Cette thèse est consacrée au développement de modèles semi-analytiques précis pour le calcul numérique de dispositifs nanophotoniques résonants. Il s'agit en particulier de membranes à cristaux photoniques, qui supportent des résonances avec des très grands facteurs de qualité, et d’ensembles composés de plusieurs nano-antennes plasmoniques, qui présentent des résonances avec des faibles facteurs de qualité. La thèse est divisée en deux parties.La première partie présente un modèle semi-analytique pour le calcul des modes supportés par des membranes à cristaux photoniques. Les modes à fuite (leaky modes) supportés par ces membranes structurées sont modélisés comme une résonance Fabry-Perot transverse composée de quelques ondes de Bloch propagatives qui vont et viennent verticalement à l'intérieur de la structure. Ce modèle est appliqué à l'étude des états liés dans le continuum (bound states in the continuum, ou BIC). Nous montrons que le modèle Fabry-Perot multimode est parfaitement adapté pour prédire l'existence des BICs ainsi que leur position dans l'espace des paramètres. Grâce à la semi-analyticité du modèle, nous étudions la dynamique des BICs avec l'épaisseur de la membrane pour des structures symétriques et asymétriques. Dans ce dernier cas, nous étudions des objets présentant soit une symétrie horizontale brisée, soit une symétrie verticale brisée (ajout d'un substrat). Le modèle Fabry-Perot nous permet d’obtenir des informations importantes sur la nature et le comportement des BICs. Nous démontrons que lorsque la symétrie miroir horizontale est brisée, les BICs dus à la symétrie du système, qui existent dans les structures symétriques au point Gamma du diagramme de dispersion, restent des BICs malgré l’absence de symétrie mais changent de nature. Ils deviennent des BICs dus à des interférences destructives entre les ondes de Bloch. La deuxième partie est consacrée au développement d'une théorie modale originale pour modéliser la diffusion de la lumière par des structures complexes composées d'un ensemble de plusieurs nano-antennes. L'objectif est de pouvoir modéliser la diffusion de la lumière par des métasurfaces à partir de la seule connaissance des modes de leurs constituants individuels. Pour ce faire, nous combinons un formalisme modal basé sur l’utilisation des modes quasi-normaux (QNM) avec la théorie multipolaire de la diffusion multiple basée sur le calcul de la matrice de transition (matrice T) d'un diffuseur unique. La matrice T fournit la relation entre le champ incident et le champ diffusé dans la base des harmoniques sphériques vectorielles. Elle contient toutes les propriétés de diffusion intrinsèques à l'objet. Le calcul de cette matrice représente une charge numérique lourde car elle nécessite de nombreux calculs rigoureux du champ diffusé. L'utilisation d'une décomposition modale avec des QNMs nous permet d’une part de rendre une partie du calcul analytique et d’autre part d'apporter une meilleure compréhension physique. Nous dérivons une décomposition modale de la matrice T et testons sa précision sur le cas de référence d'une nanosphère métallique.Enfin, la décomposition modale de la matrice T est appliquée à des cas pratiques d'intérêt en nanophotonique. A partir de la seule connaissance de quelques modes d'un nanocylindre plasmonique unique, nous calculons analytiquement la diffusion multiple de la lumière par un dimère et par une antenne Yagi-Uda composés de ces nanocylindres. Nous appliquons également l’approche modale à un réseau périodique bidimensionnel de nanocylindres . La comparaison avec les résultats d'une méthode numérique rigoureuse démontre un bon accord avec le calcul modal. Par rapport à des calculs entièrement rigoureux, la décomposition modale de la matrice T permet une réduction significative du temps de calcul. Comme les calculs sont analytiques une fois que les modes ont été calculés, l'approche modale est extrêmement utile pour les problèmes d'optimisation. / The presented thesis is dedicated to the development of semi-analytical accurate models for the numerical calculation of resonant nanophotonic devices. In particular, it concerns photonic crystal slabs, which can support resonances with high quality factors, and ensembles composed of several plasmonic nanoantennas, which exhibit resonances with low quality factors. The structure of the thesis is two-fold. In the first part, a semi-analytical model for the calculation of the modes supported by photonic crystal slabs (their dispersion and quality factors) is presented. Leaky modes supported by photonic crystal slabs are modeled as a transverse Fabry-Perot resonance composed of a few propagative Bloch waves bouncing back and forth vertically inside the slab. This model is applied to the study of bound states in the continuum (BICs). We show that the multimode Fabry-Perot model is perfectly suitable to predict the existence of BICs as well as their precise positions in the parameter space. We show