans inversion de population. Ce résultat est très important, compte tenu du fait qu'une telle inversion est techniquement impossible à réaliser pour ces très hautes fréquences électromagnétiques, empêchant jusqu'ici la réalisation de lasers gamma. Afin d'atteindre l'amplification sans inversion, un rayonnement d'appoint dans le domaine optique s'avère nécessaire. Tenant compte de la décroissance de ce champ optique en cours de propagation, et donc de la diminution des effets quantiques associés, nous avons déterminé une distance optimale de propagation. Au-delà de cette distance, l'amplification se mue en absorption. Une telle information est dès lors cruciale sur le plan expérimental.

<p align="justify">Il y a un demi siècle, Fermi, Pasta et Ulam découvraient la récurrence du même nom, et créaient une discipline nouvelle, la dynamique non linéaire. Leur expérience numérique consistait à exciter le mode fondamental d'une chaîne d'oscillateurs reliés entre eux par des ressorts linéaires et faiblement non linéaires. Alors qu'ils s'attendaient à ce que l'énergie se répartisse progressivement sur un large spectre en raison du couplage non linéaire, ils observèrent au contraire un échange périodique (récurrent) d'énergie entre quelques-uns des modes d'ordre inférieur uniquement. Dix ans plus tard, des chercheurs ont interprété ce comportement récurrent comme le résultat de l'interaction entre des impulsions qui se propagent sans se déformer et résistent aux collisions entre elles, les solitons. Par la suite, le soliton a émergé dans différents domaines pour finalement occuper le cœur des sciences non linéaires. Et c'est sans doute en optique non linéaire que le soliton a connu ses plus grands succès, tant sur le plan fondamental que sur celui des applications. En particulier, les phénomènes non linéaires sont aisés à observer dans les fibres optiques grâce au large éventail des sources lasers disponibles et en raison du fort confinement de la lumière qui s'y propage.</p> <p align="justify">Dans notre travail de thèse, nous avons apporté la première démonstration expérimentale de la récurrence de Fermi-Pasta-Ulam dans la dynamique d'instabilité modulationnelle en fibre optique. En effet, une onde continue perturbée évolue spontanément, sous certaines conditions, en un train d'impulsions : l'énergie est transférée du mode fondamental (l'onde continue) aux modes d'ordre supérieur. La théorie prévoit qu'ensuite, l'onde continue initiale se reforme comme l'énergie revient vers le mode fondamental. Pour réaliser cette expérience, il faut parvenir à rencontrer les conditions prescrites par la théorie tout en évitant l'intervention d'effets perturbateurs. Dans ce but, nous avons étudié l'évolution d'impulsions plateaux, qui reproduisent les conditions d'onde continue requises par la théorie tout en permettant d'atteindre des puissances suffisantes pour observer la récurrence.</p> <p align="justify">Nous nous sommes ensuite intéressés à un nouveau type de soliton appelé paroi de domaines de polarisation, qui se présente comme la structure de commutation entre deux domaines semi-continus de polarisations circulaires orthogonales. En principe, les parois de domaines pourraient être exploitées dans les lignes de transmission optique où elles serviraient à séparer des séquences de bits de valeurs différentes, le 1 logique étant représenté par exemple par une polarisation circulaire droite, et le 0 par la polarisation circulaire orthogonale. Ces parois se propagent sans déformation et, contrairement aux solitons habituellement utilisés pour la transmission par fibre optique, elles conservent une position stable au sein du train de données transmis. Grâce à cette stabilité intrinsèque des parois de domaines, il devient possible de rapprocher des impulsions successives et d'accroître le débit des lignes de transmission, qui pourrait atteindre le Tbit/s en monocanal. Toutefois, les parois de domaines de polarisation n'existent en théorie que dans les fibres isotropes, alors que les fibres réelles sont soumises à de nombreuses perturbations qui les rendent biréfringentes. Dans notre travail, nous avons déterminé les paramètres d'une fibre spéciale qui permette l'observation de parois de domaines dans des conditions réalistes, mais nous n'avons pas réalisé l'expérience car la fibre commandée n'a pas pu être fabriquée.</p> <p align="justify">Si l'amélioration des performances des systèmes de télécommunications futurs passera nécessairement par l'accroissement des débits d'information en monocanal, elle exigera également la mise au point de dispositifs tout optiques, donc ultra-rapides, destinés au routage et au traitement des signaux transmis. Au-delà des applications en télécommunications, le développement de tels dispositifs provoquerait une véritable révolution photonique : les photons, plus rapides, supplanteraient pour les tâches usuelles les électrons utilisés dans les transistors électroniques. Ces dispositifs photoniques sont généralement basés sur les propriétés particulières résultant de la périodicité intrinsèque des matériaux utilisés. Cette périodicité se traduit par l'existence d'une bande interdit : quand les photons s'y trouvent (on dit alors qu'ils vérifient approximativement la condition de Bragg), ils ne peuvent se propager. Par ailleurs, la transmission de ces dispositifs est contrôlée en exploitant leurs propriétés non linéaires. Dans le cas des fibres, la bande interdite peut être réalisée quasiment sur mesure en imposant une modulation périodique contrôlée de l'indice de réfraction de la fibre. On crée ainsi un réseau de Bragg fibré, dans lequel la lumière subit une forte réflexion quand elle vérifie la condition de Bragg. Pourtant, même dans ces conditions, des impulsions suffisamment intenses appelées solhiatons peuvent encore subsister et se déplacer dans le réseau, les effets non linéaires compensant la réflexion du réseau. Pour observer les solhiatons, il faut toutefois parvenir à plonger immédiatement et complètement les impulsions