Dans cette thèse, je reporte les résultats d'études développées durant ces trois dernières années à l'Institut Non-Linéaire de Nice. Premièrement, je présente des résultats sur l'application de perturbation à un système excitable, obtenus à partir d'un simple laser à signal injecté. L'excitabilité, qui vient dans ce cas de la proximité d'une bifurcation noeudselle sur un cercle, et est définit comme une réponse tout-ou-rien à une perturbation. La réponse excitable, présente pour des perturbations supérieures à un certain seuil, correspond au décrochage des deux lasers pour une période. Le déclenchement de tels réponses excitable, dont la forme ne dépend pas de la perturbation (type, amplitude), est démontré par l'application de perturbation. Dans un deuxième temps, j'analyse l'influence de la connexion entre un neurone et son propre axone. Expérimentalement nous ajoutons un miroir de rétroaction fabriquant ainsi un laser injecté et réinjecté. Sous certaines conditions, la précédente réponse excitable se régénère dans la cavité externe, exhibant une propriété de mémorisation, où l'information est codée dans la phase du faisceau. Analytiquement, cela correspond à l'addition d'un terme de retard linéaire qui joue le rôle d'un "quasi-espace" permettant la coexistence de plusieurs "réponse excitable", et leur interprétation en terme de solitons topologique de Sine-Gordon. L'application de perturbations appropriées peut mener au contrôle de l'information présente. De nombreux comportements ont ainsi été observés et reproduits numériquement avec des modèles appropriés, comme les collisions, le groupement, la diffusion, l'accrochage à une modulation périodique, ... / In this thesis, I report the results of studies performed during these last three years at Institut Non Linéaire de Nice. First, I present results on perturbing a neuron-like excitable system build from a simple laser with an injected signal experiment. Excitability, that comes in this case from the proximity of a Saddle-node bifurcation, is defined as an all or-nothing response to an external perturbation. The excitable response, that arises from perturbation larger than a certain threshold, corresponds to the unlocking between the two lasers for one period. Triggering of such excitable responses, that shape do not dependent on the perturbation (kind, strength), is demonstrated applying perturbations. In a second part, I analyze the influence of the connection between one of this neuron and its own axon. Experimentally we add a feedback mirror building a laser submitted to injection and feedback. Under certain conditions, the previous excitable response is found to regenerate in the external cavity, exhibiting a memory behavior where the information is coded in the time spiking pattern. Analytically, this corresponds to the addition of a linear delay term that acts as a space-like coordinate allowing the storage of many "excitable responses", and their interpretation in terms of Sine-Gordon topological solitons. Application of appropriate perturbations could lead to the control of "information" present. Many interesting behaviors of this new structures are observed and analyzed numerically with appropriate models, like collisions, clustering, particle-like diffusion, locking to periodic additional forcing...

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Au cours des dix dernières années, les performances des lasers à cascade quantique dans le moyen infrarouge ont connu une progression rapide: Les rendements ont atteint des valeurs supérieures à 20% avec une puissance d’émission de 5W en régime continu, à température ambiante. Ces valeurs ont été atteintes notamment grâce à la diminution de la sensibilité des lasers à l’échauffement, avec des températures caractéristiques T0 s’approchant de 300K. Les performances sont donc actuellement limitées par la puissance injectée, qui est proportionnelle à la taille de la zone de gain. Les travaux de cette thèse présentent une solution innovante, consistant à combiner un réseau d’émetteurs de petites tailles de façon monolithique. Nous démontrons expérimentalement pour la première fois, des dispositifs jusqu’à 32 émetteurs de 2µm de larges, émettant en phase par couplage évanescent. De plus, nous mettons en évidences des résistances thermiques record. Ces résultats mettent en évidence la possibilité de fabriquer des sources de hautes puissances (supérieures à 10W) dans le moyen-infrarouge avec une très bonne qualité de faisceau. / During the last 10 years, the quantum cascade lasers performances in the mid-infrared have been considerably improved: the wall plug efficiency has reached values superior to 20%, with output power up to 5W in continuous wave operation, at room temperature. Those values have been achieved due to the reduction of the temperature sensibility of the lasers, with characteristic temperature T0 reaching 300K. The output power is now limited to the injected power, which is proportional to the gain region size. This thesis reports an innovating solution consisting on beam combining an array of narrow emitters, monolithically. We experimentally demonstrate for the first time devices of up to 32 emitters of 2µm width emitting in phase by evanescent coupling. Moreover, we show record thermal resistance. Those results highlight the possibility to fabricate high power sources (superior to 10 W) in the mid-infrared, with a good beam quality.