that, regardless of the slab thickness, BICs cannot exist below a cut-off frequency, which is related to the existence of the second-order Bloch wave in the photonic crystal. Thanks to the semi-analyticity of the model, we investigate the dynamics of BICs with the slab thickness in symmetric and asymmetric photonic crystal slab. In the latter case, we investigate structures with either a broken horizontal symmetry or a broken vertical symmetry (addition of a substrate). As a result, we obtain some important insights into the nature and behavior of BICs. We evidence that, as the horizontal mirror symmetry is broken, the symmetry-protected BICs that exist in symmetric structures at the Gamma-point of the dispersion diagram are still BICs despite the absence of symmetry but change their nature. They become resonance-trapped BICs, but only for specific values of the slab thickness.The second part of the thesis is dedicated to the development of an original modal theory to model light scattering by complex structures composed of a small ensemble of plasmonic nanoantennas. The objective is to be able to model light scattering by metasurfaces from the sole knowledge of the eigenmodes of their individual constituents. For that purpose, we combine a quasi-normal mode (QNM) formalism with the multipole multiple-scattering theory based on the calculation of the so-called transition matrix (T-matrix) of a single scatterer. The T-matrix provides the relation between the incident and scattered fields in the vectorial spherical harmonics basis. It captures all the intrinsic scattering properties of the object that are due to its shape and refractive index distribution. Computation of the T-matrix is a heavy numerical burden since it requires numerous rigorous calculations of the scattered field— one for each harmonic in the basis. Using a modal expansion of the scattered field with QNMs allows us to bring both analyticity and physical understanding into the calculation. We derive a modal expansion of the T-matrix and test its accuracy on the reference case of a metallic nanosphere.Finally, we apply the modal expansion of the T-matrix to practical cases of interest in nanophotonics. From the sole knowledge of a few modes of a single plasmonic nanorod, we calculate analytically multiple light scattering by a dimer and a Yagi-Uda antenna composed of these nanorods. We apply also the modal approach to a periodic two-dimensional array of nanorods. Comparison with the results of a rigorous Maxwell’s equations solver demonstrates a good agreement with the QNM-based calculation. Compared to fully rigorous calculations, the QNM expansion of the T-matrix allows for a significant reduction of the computation time. Since the calculations are analytical once the modes have been calculated, the QNM approach is extremely useful for optimization problems.

Les capteurs basés sur la lumière structurée codée prennent une ampleur grandissante dans le domaine de la numérisation 3D. Ce type de capteur permet une numérisation plus rapide de la surface d'un objet comparativement aux capteurs laser ou aux systèmes de palpage (i.e. numérisation avec contact). De plus, les capteurs fonctionnant par la projection d'une seule trame offrent la possibilité de numériser des scènes en mouvement, ce qui est un avantage indéniable sur la majorité des capteurs commercialisés depuis quelques années. Le projet de recherche traité dans ce mémoire a été réalisé dans le cadre du développement d'un capteur basé sur la lumière blanche structurée, conçu par l'équipe de vision 3D du Laboratoire de Vision et Systèmes Numériques de l'Université Laval. Un tel capteur utilise un projecteur afin de projeter un patron de lumière codée sur la scène. Ce patron se déforme au contact de la surface et sa réflexion est captée par une caméra. Cette déformation permet de déduire la profondeur de la surface et ainsi calculer la position de points 3D représentant la surface de l'objet. Le rôle de ce mémoire est de développer et implanter un algorithme de segmentation d'images qui a comme objectif d'extraire le patron de la scène. Les images acquises par le capteur sont traitées en utilisant une approche basée sur les arêtes pour détecter les primitives contenue dans le patron. Chacune de ces primitives encode un symbole formant un mot codé. Le but de l'algorithme est donc de déterminer la position et l'étiquette (i.e. la valeur du symbole) associées à ces primitives. L'apparence de la scène complique cette tâche, car les propriétés de la surface (e.g. texture, déformations géométriques, type de matériaux) peuvent interférer avec la réflexion du patron. Par exemple, un objet de couleur foncée réfléchira très peu la lumière projetée, tandis qu'une surface géométriquement complexe déformera le patron, pouvant rendre les symboles flous et difficiles à détecter. La robustesse de l'algorithme face à ces défis est analysée et nous soulevons les limitations d'une telle approche de segmentation.

Les réseaux informatiques avec une grande capacité nécessitent des liaisons de transmission de données rapides et fiables pour prendre en charge les applications web en pleine croissance. Comme le nombre de serveurs interconnectés et la capacité de stockage des médias ne cessent daugmenter, les communications optiques et les technologies de routage sont devenues intéressantes grâce au taux binaire élevé et à lencombrement minimum offert par la fibre optique. Les réseaux optiques à commutation de paquets (OPSNs) offrent une flexibilité accrue dans la gestion de réseau. OPSNs exploitent les convertisseurs de longueur donde accordables (WC) pour minimiser la probabilité de blocage et fournir une allocation dynamique des longueurs donde. Les émetteurs optiques basés sur des sources multi-longueurs donde se présentent comme une solution intéressante en termes de coût, dencombrement et defficacité énergétique par rapport aux autres types de lasers. Les convertisseurs de longueurs donde doivent permettre des taux binaires élevés et une transparence à une grande variété de formats de modulation, tout en offrant une réponse rapide, des niveaux de puissance modérés et un rapport de signal à bruit optique (OSNR) acceptable à la sortie. Plusieurs technologies de conversion de longueur donde ont été proposées dans la littérature. Lutilisation du mélange à quatre ondes (FWM) dans les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) permet lutilisation de faibles niveaux de puissance dentrée et offre une bonne efficacité de conversion ainsi que la possibilité dintégration photonique. Les SOAs offrent donc un excellent compromis par rapport aux autres solutions. Pour couvrir une plus large bande de conversion, nous utilisons le schéma exploitant le FWM avec doubles pompes dans les SOAs. Pour la stabilité de phase, les pompes viennent d’un laser en mode bloqué (QDMLL) qui sert comme source multi-longueurs donde. Deux modes du QDMLL sont sélectionnés par un filtrage accordable et servent comme doubles pompes. Un filtre accordable placé à la sortie du SOA sert à sélectionner le produit du FWM pour le signal final. Nous étudions le convertisseur de longueur donde proposé et comparons sa performance pour différents formats de modulation (modulation dintensité et de phase) et à différents débits binaires (10 et 40 Gbit/s). Le taux derreur binaire, lefficacité de conversion et la mesure de lOSNR sont présentés. Nous démontrons aussi la possibilité de simultanément convertir en longueurs donde les données et l’étiquette. Les données à haut débit et l’étiquette à faible débit se retrouvent dans une seule bande de longueurs d’onde, et ils sont convertis ensemble avec une bonne efficacité. Notre démonstration se concentre sur les performances de conversion, donc les données et létiquette sont des signaux continus plutôt que de paquets optiques. Des mesures de taux derreur binaire ont été effectuées à la fois pour les données et pour létiquette. Nous proposons aussi lutilisation de QDMLL comme source de transmetteurs WDM pour deux applications différentes: unicast et multicast. Nous démontrons aussi sa compatibilité avec le format de transmission DQPSK à haut débit binaire. Nous évaluons la performance du DQPSK en terme de taux derreur binaire et comparons sa performance à celle dune source laser à cavité externe. / Large scale computer networks require fast and reliable data links in order to support growing web applications. As the number of interconnected servers and storage media increases, optical communications and routing technologies become interesting because of the high speed and small footprint of optical fiber links. Furthermore, optical packet switched networks (OPSN) provide increased flexibility in network management. Future networks are envisaged to be wavelength dependent routing, therefore OPSN will exploit tunable wavelength converters (WC) to enable contention resolution, reduce wavelength blocking in wavelength routing and switching, and provide dynamic wavelength assignment. Optical transmitters based on multi-wavelength sources are presented as an attrative solution compared to a set of single distributed feedback lasers in terms of cost, footprint and power consumption. Wavelength converters should support high bit rates and a variety of signal formats, have fast setup time, moderate input power levels and high optical signal-to-noise ratio at the output. Several wavelength conversion technologies have been demonstrated. The use of four wave mixing (FWM) in semiconductor optical amplifiers (SOAs) provides low input power levels, acceptable conversion efficiency and the possibility of photonic integration. SOAs therefore offer excellent trade-offs compared to other solutions. To achieve wide wavelength coverage and integrability, we use a dual pump scheme exploiting four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers. For phase stability, we use a quantum-dash mode-locked laser (QD-MLL) as a multi-wavelength source for the dual pumps, with tunability provided by the frequency selective filter. We investigate the proposed wavelength converter and compare its performance of wavelength conversion for different non-return-to-zero (NRZ) intensity and phase modulation formats at different bit rates (10 and 40 Gbit/s). Bit error rate, conversion efficiency and optical signal-to-noise ratio measurements are reported. We demonstrate the possibility of tightly packed payload and label wavelength conversion at very high data baud rate over wide tuning range with good conversion efficiency. Our demonstration concentrates on conversion performance, hence continuous payload and label signals were used without gating into packets. Bit error measurements for both payload and label were performed. We propose the use of QD-MLL as multi-wavelength source for WDM unicast and multicast applications and we investigated its compatibility with DQPSK transmission at high bit rate. We quantify DQPSK performance via bit error rate measurements and compare performance to that of an external cavity laser (ECL) source.

Les convertisseurs de longueur d’onde sont essentiels pour la réalisation de réseaux de communications optiques à routage en longueur d’onde. Dans la littérature, les convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur constituent une solution extrêmement intéressante, et ce, en raison de leurs nombreuses caractéristiques nécessaires à l’implémentation de tels réseaux de communications. Avec l’émergence des systèmes commerciaux de détection cohérente, ainsi qu’avec les récentes avancées dans le domaine du traitement de signal numérique, il est impératif d’évaluer la performance des convertisseurs de longueur d’onde, et ce, dans le contexte des formats de modulation avancés. Les objectifs de cette thèse sont : 1) d’étudier la faisabilité des convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur pour les formats de modulation avancés et 2) de proposer une technique basée sur le traitement de signal numérique afin d’améliorer leur performance. En premier lieu, une étude expérimentale de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation d’amplitude en quadrature (quadrature amplitude modulation - QAM) est réalisée. En particulier, la conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 16 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud dans un amplificateur optique à semi-conducteur commercial est réalisée sur toute la bande C. Les résultats démontrent qu’en raison des distorsions non-linéaires induites sur le signal converti, le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est différent de celui obtenu lors de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation en intensité. En effet, dans le contexte des formats de modulation avancés, c’est le compromis entre la puissance du signal converti et les non-linéarités induites qui détermine le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde. Les récepteurs cohérents permettent l’utilisation de techniques de traitement de signal numérique afin de compenser la détérioration du signal transmis suite à sa détection. Afin de mettre à profit les nouvelles possibilités offertes par le traitement de signal numérique, une technique numérique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti, basée sur une analyse petit-signal des équations gouvernant la dynamique du gain à l’intérieur des amplificateurs optiques à semi-conducteur, est développée. L’efficacité de cette technique est démontrée à l’aide de simulations numériques et de mesures expérimentales de conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 10 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud. Cette méthode permet d’améliorer de façon significative les performances du convertisseur de longueur d’onde, et ce, principalement pour les formats de modulation avancés d’ordre supérieur tel que 64-QAM. Finalement, une étude expérimentale exhaustive de la technique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti est effectuée pour des signaux 64-QAM. Les résultats démontrent que, même en présence d’un signal à bruité à l’entrée du convertisseur de longueur d’onde, la technique proposée améliore toujours la qualité du signal reçu. De plus, une étude du point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est effectuée et démontre que celui-ci varie en fonction des pertes optiques suivant la conversion de longueur d’onde. Dans un réseau de communication optique à routage en longueur d’onde, le signal est susceptible de passer par plusieurs étages de conversion de longueur d’onde. Pour cette raison, l’efficacité de la technique de post-compensation est démontrée, et ce pour la première fois dans la littérature, pour deux étages successifs de conversion de longueur d’onde de signaux 64-QAM à 5 Gbaud. Les résultats de cette thèse montrent que les convertisseurs de longueur d’ondes basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur, utilisés en conjonction avec des techniques de traitement de signal numérique, constituent une technologie extrêmement prometteuse pour les réseaux de communications optiques modernes à routage en longueur d’onde. / Wavelength converters are essential building blocks of future all-optical wavelength-routed optical networks. Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers have been proposed since they possess many of the features required for the implementation of such networks. In the literature, they have been extensively studied in the context of direct detection optical communication systems. With the recent emergence of commercial coherent systems together with the advances in digital signal processing, there is an imperative need to study the performance of wavelength converters for advanced modulation formats. The objective of this thesis is to investigate the feasibility of wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats and subsequently propose a digital signal processing technique that aims to improve their performance. An experimental investigation of m-ary quadrature amplitude modulation (QAM) wavelength conversion is first performed. In particular, wideband wavelength conversion of 10 Gbaud 16-QAM and, for the first time, 5 Gbaud 64-QAM signals is successfully achieved over the whole C-band using a commercial semiconductor optical amplifier. The results show that the induced nonlinear distortions on the wavelength converted signal lead to a different optimal wavelength converter operating condition compared to wavelength conversion of intensity modulation formats. For wavelength conversion of advanced modulation formats, the tradeoff between the wavelength converted signal power and the nonlinearities dictates the optimal wavelength converters operating condition. The digital signal processing capabilities of coherent receivers renders possible the compensation of the signal impairments in the digital domain after detection. Making use of this, a digital post-compensation technique based on a small-signal analysis of the equations governing the gain dynamics of semiconductor optical amplifiers is developed in order to mitigate the nonlinear distortions imposed on the wavelength converted signal. The proof of concept is realized both via numerical simulations and experimental measurements of 10 Gbaud 16-QAM and 5 Gbaud 64-QAM: the post-compensation technique significantly improve the wavelength converter especially in the case of high-order advanced modulation formats such as 64-QAM. Finally, a thorough experimental investigation of the post-compensation technique performance for 5 Gbaud 64-QAM wavelength conversion is done. The results indicate that the signal quality is still improved even in the presence of a noisy signal at the wavelength converter input. Furthermore, it is shown that the optimal wavelength converter operating condition varies upon the amount of optical loss that follows. In a wavelength-routed optical network, the signal will likely pass through multiple wavelength conversion stages. The experimental investigation is extended to cascaded wavelength conversion stages and, for the first time, dual stage wavelength conversion of 5 Gbaud 64-QAM signal is performed. In this context, the proposed post-compensation technique still successfully improves the wavelength converter performance. The results of this thesis strongly suggest that wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers, together with the use of digital signal processing techniques, is a promising candidate for advanced modulation formats wavelength conversion in future wavelength routed optical networks.

L'apparition des lasers femtosecondes produisant des impulsions ultra-brèves très puissantes a permis d'observer plusieurs effets non linéaires. L'absorption à deux photons a particulièrement été étudiée au cours des dernières années et cet effet a déjà été mis à profit dans des applications de microscopie et de spectroscopie afin d'augmenter la résolution des mesures. En vertu de la symétrie des coefficients d 'Einstein, on peut également poser l'existence d'une émission stimulée à deux photons où deux photons rapprochés interagissent avec un atome excité pour stimuler l'émission de deux nouveaux photons. Un tel mode d'émission possède des propriétés très intéressantes du fait de sa nature non linéaire. Le mémoire qui suit présente les résultats des recherches effectuées dans le but de démontrer l'opération d'un amplificateur à fibre basé sur le phénomène d'émission stimulée multiphotonique. Nous présentons d'abord un modèle mathématique théorique qui décrit le fonctionnement dynamique d'un tel amplificateur. Nous démontrons ainsi certains comportements intéressants d'un tel amplificateur, notamment, un gain plus fort et une saturation beaucoup plus rapide que pour un amplificateur conventionnel. On démontre également que le gain non linéaire n'est appréciable que sur une plage d'intensité s'étendant sur environ deux ordres de grandeur de part et d'autre de l'intensité de saturation. Ce comportement permettrait d'intégrer un tel n1ilieu non linéaire à un laser conventionnel pour l'amener aux conditions de synchronisation modale. Par ailleurs, un amplificateur à deux photons possède théoriquement une bande de gain très large puisque toute combinaison de deux photons dont la somme des énergies correspond à l'excitation des atomes peux être amplifiée. Ceci pourrait avoir des applications pour l'amplification d'impulsions ultrabrèves où la largeur de gain des milieux amplificateurs peut devenir insuffisante par rapport au contenu spectral de l'impulsion. Dans ce domaine, un amplificateur non linéaire a également l'avantage de raccourcir intrinsèquement les impulsions puisque son gain est proportionnel à l'intensité de l'impulsion, ce qui donne un gain plus fort au pic central de l'impulsion par rapport aux ailes. Au point de vue de l'expérimentation, nous avons tenté de démontrer l'amplification à deux photons dans de la fibre optique dopée Yb autour de 2 microns. Nous avons utilisé un laser à fibre dopée Er pour générer un supercontinuum s'étendant jusqu'à 2 microns que nous avons injecté dans une section de 10m de fibre dopée Yb pompée par une diode laser. Nous n'avons pas pu noter d'amplification mais nous avons toutefois mesuré de la fluorescence en provenance de la fibre dopée lorsque la fibre n'était pas pompée. Cette fluorescence indique qu' il y a bien une interaction entre le supercontinuum injecté et les atomes d'ytterbium.

Les verres chalcogénures sont des matériaux optiques connus depuis 50 ans. Ils sont fortement non-linéaires, transparents dans l'infrarouge et photosensibles à la lumière visible. Grâce à des percées récentes du côté des procédés de fabrication, leurs applications dans divers domaines sont devenus possibles, notamment dans les capteurs biochimiques, le guidage de sources infrarouges de haute puissance, la fabrication de sources infrarouges et dans les bascules optiques. Ce mémoire présente les résultats de travaux de recherche réalisés sur les fibres chalcogénures de AS₂S₃, notamment dans la conception de réseaux à longs pas (LPG), photo-induits et mécaniquement induits. Premièrement, une revue bibliographique présentant les propriétés et les applications des fibres en verre chalcogénures est fournie. Ensuite, une brève introduction sur la théorie des fibres optiques et des réseaux LPG est développée, pour finalement présenter les résultats expérimentaux. Ces derniers portent sur les observations des effets photo-induits, et sur la fabrication et la caractérisation, à la fois, des réseaux LPG mécaniquement induits, des interféromètres Mach-Zehnder utilisant deux réseaux LPG en série, et d'un réseau LPG photo-induit.

L'industrie des semi-conducteurs prend une place importante dans l'économie mondiale avec un marché qui excède 400 000 000 000 $ en 2005. Traditionnellement, ce sont les matériaux inorganiques qui occupent le rôle de composantes actives dans les dispositifs électroniques. Principalement, on note l'utilisation du Si dans les transistors et l'utilisation du GaAs dans les diodes électroluminescentes. Cependant, il a été récemment démontré que des matériaux organiques peuvent remplacer les semi-conducteurs traditionnels dans plusieurs applications comme les cartes à puces, les cartes d'identification électromagnétiques, les piles solaires et les diodes électroluminescentes pour la fabrication d'écrans plats flexibles. Les semi-conducteurs organiques ont donc un avenir certain dans ce domaine en pleine effervescence. Par conséquent, il est important de développer et de caractériser de nouveaux semi-conducteurs organiques démontrant les meilleures propriétés électriques et optiques possibles. De plus, l'étude de dispositifs avec ces nouveaux matériaux est essentielle afin de bien comprendre leur comportement électro-optique réel et de pouvoir optimiser les performances avec les candidats potentiels. Dans cette thèse de doctorat, nous avons fait l'étude de nouveaux matériaux dérivés de l'unité 2,7-carbazole et nous avons évalué leur potentiel à être utilisés comme semi-conducteurs dans les diodes électroluminescentes et les transistors à effet de champ.