dans le réseau, sans quoi elles sont irrémédiablement réfléchies par le réseau. Pour y parvenir, nous avons généré un réseau de Bragg dynamique : il se déplace le long de la fibre avec les impulsions. Nous avons constaté le confinement de deux impulsions qui, en l'absence du réseau dynamique, se propageraient à des vitesses différentes en raison de la dispersion chromatique. Ces impulsions devraient en plus se propager sans déformation, mais nous n'avons pas pu l'observer dans nos conditions expérimentales. Ce confinement constitue la première démonstration expérimentale du processus de formation de solhiatons stationnaires. Transposé des fibres aux matériaux semi-conducteurs, le solhiaton pourrait être exploité dans certains types de transistors photoniques. Les perspectives sont ambitieuses de voir un jour les résultats de notre recherche fondamentale contribuer à l'émergence de nouvelles applications.</p>

Dans cette thèse, nous avons appliqué les outils modernes de la théorie des systèmes dynamiques à l'étude des lasers. Le but de ce travail était de mieux comprendre les sources cohérentes existantes en vue de les améliorer et de proposer de nouveaux mécanismes d'amplification lumineuse.<p><p>Motivé par de récentes expériences menées sur des lasers miniatures avec absorbant saturable, nous en avons repris la description théorique. Les nouvelles valeurs de paramètres suggérées par l'expérience nous ont amenés à découvrir de nouveaux comportements dynamiques pour ces systèmes. En particulier, nous avons décrit comment l'intensité délivrée par ces lasers devenait temporellement sinusoïdale, puis impulsionnelle sur un très petit intervalle de paramètres.<p><p>Par la connaissance acquise du laser à absorbant saturable, nous avons pu comprendre comment s'établissait un régime impulsionnel semblable dans un autre laser. Il s'agissait du laser multimode à pompage longitudinalement inhomogène. Il est apparu en effet qu'une partie du milieu emprisonné dans la cavité optique agissait à la manière d'un absorbant saturable, déstabilisant ainsi l'émission continue de ce laser. Nous avons également montré que, dans certaines circonstances, son état dynamique présentait des effets de mémoire. Une autre propriété importante de la dynamique du laser multimode a été mise en évidence: pour de petites perturbations, l'intensité totale présente un comportement plus régulier que les intensités modales prises séparément.<p><p>Ce type intrigant d'auto organisation fut rencontré plus tard, lorsque nous avons envisagé la dynamique d'un réseau de lasers à semi conducteur couplés par un feedback optique. Le retard accumulé par la lumière au cours de ce feedback est un paramètre essentiel du problème. Ce système important sur le plan technologique s'est révélé extrêmement riche sur le plan dynamique. Nous avons pu montrer que plus le retard était grand, plus les lasers avaient tendance à se synchroniser. Cela fut observé aussi bien en régime continu qu'en régime périodique ou chaotique. Par une telle synchronisation, la qualité du rayon optique émis par le réseau de lasers augmente spectaculairement, élargissant par là ses possibilités d'application.<p><p>Au début des années 1990, les physiciens commencèrent à étudier systématiquement les effets d'interférence quantique dans l'interaction lumière matière. Ceci faisait suite à l'annonce fracassante que de tels effets devaient permettre de construire des lasers sans inversion de population. Récemment, une série d'expériences a montré que de telles interférences quantiques étaient à l’œuvre dans le laser miniature LNP. Une partie de cette thèse y fut consacrée. Nous avons montré que le comportement dynamique observé résultait d'un renforcement quantique de l'absorption stimulée par les niveaux énergétiques inférieurs.<p><p>Nous avons poursuivi notre étude des effets d'interférence quantique sur un schéma électronucléaire. Nous avons montré que pour ce système, un rayon gamma peut être amplifié sans inversion de population. Ce résultat est très important, compte tenu du fait qu'une telle inversion est techniquement impossible à réaliser pour ces très hautes fréquences électromagnétiques, empêchant jusqu'ici la réalisation de lasers gamma. Afin d'atteindre l'amplification sans inversion, un rayonnement d'appoint dans le domaine optique s'avère nécessaire. Tenant compte de la décroissance de ce champ optique en cours de propagation, et donc de la diminution des effets quantiques associés, nous avons déterminé une distance optimale de propagation. Au-delà de cette distance, l'amplification se mue en absorption. Une telle information est dès lors cruciale sur le plan expérimental.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

For many challenging problems where the mathematical description is not explicitly defined, artificial intelligence methods appear to be much more robust compared to traditional algorithms. Such methods share the common property of learning from examples in order to “explore” the problem to solve. Then, they generalize these examples to new and unseen input signals. The reservoir computing paradigm is a bio-inspired approach drawn from the theory of artificial Recurrent Neural Networks (RNNs) to process time-dependent data. This machine learning method was proposed independently by several research groups in the early 2000s. It has enabled a breakthrough in analog information processing, with several experiments demonstrating state-of-the-art performance for a wide range of hard nonlinear tasks. These tasks include for instance dynamic pattern classification, grammar modeling, speechrecognition, nonlinear channel equalization, detection of epileptic seizures, robot control, timeseries prediction, brain-machine interfacing, power system monitoring, financial forecasting, or handwriting recognition. A Reservoir Computer (RC) is composed of three different layers. There is first the neural network itself, called “reservoir”, which consists of a large number of internal variables (i.e. reservoir