Contexte : Les difficultés de compréhension de la parole dans le bruit représente la principale plainte des personnes malentendantes. Cependant, peu d’études se sont intéressées aux mécanismes d’encodage des sons en environnement bruyant. Ce faisant, nos travaux ont portés sur les stratégies d’encodage des sons dans le nerf auditif dans environnements calme et bruyant en combinant des techniques électrophysiologiques et comportementales chez la gerbille.Matériel et méthodes : L’enregistrement unitaire de fibres du nerf auditif a été réalisé en réponse à des bouffées tonales présentées dans un environnement silencieux ou en présence d’une bruit de fond continu large bande. Les seuils audiométriques comportementaux ont été mesurés dans les mêmes conditions acoustiques, par une approche basée sur l’inhibition du reflex acoustique de sursaut.Résultats : Les données unitaires montrent que la cochlée utilise 2 stratégies d’encodage complémentaires. Pour des sons de basse fréquence (<3,6 kHz), la réponse en verrouillage de phase des fibres de l’apex assure un encodage fiable et robuste du seuil auditif. Pour des sons plus aigus (>3,6 kHz), la cochlée utilise une stratégie basée sur le taux de décharge ce qui requiert une plus grande diversité fonctionnelle de fibres dans la partie basale de la cochlée. Les seuils auditifs comportementaux obtenus dans les mêmes conditions de bruit se superposent parfaitement au seuil d’activation des fibres validant ainsi les résultats unitaires.Conclusion : Ce travail met en évidence le rôle capital de l’encodage en verrouillage de phase chez des espèces qui vocalisent au-dessous de 3 kHz, particulièrement en environnement bruyant. Par contre, l’encodage de fréquences plus aiguës repose sur le taux de décharge. Ce résultat met l’accent sur la difficulté d’extrapoler des résultats obtenus sur des modèles murins qui communique dans les hautes fréquences (> à 4 kHz) à l’homme dont le langage se situe entre 0,3 et 3 kHz. / Background: While hearing problems in noisy environments are the main complaints of hearing-impaired people, only few studies focused on cochlear encoding mechanisms in such environments. By combining electrophysiological experiments with behavioral ones, we studied the sound encoding strategies used by the cochlea in a noisy background.Material and methods: Single unit recordings of gerbil auditory nerve were performed in response to tone bursts, presented at characteristic frequencies, in a quiet environment and in the presence of a continuous broadband noise. The behavioral audiogram was measured in the same conditions, with a method based on the inhibition of the acoustic startle response.Results: Single unit data shows that the cochlea used 2 complementary strategies to encode sound. For low frequency sounds (<3.6 kHz), the phase-locked response from the apical fibers ensure a reliable and robust encoding of the auditory threshold. For high frequencies sounds, basal fibers use a strategy based on the discharge rate, which requires a larger heterogeneity of fibers at the base of the cochlea. The behavioral audiogram measured in the same noise condition overlaps perfectly with the fibers’ threshold. This result validates our predictions made from the single fiber recordings.Conclusion: This work highlights the major role of the phase locked neuronal response for animal species that vocalize below 3 kHz (as human), especially in noisy backgrounds. At the opposite, high frequency sound encoding is based on rate information. This result emphasizes the difficulty to transpose results from murine model which communicate in the high frequencies (> 4 kHz) to human whose language is between 0.3 and 3 kHz.

L'observation d'une synchronisation entre les systèmes locomoteur et respiratoire soulève de nombreuses questions concernant son utilité fonctionnelle pour l'organisme et les contraintes susceptibles de moduler son apparition. A l'heure actuelle, des contradictions subsistent dans les réponses apportées à ces interrogations, notamment en raison de la multiplicité des méthodes employées pour l'étude de ce phénomène. La théorie des oscillateurs couplés, et plus particulièrement le modèle de la sine circle map, nous permet de rendre compte de façon précise des relations de couplage entre les systèmes locomoteur et respiratoire. Les objectifs de ce travail de thèse sont de renforcer la validité de l'utilisation de ce modèle pour l'étude du couplage locomotion-respiration (CLR), d'examiner le lien entre le CLR et la performance sportive, ainsi qu'identifier les contraintes influençant les relations de couplage entre ces deux systèmes. Dans des tâches de pédalage ou de course à pied, les participants avaient pour consigne ou non de synchroniser leur locomotion ou leur respiration avec une stimulation auditive dont le tempo correspondait à leurs fréquences préférentielles (locomotrice ou respiratoire). Nos résultats montrent l'efficacité du rythme auditif pour induire une stabilisation du CLR, indépendamment de la consigne donnée aux participants et du système rythmé. Ces résultats révèlent une bidirectionnalité dans le couplage entre les systèmes locomoteur et respiratoire. De plus, nous mettons en évidence une forte corrélation entre le gain de stabilité entre les deux systèmes et le gain de consommation d'oxygène (i.e., diminution). Par conséquent, la stabilité du CLR est un facteur important à prendre en compte pour la performance sportive. Nous rapportons également une déstabilisation du CLR lors de l'éloignement d'un des deux systèmes de sa fréquence préférentielle. Ce résultat suggère l'adoption spontanée par les individus d'une synchronisation optimale entre les deux systèmes. Ainsi, il semble primordial de présenter une stimulation adaptée à chacun et adaptable aux changements de fréquences locomotrice ou respiratoire imposés par les contraintes de la tâche. Pris ensemble, nos résultats permettent une meilleure compréhension de l'évolution du CLR face aux contraintes qui lui sont imposées (e.g., fréquences locomotrice ou respiratoire, rythme auditif, modalité d'exercice) et mettent en évidence l'influence positive de sa stabilité sur la performance sportive. Nous rapportons également l'efficacité d'une stimulation visuelle pour apprendre à mieux gérer les ressources énergétiques au cours de l'effort. Ainsi, ce travail ouvre des perspectives de travaux sur l'utilisation d'une stimulation auditive ou visuelle, simple (e.g., métronome) ou complexe (e.g., musique, avatar), dans le cadre de l'entraînement et de l'amélioration de la performance sportive. / The natural synchronization between locomotor and respiratory systems raises many questions regarding its functional utility for the organism, as well as constraints that may modulate its appearance. Currently, contradictions remain in answers provided to these issues, especially because of the multiple methods used to study this phenomenon. The theory of coupled oscillators, and more specifically the sine circle map model, allows to accurately assess the coupling between locomotor and respiratory systems. This work aims at strengthening the validity of the use of this model for the study of locomotor-respiratory coupling (LRC), examining the relationship between LRC and sport performance, as well as identifying the constraints influencing the coupling between both systems. In pedalling or running tasks, participants were instructed or not to synchronize their locomotion or their breathing with an auditory rhythm which tempo matched their preferred frequencies (locomotor or respiratory). Our results show the effectiveness of auditory rhythm to induce stabilization of LRC, regardless of the instructions given to participants and the system paced. These results reflect a bidirectionality in the coupling between the locomotor and respiratory systems. Furthermore, we show a strong correlation between the increase in stability between the two systems and the gain in oxygen consumption (i.e., decrease). Therefore, the stability of LRC is an important factor to consider for sport performance. We also report a destabilization of LRC when one of the two systems is far off its preferred frequency. This result suggests that individuals spontaneously adopt an optimum synchronization between the two systems. Thus, it seems important to use a customized suitable stimulation that could be able to adapt its tempo to changes in locomotor or respiratory frequencies imposed by the constraints of the task. Overall, our results provide a better understanding of the evolution of LRC when confronted to constraints (e.g., locomotor or respiratory frequencies, auditory rhythm, exercise modality) and highlight the positive impact of its stability on sport performance. We also report the effectiveness of a visual stimulation to learn how to better manage energy resources during effort. Thus, this work opens perspectives on the use of auditory or visual stimuli, simple (e.g., metronome) or complex (e.g., music, avatar), for training and performance enhancement.

Tato práce se zabývá využitím EEG dat pro výpočet mozkové konektivity a vytvořením klasifikátoru mentální zátěže. Nejdříve je popsán teoretický základ EEG, následně jsou rozebrány některé metody pro určení mozkové konektivity. Pro výpočet klasifikačních příznaků byla použita data nasnímaná během experimentu, který manipuloval s mentální zátěží ve dvou stupních. V práci je popsán průběh experimentu, zpracování a redukce nasnímaných dat, stejně jako extrakce příznaků z nasnímaných EEG dat pomocí několika metod měření konektivity (korelační funkce, kovariance, koherence a míra fázové soudržnosti) a následná automatická klasifikace třemi způsoby (na základě vzdálenosti od vzoru tvořeného průměrem, metoda nejbližšího souseda a diskriminační alanýza). Dosažené výsledky jsou detailně popsány a diskutovány. Nejlepšího výsledku (úspěšnost 60,64%) bylo dosaženo při použití kovarianční matice určené z dat získaných ze 4 elektrod z různých mozkových oblastí (beta pásmo EEG) při klasifikaci založené na lineární diskriminační funkci.

The random fluctuations of signal phase of an oscillator limit the precision of time and frequency measurements. The noise and long-term stability of the system’s oscillator or clock is of major importance in applications such as optical and wireless communications, high-speed digital electronics, radar, and astronomy. The Optoelectronic Oscillator (OE Oscillator), a new class of time delay oscillator with promise as a low-phase noise source of microwave carriers, was introduced by Steve Yao and Lute Malek in 1996. The OE Oscillator combines into a closed loop an RF photonic link and an RF chain. The RF photonic link consists of a laser, electro-optic modulator, optical fibre delay line, and a photo-receiver that together provide an RF delay. An RF chain consists of one or more amplifiers and a RF resonator that together provide the sustaining amplification and the frequency selectivity necessary for single mode oscillation of the loop. The low loss of optical fibres enables the attainment of delays that correspond to optical fibre lengths of several kilometers. It is the long delay, unattainable in an all electronic implementations that is responsible for the superior phase noise performance of an OE Oscillator. In this thesis the fundamental principles of operation of an OE Oscillator are described and the principal sources of in-loop phase fluctuations that are responsible for phase-noise identified. This lays the ground for an exposition of the mechanism that describes the perturbation of a time delay oscillator by injection into the loop of a carrier that is detuned in frequency from the natural frequency of the oscillator. For sufficiently small detuning the oscillator can become phase locked to the injected carrier. The model presented in the thesis generalises the traditional Yao-Maleki and Leeson model to include all the important features that describe the injection locking dynamics of an OE Oscillator. In particular the common assumptions of single mode oscillation and weak injection are removed. This is important to correctly predict the effect of injection locking on the spurious peaks in the phase noise spectrum corresponding to the side-modes of a time delay oscillator. Simulation results are presented in order to validate the dynamics of the oscillator under injection and analytic results on the lock-in range and phase noise spectrum. A 10 GHz OE Oscillator with a single 5km delay line is used as an example in the simulation illustration.

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