Nous déterminons expérimentalement la valeur de la puissance critique à l'autofocalisation dans l'air, l'argon et l'hélium en enregistrant le mouvement apparent du signal de fluorescence généré par une impulsion laser femtoseconde focalisée. Nous mesurons une puissance critique dans l'air de 10 GW, tel que précédemment établie [25], mesurons une puissance critique dans l'argon de 6,7 GW, tel que précédemment établie [20] et confirmons une puissance critique dans l'hélium de 268 GW, tel que précédemment établi [20]. À travers nos observations, nous constatons que la fluorescence au foyer géométrique survie au-delà de la puissance critique à l'auto-focalisation. À partir de ce constat, nous caractérisons systématiquement la distribution de fluorescence en fonction du rapport longueur focale f / Diamètre de faisceau D. Nos conclusions nous permettent de statuer sur l'évolution du processus de filamentation lorsqu'est modifiée sa géométrie de focalisation.

The aim of the present project is to develop and investigate new types of polymer stabilized liquid crystals (PSLC), based on non-mesogenic monomers. The PSLC system is composed of few percent of monomer dissolved in the nematic liquid crystal (NLC) matrix. The photo-induced radical polymerization results in the formation of polymer network, the morphology of which depends on the functionality of the monomer used as well as on the polymerization conditions. Thus, linear, 2D and 3D polymer networks are created, changing the elastic properties of the NLC, which can be used for the stabilization and control of liquid crystal (LC) cell's alignment and electro optical properties. Most importantly, the morphology of the polymer network near to the surface, in a sub-micrometric distances from the boundary of the cell and its interaction with the cell substrate plays crucial role in the electric field induced planar or 2D (in the plane of the electric field) and 3D molecular reorientations. We will investigate a rich variety of PSLCs to find and demonstrate their unique electro-optic responses for different photonic applications. / De nouveaux types de cristaux liquides stabilisés par les réseaux de polymère (PSLC) sont étudiés, en utilisant des monomères non-mesogenic. Le système de PSLC est compose de quelque pourcent de monomère dissous dans la matrice à cristal liquide nematique (NLC). La polymérisation radicalaire photo-induite a comme conséquence la formation de réseau de polymère, la morphologie duquel dépend de la fonctionnalité du monomère utilisé. Ainsi, des réseaux du polymère linéaire, 2D et 3D sont créés en changeant les propriétés élastiques du NLC, qui peuvent être employées efficacement pour la stabilisation et le contrôle de l'alignement et des propriétés électro-optiques des cellules (LC) à cristal liquide. D'une manière plus importante, la morphologie du réseau de polymère qui se forme près de la surface dans des distances sub-micrométriques de la frontière de la cellule et son interaction avec le substrat de la cellule joue un rôle crucial dans la réorientation moléculaire induite 2D (dans le plan du champ électrique) et 3D. Une riche variété de PSLCs ont été étudiées. Des propriétés électro-optiques prometteuses de PSLCs ont été obtenues pour différentes applications photoniques.

L'augmentation exponentielle de la demande de bande passante pour les communications laisse présager une saturation prochaine de la capacité des réseaux de télécommunications qui devrait se matérialiser au cours de la prochaine décennie. En effet, la théorie de l’information prédit que les effets non linéaires dans les fibres monomodes limite la capacité de transmission de celles-ci et peu de gain à ce niveau peut être espéré des techniques traditionnelles de multiplexage développées et utilisées jusqu’à présent dans les systèmes à haut débit. La dimension spatiale du canal optique est proposée comme un nouveau degré de liberté qui peut être utilisé pour augmenter le nombre de canaux de transmission et, par conséquent, résoudre cette menace de «crise de capacité». Ainsi, inspirée par les techniques micro-ondes, la technique émergente appelée multiplexage spatial (SDM) est une technologie prometteuse pour la création de réseaux optiques de prochaine génération. Pour réaliser le SDM dans les liens de fibres optiques, il faut réexaminer tous les dispositifs intégrés, les équipements et les sous-systèmes. Parmi ces éléments, l'amplificateur optique SDM est critique, en particulier pour les systèmes de transmission pour les longues distances. En raison des excellentes caractéristiques de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) utilisé dans les systèmes actuels de pointe, l'EDFA est à nouveau un candidat de choix pour la mise en œuvre des amplificateurs SDM pratiques. Toutefois, étant donné que le SDM introduit une variation spatiale du champ dans le plan transversal de la fibre, les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium spatialement intégrés (SIEDFA) nécessitent une conception soignée. Dans cette thèse, nous examinons tout d'abord les progrès récents du SDM, en particulier les amplificateurs optiques SDM. Ensuite, nous identifions et discutons les principaux enjeux des SIEDFA qui exigent un examen scientifique. Suite à cela, la théorie des EDFA est brièvement présentée et une modélisation numérique pouvant être utilisée pour simuler les SIEDFA est proposée. Sur la base d'un outil de simulation fait maison, nous proposons une nouvelle conception des profils de dopage annulaire des fibres à quelques-modes dopées à l'erbium (ED-FMF) et nous évaluons numériquement la performance d’un amplificateur à un étage, avec fibre à dopage annulaire, à ainsi qu’un amplificateur à double étage pour les communications sur des fibres ne comportant que quelques modes. Par la suite, nous concevons des fibres dopées à l'erbium avec une gaine annulaire et multi-cœurs (ED-MCF). Nous avons évalué numériquement le recouvrement de la pompe avec les multiples cœurs de ces amplificateurs. En plus de la conception, nous fabriquons et caractérisons une fibre multi-cœurs à quelques modes dopées à l'erbium. Nous réalisons la première démonstration des amplificateurs à fibre optique spatialement intégrés incorporant de telles fibres dopées. Enfin, nous présentons les conclusions ainsi que les perspectives de cette recherche. La recherche et le développement des SIEDFA offriront d'énormes avantages non seulement pour les systèmes de transmission future SDM, mais aussi pour les systèmes de transmission monomode sur des fibres standards à un cœur car ils permettent de remplacer plusieurs amplificateurs par un amplificateur intégré. / The exponential increase of communication bandwidth demand is giving rise to the so-called ‘capacity crunch’ expected to materialize within the next decade. Due to the nonlinear limit of the single mode fiber predicted by the information theory, all the state-of-the-art techniques which have so far been developed and utilized in order to extend the optical fiber communication capacity are exhausted. The spatial domain of the lightwave links is proposed as a new degree of freedom that can be employed to increase the number of transmission paths and, subsequently, overcome the looming ‘capacity crunch’. Therefore, the emerging technique named space-division multiplexing (SDM) is a promising candidate for creating next-generation optical networks. To realize SDM in optical fiber links, one needs to investigate novel spatially integrated devices, equipment, and subsystems. Among these elements, the SDM amplifier is a critical subsystem, in particular for the long-haul transmission system. Due to the excellent features of the erbium-doped fiber amplifier (EDFA) used in current state-of-the-art systems, the EDFA is again a prime candidate for implementing practical SDM amplifiers. However, since the SDM introduces a spatial variation of the field in the transverse plane of the optical fibers, spatially integrated erbium-doped fiber amplifiers (SIEDFA) require a careful design. In this thesis, we firstly review the recent progress in SDM, in particular, the SDM optical amplifiers. Next, we identify and discuss the key issues of SIEDFA that require scientific investigation. After that, the EDFA theory is briefly introduced and a corresponding numerical modeling that can be used for simulating the SIEDFA is proposed. Based on a home-made simulation tool, we propose a novel design of an annular based doping profile of few-mode erbium-doped fibers (FM-EDF) and numerically evaluate the performance of single stage as well as double-stage few-mode erbium-doped fiber amplifiers (FM-EDFA) based on such fibers. Afterward, we design annular-cladding erbium-doped multicore fibers (MC-EDF) and numerically evaluate the cladding pumped multicore erbium-doped fiber amplifier (MC-EDFA) based on these fibers as well. In addition to fiber design, we fabricate and characterize a multicore few-mode erbium-doped fiber (MC-FM-EDF), and perform the first demonstration of the spatially integrated optical fiber amplifiers incorporating such specialty doped fibers. Finally, we present the conclusions as well as the perspectives of this research. In general, the investigation and development of the SIEDFA will bring tremendous benefits not only for future SDM transmission systems but also for current state-of-the-art single-mode single-core transmission systems by replacing plural amplifiers by one integrated amplifier.