states) all interconnected together to exchange information. The internal dynamics of such a system, driven by a function of the inputs and the former reservoir states, is thus extremely rich. Through an input layer, a time-dependent input signal is applied to all the internal variables to disturb the neural network dynamics. Then, in the output layer, all these reservoir states are processed, often by taking a linear combination thereof at each time-step, to compute the output signal. Let us note that the presence of a non-linearity somewhere in the system is essential to reach high performance computing on nonlinear tasks. The principal novelty of the reservoir computing paradigm was to propose an RNN where most of the connection weights are generated randomly, except for the weights adjusted to compute the output signal from a linear combination of the reservoir states. In addition, some global parameters can be tuned to get the best performance, depending on the reservoir architecture and on the task. This simple and easy process considerably decreases the training complexity compared to traditional RNNs, for which all the weights needed to be optimized. RC algorithms can be programmed using modern traditional processors. But these electronic processors are better suited to digital processing for which a lot of transistors continuously need to be switched on and off, leading to higher power consumption. As we can intuitively understand, processors with hardware directly dedicated to RC operations – in otherwords analog bio-inspired processors – could be much more efficient regarding both speed and power consumption. Based on the same idea of high speed and low power consumption, the last few decades have seen an increasing use of coherent optics in the transport of information thanks to its high bandwidth and high power efficiency advantages. In order to address the future challenge of high performance, high speed, and power efficient nontrivial computing, it is thus natural to turn towards optical implementations of RCs using coherent light. Over the last few years, several physical implementations of RCs using optics and (opto)electronics have been successfully demonstrated. In the present PhD thesis, the reservoirs are based on a large coherently driven linear passive fiber cavity. The internal states are encoded by time-multiplexing in the cavity. Each reservoir state is therefore processed sequentially. This reservoir architecture exhibits many qualities that were either absent or not simultaneously present in previous works: we can perform analog optical signal processing; the easy tunability of each key parameter achieves the best operating point for each task; the system is able to reach a strikingly weak noise floor thanks to the absence of active elements in the reservoir itself; a richer dynamics is provided by operating in coherent light, as the reservoir states are encoded in both the amplitude and the phase of the electromagnetic field; high power efficiency is obtained as a result of the passive nature and simplicity of the setup. However, it is important to note that at this stage we have only obtained low optical power consumption for the reservoir itself. We have not tried to minimize the overall power consumption, including all control electronics. The first experiment reported in chapter 4 uses a quadratic non-linearity on each reservoir state in the output layer. This non-linearity is provided by a readout photodiode since it produces a current proportional to the intensity of the light. On a number of benchmark tasks widely used in the reservoir computing community, the error rates demonstrated with this RC architecture – both in simulation and experimentally – are, to our knowledge, the lowest obtained so far. Furthermore, the analytic model describing our experiment is also of interest, asit constitutes a very simple high performance RC algorithm. The setup reported in chapter 4 requires offline digital post-processing to compute its output signal by summing the weighted reservoir states at each time-step. In chapter 5, we numerically study a realistic model of an optoelectronic “analog readout layer” adapted on the setup presented in chapter 4. This readout layer is based on an RLC low-pass filter acting as an integrator over the weighted reservoir states to autonomously generate the RC output signal. On three benchmark tasks, we obtained very good simulation results that need to be confirmed experimentally in the future. These promising simulation results pave the way for standalone high performance physical reservoir computers.The RC architecture presented in chapter 5 is an autonomous optoelectronic implementation able to electrically generate its output signal. In order to contribute to the challenge of all-optical computing, chapter 6 highlights the possibility of processing information autonomously and optically using an RC based on two coherently driven passive linear cavities. The first one constitutes the reservoir itself and pumps the second one, which acts as an optical integrator onthe weighted reservoir states to optically generate the RC output signal after sampling. A sine non-linearity is implemented on the input signal, whereas both the reservoir and the readout layer are kept linear. Let us note that, because the non-linearity in this system is provided by a Mach-Zehnder modulator on the input signal, the input signal of this RC configuration needs to be an electrical signal. On the contrary, the RC implementation presented in chapter 5 processes optical input signals, but its output is electrical. We obtained very good simulation results on a single task and promising experimental results on two tasks. At the end of this chapter, interesting perspectives are pointed out to improve the performance of this challenging experiment. This system constitutes the first autonomous photonic RC able to optically generate its output signal. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished