Ce travail de thèse porte sur l'étude des performances des lasers à base de bâtonnets quantiques en régime de verrouillage de modes passif dans différentes configurations: laser à deux sections (une section de gaine et une section à absorbant saturable) et laser autopulsant constitué d'une seule section de gain. Nous nous intéresserons tout particulièrement au bruit de phase et à la gigue temporelle des impulsions, caractéristiques limitantes pour les applications faible gigue telles que la récupération d'horloge tout-optique ou la génération de porteuses optiques micro-ondes et millimétriques. Une technique de stabilisation optique permettant de réduire cette gigue temporelle est mise en oeuvre dans ces travaux. Nous présentons également la génération d'impulsions sub-picosecondes à des fréquences de répétition supérieures à 300 GHz à l'aide de lasers autopulsants. / This PhD thesis deals with the study of passive quantum-dash-based mode locked laser in different configurations: 2-section device (one gain section and one saturable absorber section) and self pulsating laser using a single section device.We have assessed in particular phase noise and timing jitter in optical pulses. The latter is very important for low jitter applications as ail optical clock recovery and millimeter wave generation. Stabilization technique based on optical feedback has been applied to reduce the timing jitter. Moreover, we present passive mode locked operation of a self-pulsating quantum dash Fabry-Perot laser diode at arepetition rate over 300 GHz.

Alors que les télécommunications optiques se sont imposées dans les liaisons point à point de très haut débit, leur extension au réseau métropolitain, caractérisé par une grande densité de connexions, est aujourd'hui freinée par le prix élevé des composants. Un des principaux facteurs de coût dans la fabrication des modules optique est lié au besoin de coupler le laser à un isolateur afin de le protéger des réflexions externes. Le but de cette thèse a consisté à développer des lasers monomodes faiblement sensibles à la réalimentation optique afin de pouvoir réaliser des transmissions à 2,5 GBit/s sans isolateur optique. L'étude de structures DFB (Distributed Feedback Lasers) conventionnelles a permis de relier les effets physiques induits sur les composants par la contre-réaction optique aux dégradations observées dans les courbes de taux d'erreurs. Bien qu'un tri de ces composants soit nécessaire à l'échelle industrielle, des transmissions à 2,5 GBit/s et à 85°C ont été réalisées sans plancher et avec de faibles pénalités après optimisation de la structure laser. Afin de s'affranchir de l'opération de tri, de nouvelles structures DFB à pas variable et fondées sur l'utilisation d'un réseau de Bragg asymétrique (chirped grating) ont ensuite été réalisées. Les résultats montrent des performances statiques et dynamiques homogènes sur plaque et au-delà de l'état de l'art. Outre la réduction du prix lié à l'absence d'isolateur, de telles performances permettent surtout de s'affranchir de l'opération de tri et sont donc particulièrement prometteuses pour le développement futur des réseaux de télécommunications tout optique.

Les milieux Kerr soumis à des faisceaux optiques contrapropageants provenant, soit d'une cavité Pérot-Fabry plan-plan ou d'une boucle de rétro-action, ont été très étudiés pour la génération de structures transverses. De nombreux développements théoriques dans la configuration de la cavité ont prédit l'existence de structures localisées (solitons). Cependant aucune mise en évidence expérimentale de ces structures n'a été réalisée à ce jour. Dans la configuration de la boucle de rétro-action optique, les régimes fortement non linéaires présentent des structures rares et intenses, très localisées aussi bien spatialement que temporellement. C'est dans ce cadre que nous nous intéressons expérimentalement à la structuration localisée de la lumière dans ces deux systèmes. La première partie de cette thèse est consacrée à la mise en évidence expérimentale de solitons spatiaux dans une cavité Pérot-Fabry plan-plan Kerr à diffraction positive. Ensuite, nous étudions cette cavité quand elle est soumise à de la diffraction négative. Des parois de domaines propagatives sont alors observées. Celles-ci sont bloquées par le forçage spatial lié à l'inhomogénéité du profil de pompage optique gaussien qui donne lieu à une localisation de la lumière. Nous étudions succinctement le cas limite d'une cavité sans diffraction dans laquelle les parois de domaines survivent. Pour finir nous effectuons une étude du régime très fortement non linéaire dans le dispositif de rétro-action optique grâce à une approche statistique. Nous observons l'apparition de structures localisées scélérates associées à l'émission d'un supercontinuum spectral spatial. / Kerr media subject to counterpropagating optical beams in a plan-plan Pérot-Fabry cavity or optical feedback have been deeply studied for tranverse pattern generation. Many theoretical developments in the cavity configuration predict the existence of localized structures (solitons). However, no experimental evidence of these structures have been giben up to now. In the feedback configuration, the highly nonlinear regimes present rare and intense localized structures in space and in time. In This this framework, we are interested in studying experimentaly the localization of light in the both previous systems. The first part of this thesis is devoted to the experimental evidence of spatial solitons in a Pérot-Fabry Kerr plan-plan cavity with positive diffraction. Then we study this cavity submitted to negative diffraction. Propagative domain walls are observed. They are pinned by the spatial forcing coming from the inhomogeneous gaussian optical pumping profile that induces light localization. We study briefly the case of cavity without diffraction in which domain walls persist. We findly perform a study of highly nonlinear regimes in the optical feedback device using a statistical approach. We observe the emergence of rogue localized structures associated with the emission of a spatial spectral supercontinuum.

Le thème central de ce travail de thèse est consacré à la mesure de concentrations de gaz à l'état de traces par spectroscopie d'absorption à haute sensibilité dans le domaine de l'infrarouge et du visible. Différentes sources spectrales sont employées, des lasers à émission verticale en cavité externe (VECSELs), des diodes laser à cavité externe (ECDLs) et des diodes électroluminescentes à émission large bande (LEDs). Deux techniques sont abordées : la OF-CEAS (Optical-Feedback Cavity--Enhanced Absorption Spectroscopy) et la IBB-CEAS (Incoherent Broadband-Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy).<br /><br />D'abord, les notions nécessaires à la compréhension des techniques considérées sont présentées. Suit la description du développement d'un système IBB-CEAS avec une source LED émettant autour de 643 nm, avec application à la détection des oxydes d'azote à l'état de traces. Les résultats obtenus mettent en avant les avantages de cette technique en termes de simplicité, robustesse et de compacité. La limite de détection obtenue pour le radical NO2 est estimée à 1 ppbv pour deux minutes de temps d'acquisition.<br /><br />Pour la deuxième étude concernant une source laser de type VECSEL émettant à 2.3 μm et pompé optiquement, le résultat principal a été l'obtention d'un balayage monofréquence sur une grande plage spectrale de l'ordre de 16.5 cm-1. Cela a demandé un balayage simultané de la température et de la longueur de la cavité laser. Ensuite, des essais préliminaires on été effectués pour coupler cette source avec la technique OF-CEAS. Ces essais ont révélé un problème de stabilité du comportement monofréquence de la source VECSEL en présence de rétroaction optique.<br /><br />Enfin, la faisabilité de la technique OF-CEAS avec une source ECDL émettant dans l'infrarouge proche pour le diagnostic des décharges à basse pression a été démontrée. Le coefficient d'absorption minimale obtenu est de l'ordre de 10-9 cm-1 pour un temps d'acquisition court (0.1 s), valeur typique atteinte auparavant dans divers systèmes OF-CEAS. Des essais ont été réalisés avec une décharge en flux d'argon avec des traces de méthane autour de 1 mbar. Le même niveau de bruit a été observé que sans décharge. Cependant, dans la gamme spectrale accessible avec le ECDL disponible, les radicaux de type CHX produits dans ce type de décharge n'ont pas été détectés.

La spectroscopie d'absorption moléculaire est un outil incontournable non seulement pour la physique fondamentale et la métrolgie mais aussi pour des domaines aussi divers que les sciences environnementales, la planétologie ou l'astrophysique. Ces dernières années, des techniques spectroscopiques qui exploitent l'amplification résonnante d'interaction entre lumière laser et molécules dans une cavité optique ont fourni des détectivités exceptionnelles sur l'axe d'absorption, tandis que l'axe de fréquence des spectromètres n'atteignait généralement pas le même niveau de précision.Dans cette thèse, nous avons répondu à ce défi en développant la spectroscopie en cavité par temps de déclin stabilisée en fréquence par rétroaction optique (OFFS-CRDS en anglais). Cette nouvelle technique présente une combinaison unique de stabilité et résolution fréquentielles sub-kHz, d'un niveau d'intensité lumineuse intra-cavité de l'ordre du kW/cm^2, d'une detectivite de 2 x 10^(−13) cm^(−1)Hz^(-1/2) limitée par le bruit de photons, et d'une limite de détection de 8.4 x 10^(−14) cm^(−1) sur une plage spectrale étroite. Ces performances inédites sont dues à l'asservissement de la cavité spectroscopique à un laser balayé en fréquence par modulation à bande latérale unique et stabilisé par rétroaction optique avec une cavité en V de réference ultrastable. Pour transférer la cohérence de ce laser sub-kHz à des lasers plus bruiteux dans d'autres gammes spectrales à travers un peigne de fréquence optique, nous avons exploré une nouvelle méthode de clonage de phase par une correction anticipative à large bande passante et démontré une erreur résiduelle de phase de 113 mrad. En appliquant l'OFFS-CRDS à la spectroscopie du CO2 à 1.6 μm, nous avons obtenu un spectre large bande avec une dynamique de 8 x 10^5, et nous avons déterminé douze fréquences de transition absolues avec une exactitude de l'ordre du kHz en mesurant des Lamb dips sub-Doppler en absorption saturée avec un dispositif équipé d'un peigne de fréquence. Par ailleurs, nous avons procédé à une analyse détaillée des sources d'erreurs systematiques en CRDS et nous avons déduit une formule analytique pour le déclin de cavité non-exponentiel dans un régime faiblement saturé qui est susceptible de contribuer à de futures mesures de moments de transition dipolaire indépendantes de la concentration. Nos résultats ouvrent des perspectives prometteuses pour des applications métrologiques de l'OFFS-CRDS, comme par exemple l'étude de profils de raie poussés, la mesures de rapports isotopiques et la spectroscopie d'absorption saturée extensive dans le proche infrarouge. / High-precision molecular absorption spectroscopy is a powerful tool for fundamental physics and metrology, as well as for a broad range of applications in fields such as environmental sciences, planetology and astrophysics. In recent years, spectroscopic techniques based on the enhanced interaction of laser light with molecular samples in high-finesse optical cavities have provided outstanding detection sensitivities on the absorption axis, while the spectrometer frequency axis rarely met as high precision standards.In this thesis, we addressed this challenge by the development of Optical Feedback Frequency-Stabilized Cavity Ring-Down Spectroscopy (OFFS-CRDS). This novel technique features a unique combination of sub-kHz frequency resolution and stability, kW/cm^2-level intracavity light intensity, a shot-noise limited absorption detectivity down to 2 x 10^(−13) cm^(−1)Hz^(-1/2), as well as a detection limit of 8.4 x 10^(−14) cm^(−1) on a narrow spectral interval. This unprecedented performance is based on the tight Pound-Drever-Hall lock of the ring-down cavity to a single-sideband-tuned distributed-feedback diode laser which is optical-feedback-stabilized to a highly stable V-shaped reference cavity. To transfer the coherence of this sub-kHz laser source to noisier lasers in other spectral regions through an optical frequency comb, we have explored a novel high-bandwidth feed-forward phase cloning scheme and demonstrated a residual phase error as low as 113 mrad. Applying OFFS-CRDS to the spectroscopy of CO_2 near 1.6 μm, we obtained a broadband spectrum with a dynamic range of 8 x 10^5 and retrieved twelve absolute transition frequencies with kHz-accuracy by measuring sub-Doppler saturated absorption Lamb dips with a comb-assisted setup. Furthermore, we have performed a comprehensive analysis of systematic error sources in CRDS and derived an analytic formula for the non-exponential ring-down signal in a weakly saturated regime, which may contribute towards future concentration-independent transition dipole moment measurements. Our results open up promising perspectives for metrological applications of OFFS-CRDS, such as advanced absorption lineshape studies, isotopic ratio measurements and extensive saturated absorption spectroscopy in the near infrared.

Le travail de thèse a été réalisé dans le cadre d'une cotutelle entre le Département de Physique Expérimental à l'Université Comenius à Bratislava et Laboratoire de Spectrométrie Physique à l'Université Joseph Fourier à Grenoble. Le but de la thèse était le développement et l'application de nouvelles méthodes spectroscopiques pour l'analyse de plasma et de gaz. A Bratislava, mon travail était supervisé par le prof. Pevel Veis et le Doc. Peter Macko . Il s'est orienté vers le diagnostique optique de plasma. Mon travail principal a été d'étudier le comportement de la décharge à barrière diélectrique(DBD) ainsi que la production d'oxygène dans l'état singulet. En parallèle, j'ai développé des méthodes de mesures des propriétés physiques liées à cette expérience. Dans le DBD, l'objectif était d'écrire l'évolution temporelle des états électroniques excités au cours de la décharge. La méthode utilisée était la spectroscopie rapide et large bande. Mon travail a consisté à mettre en place l'instrumentation ainsi que les algorithmes pour le traitement de données. Concernant l'étude de la production de l'oxygène singulet, on a développé un système CRDS (Cavity-Ring-Down Spectroscopy) capable de le détecter dans la post-décharge de plasma. A Grenoble, sous la supervision du Dr. Daniele Romanini, l'objectif principal de mon travail a consisté dans le développement d'une nouvelle source laser - Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) et son application dans la spectroscopie d'absorption. Le travail a été réalisé en collaboration avec l'Institut d'électronique du Sud dans le cadre du projet ANR MIREV. En plus de ce travail, j'ai participé au développement d'un détecteur portable et bon marché pour l'analyse quantitative de NO$_2$ et NO$_3$ dans l'atmosphère par la technique Incoherent Broadband Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy.

Cette thèse consiste en une étude théorique et expérimentale de la dynamique d'une diode laser à émission latérale (850 nm) avec rétroaction optique à conjugaison de phase. Le dispositif expérimental est conçu afin de voir la diversité dynamique du laser à travers l'analyse temporelle et spectrale alors que le taux de rétroaction varie. La rétroaction à conjugaison de phase est effectuée par mélange à quatre ondes dans un cristal photoréfractif. Le temps de propagation du faisceau laser dans la cavité externe est appelé retard. Sous l’effet de la rétroaction, le système montre une grande richesse dynamique qui varie du chaos total à des régimes auto-pulsés aux fréquences déterminés par le longueur de la cavité externe pour la première fois mis en évidence ici. Des simulations menées en parallèle basées sur les équations de Lang-Kobayashi couramment utilisées apportent des confirmations théoriques aux observations expérimentales. Les principaux points traités sont la crise chaotique et bistabilité de solutions pulsées, les régimes auto-pulsés (stabilisation et déstabilisation) ainsi que les transitions entre eux, la caractérisation d’événements extrêmes de différentes natures avec la distribution statistique associée ainsi qu’une résonance cohérente déterministe de fluctuations à basse fréquence induite par le retard. Au-delà de l’intérêt fondamental de ces résultats et des comparaisons qui peuvent être établies avec d’autres systèmes laser, des applications dans la génération de signaux tout-optique ainsi que le contrôle du chaos sont des débouchés potentiels de cette étude. / This thesis is a theoretical and experimental study of the dynamics of an edge-emitting laser diode (850 nm) with phase-conjugate feedback. The experimental device is designed to see the dynamical range of the laser through the temporal and spectral properties while the feedback rate varies. Phase-conjugate feedback is performed through four-wave mixing in a photorefractive crystal. The propagation time of the laser beam in the external cavity is termed external time delay. Under the effect of the feedback, the system shows a wide dynamical range including chaos and self-pulsing states which characteristic properties are determined by the length of the external cavity. For the first time self-pulsing states at frequencies multiples of the fundamental frequency of the external cavity are evidenced. Simulations carried out based on the commonly-used Lang-Kobayashi laser rate equations provide theoretical confirmations to the experimental observations. The main topics tackled here are chaos crisis and bistability of pulsing solutions, self-pulsing regimes (through their stabilization and destabilization) and the transitions between them, characterization of extreme events of two kinds along with their statistical distribution and delay-induced deterministic coherence resonance of low frequency fluctuations. Beyond the fundamental interest of these results and the many comparisons that can be made with other laser systems, applications in the field of all-optical signal generation and control of chaos are direct consequences of this study.

Ce travail se place dans le cadre de la mesure ultrasensible d'anisotropie de phase optique que permet l'emploi adapté des cavités de très haute finesse. Pour stabiliser la fréquence laser sur une résonance de la cavité, un schéma d'asservissement reposant sur la rétroaction optique est utilisé.Une première partie décrit le couplage optique entre le laser et la cavité à travers l'analyse du comportement de la fréquence d'émission du laser auto-réinjecté. Une comparaison analytique théorie expérience a permis d'identifier les signaux d'erreur nécessaires au maintien durable de la fréquence du laser à l'exacte résonance d'un mode de la cavité. Après une description détaillée du dispositif d'asservissement, sa réalisation expérimentale sur une cavité de finesse de quelques milliers (F = 3 000)a démontré la possibilité de stabiliser la fréquence laser sur plus de dix heures avec une excursion résiduelle à la seconde de 375 Hz.Dans la deuxième partie, le développement précédent a été mis en œuvre sur une cavité de très haute finesse (F = 250 000) et a permis la mesure ultrasensible de biréfringence induite dans des gaz par effet Kerr. L'originalité du dispositif repose sur la mise à profit de la biréfringence résiduelle des miroirs de haute réflectivité.Elle est utilisée d'une part comme source à la rétroaction optique, et d'autre part comme biais optique à la mesure de la biréfringence du gaz. Une étude théorique et expérimentale détaillée des sources de bruit présent dans la chaîne de détection en fonction de la valeur du biais optique a permis de réaliser la mesure de déphasage au niveau du bruit de photons avec quelques mW de puissance laser. Ainsi, une sensibilité référence sur la mesure de déphasage Kerr de 3.10−13 rad a été démontrée pour un temps de mesure de 800 sec. Cette valeur record améliore de trois ordres de grandeur les déphasages Kerr précédemment mesurés. Le dispositif a été de plus mis à profit pour la mesure à faible champ électrique (< 40 V /mm) et à pression atmosphérique, des constantes de Kerr de différents gaz moléculaires et atomiques jusqu'à l'He.

Le niveau de sécurité requis dans l'aviation civile a conduit à l'utilisation de plusieurs chaînes séparées de mesures pour une même information. Il est désormais recommandé de les compléter par une chaîne de mesure dissemblable. Ainsi, THALES Avionics développe depuis 2006 un anémomètre laser dont l'injecteur est réalisé en optique intégrée sur verre pour la mesure de la vitesse de l'avion. Ce travail de thèse vise à poursuivre la miniaturisation en hybridant sur une puce de verre la diode laser de pompe qui alimente l'injecteur optique. L'architecture proposée repose sur le verrouillage d'une diode laser à ruban large sur son mode fondamental grâce à une cavité externe planaire. Celle ci est constituée d'un convertisseur modal réalisé par échange d'ions sur verre intégrant un réseau de Bragg à sa sortie monomode. Le travail réalisé dans cette thèse comporte trois étapes principales. Dans un premier temps, un modèle analytique a permis de dimensionner la rétroaction optique à imposer sur la diode. L'échange d'ions sélectivement assisté par champ électrique a permis dans un second temps de réaliser un convertisseur modal adapté à la liaison entre la diode ruban et la fibre optique monomode de récupération. Finalement, le verrouillage modal a été démontré grâce à l'utilisation d'une fibre optique à réseau de Bragg. L'émission spectrale de la diode laser a été stabilisée autour de la longueur d'onde de Bragg sur une largeur spectrale de 0,3 nm tandis que la puissance en sortie de la fibre monomode a atteint 100 mW. Le réseau de Bragg a alors été intégré sur la puce optique et l'émission de la diode laser ruban a également été stabilisée par la rétroaction intégrée. La forte réflexion du réseau a limité la puissance en sortie du dispositif et une émission sur deux modes transverses a été constatée. Les perspectives de cette étude portent, d'une part, sur l'augmentation de la puissance en sortie du dispositif et, d'autre part, sur la réalisation d'un système de pompage monolithique d'un milieu actif placé au sein de la cavité externe.

Le niveau de sécurité requis dans l'aviation civile a conduit à l'utilisation de plusieurs chaînes séparées de mesures pour une même information. Il est désormais recommandé de les compléter par une chaîne de mesure dissemblable. Ainsi, THALES Avionics développe depuis 2006 un anémomètre laser dont l'injecteur est réalisé en optique intégrée sur verre pour la mesure de la vitesse de l'avion. Ce travail de thèse vise à poursuivre la miniaturisation en hybridant sur une puce de verre la diode laser de pompe qui alimente l'injecteur optique. L'architecture proposée repose sur le verrouillage d'une diode laser à ruban large sur son mode fondamental grâce à une cavité externe planaire. Celle ci est constituée d'un convertisseur modal réalisé par échange d'ions sur verre intégrant un réseau de Bragg à sa sortie monomode. Le travail réalisé dans cette thèse comporte trois étapes principales. Dans un premier temps, un modèle analytique a permis de dimensionner la rétroaction optique à imposer sur la diode. L'échange d'ions sélectivement assisté par champ électrique a permis dans un second temps de réaliser un convertisseur modal adapté à la liaison entre la diode ruban et la fibre optique monomode de récupération. Finalement, le verrouillage modal a été démontré grâce à l'utilisation d'une fibre optique à réseau de Bragg. L'émission spectrale de la diode laser a été stabilisée autour de la longueur d'onde de Bragg sur une largeur spectrale de 0,3 nm tandis que la puissance en sortie de la fibre monomode a atteint 100 mW. Le réseau de Bragg a alors été intégré sur la puce optique et l'émission de la diode laser ruban a également été stabilisée par la rétroaction intégrée. La forte réflexion du réseau a limité la puissance en sortie du dispositif et une émission sur deux modes transverses a été constatée. Les perspectives de cette étude portent, d'une part, sur l'augmentation de la puissance en sortie du dispositif et, d'autre part, sur la réalisation d'un système de pompage monolithique d'un milieu actif placé au sein de la cavité externe. / Objectives of security in civil aviation are reached in multiplying separated measuring chains. The use of dissimilar measuring chains is now encouraged. For this purpose, THALES Avionics has developed an aircraft speed laser anemometer. The suitability of integrated optics on glass for the miniaturisation of the system has been proven in 2006. This thesis aims at pushing ahead with the miniaturisation in hybridising the pump laser diode which supplies the seed laser on a glass platform. The structure consists on locking the fundamental of a Broad Area Laser Diode (BALD) thanks a planar external cavity, composed of a modal converter made by ion exchange on glass and a Bragg grating. First, easy to use conception rules for the BALD's optical feedback are elaborated. Then, the technique of selective field assisted ion exchange is shown to be adapted to the realisation of a modal converter between the BALD and a single mode collecting optical fibre. The realised converter demonstrated the modal locking thanks to the use a fibre Bragg grating. The BALD has been stabilized around the Bragg wavelength with a spectral width of 0.3 nm and stable single mode output power has reached 100 mW. The Bragg grating has then been integrated on the optical chip and the integrated locking of the BALD has been achieved. The output power has been limited by the high reflectivity of the grating. As perspectives, the increase of the output power has been studied and a highly integrated system of intra cavity pumping is proposed.