Esta tese descreve a demonstração experimental de dispositivos baseados em fibras de cristal fotônico (PCFs), que aproveitam a flexibilidade estrutural oferecida pela matriz de capilares que compõe a seção reta da fibra, de forma a preencher estes capilares com líquidos e materiais nanoestruturados. Para o caso de materiais nanoestruturados, uma vez preenchida a fibra, os materiais nela inseridos interagem eficientemente com a luz guiada. Essa arquitetura diferenciada em relação às fibras ópticas convencionais abre novas perspectivas no desenvolvimento de aplicações como óptica não-linear e sensoriamento. PCFs de núcleo líquido, por outro lado, impõe dificuldades para a implementação de dispositivos práticos, devido às altas taxas de evaporação dos líquidos inseridos. Por esta razão, foi desenvolvida uma nova técnica para vedar seletivamente ambas as faces externas do núcleo líquido de uma PCF, utilizando um polímero curável. Estes tampões poliméricos evitam a evaporação, causando um impacto mínimo no guiamento da luz, tornando o dispositivo usável por semanas. Esta nova técnica de vedação foi empregada em um experimento para a geração de supercontínuo em uma PCF com núcleo de água destilada, proporcionando uma estabilidade de pelo menos 1 hora. Combinando líquidos e materiais nanoestruturados, foi também foi desenvolvido um sensor de temperatura baseado no preenchimento do núcleo de uma PCF por uma amostra coloidal de nanopartículas semicondutoras de CdSe/ZnS, dispersas em óleo mineral. O espectro de luminescência destes pontos quânticos coloidais é fortemente dependente da temperatura e os resultados obtidos mostraram que a grande interação entre a luz e o colóide, aliada a geometria da fibra, proporcionando uma sensibilidade ~5,5 vezes maior que a apresentada por uma rede de Bragg escrita em uma fibra óptica padrão, com boa relação sinal-ruído. / This thesis describes the experimental demonstration of devices based on photonic crystal fibers (PCFs). PCFs are optical fibers whose core is surrounded by a regular matrix of holes, which runs longitudinally across its length. This singular configuration allows the insertion of liquids and nanostructured material into the fiber. Nanostructured materials embedded inside the fiber efficiently interact with the guided light, opening up possibilities of novel applications regarding the fields of non-linear optics, as well as optical sensing. On the other hand, liquid-core PCFs suffer from some disadvantages concerning practical device applications, on account of the high evaporation of the inserted liquids. In order to address this issue, we developed a novel technique to selectively seal the external faces of a liquid-core PCF, by using a polymer plug. These polymer plugs avoid evaporation while causing a minimum impact on the light guiding characteristics of the PCF. This novel sealing technique was employed in a supercontinuum generation experiment, by using a PCF whose core was water-filled. A temporal stability of at least one-hour on the resulting spectrum was achieved. Combining the above techniques, we also developed a temperature sensor based on the core-filling of a PCF by a colloidal ensemble of CdSe/ZnS semiconductor nanoparticles dispersed in mineral oil. Those colloidal quantum-dots display a luminescence spectrum which is strongly dependent on temperature and the experimental results indicated that the greater interaction between the guided light and the colloidal sample, provided by the fiber geometry, allowed a sensitivity which is approximately 5.5 times than possible with a conventional Bragg grating, while keeping a satisfactory signal-to-noise ratio.

Dans les prochaines décennies, les limites des systèmes de communications optiques actuels seront atteintes à moins d'adopter de nouvelles solutions. L'une d'elles est l'utilisation d'une nouvelle plage spectrale autour de 2 µm stimulée par l'apparition des amplificateurs fibrés dopés thulium. Dans ce manuscrit, nous nous y intéresserons dans le cadre de transmissions très courtes distances sur puces photoniques. Divers matériaux, dont le dioxyde de titane, seront ainsi explorés.Ce travail de thèse a deux principaux objectifs. D'une part, il vise à démontrer que le dioxyde de titane (TiO2), matériau encore peu exploré, est prometteur pour des applications télécoms en le comparant à des plateformes plus matures. D'autre part, il tend à introduire la bande spectrale autour de 2 µm comme une solution à envisager pour les télécommunications de nouvelle génération.Plus précisément, la première partie de cette thèse a pour but de développer une technique pour coupler efficacement la lumière dans les structures en TiO2). Pour la première fois, une configuration faisant appel à un réseau métallique enterré a été évaluée numériquement avant d'être caractérisée expérimentalement. La seconde partie présente des transmissions télécoms haut-débit (10 Gbit/s) autour de µm réalisées sans erreurs dans des guides d'ondes sub-longueur d'onde ou multimodes en dioxyde de titane, silicium ou silicium-germanium. Pour terminer, des fonctions non-linéaires sont explorées sur ces puces photoniques. Il a été ainsi démontré une conversion en longueurs d'onde à 2 µm atteignant -10dB sur silicium ou la génération du premier supercontinuum s'étalant du visible à 2 µm dans un guide d'onde en TiO2. / In the next decades, the limits of current optical communication systems will be reached unless new solutions are adopted. On of them is the use of a new spectral range around 2 µm enabled by the emergence of thulium-doped fiber amplifiers. In this thesis, we will focus on it in the context of very short distances transmissions on photonic chips. Various materials, mainly titanium dioxide (TiO2), will be explored.This thesis work has two main objectives. On the one hand, it aims to demonstrate that a material relatively unexplored, titanium dioxide, is promising for telecom applications by comparing it to more mature plateforms. On the other hand, it tends to introduce the spectral band around 2 µm as a solution to be considered for next-generation communications.More precisely, the first part of this thesis aims to develop a technique to efficiently couple light in TiO2 structures. For the first time, a configuration using a buried metallic grating was evaluated numerically and then characterized experimentally. The second part presents error-free high-speed (10 Gbit/s) telecom transmissions around 2 µm carried out in subwavelength or multimode waveguides in titanium dioxide, silicon or silicon-germanium. Finally, nonlinear functions are explored on the photonic chips. Thus, it has been demonstrated a wavelength conversion at 2 µm reaching -10dB on a silicon waveguide or the first supercontinuum generation spreading from visible to 2 µm wavelength in a TiO2 waveguide.

La microspectroscopie Raman cohérente (CARS) est une méthode d'analyse optique sans marqueur qui permet d'identifier des liaisons moléculaires dans un milieu d'intérêt (échantillon) pour permettre de déterminer la composition chimique de ce milieu. Elle nécessite l'excitation concomitante de l'échantillon par deux ondes spectralement décalées (onde pompe et onde Stokes) afin de faire entrer en résonance les liaisons à détecter. Pour la détection de plusieurs liaisons simultanément (microspectroscopie Raman cohérente large-bande ou Multiplex-CARS), la source Stokes monochromatique est remplacée par une source laser large-bande (supercontinuum). Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse visent à proposer de nouvelles sources de supercontinuum émettant des faisceaux optimisés en termes d'élargissement spectral et de densité spectrale de puissance pour la microspectroscopie Multiplex-CARS. Pour ce faire, les moyens de développer des continuums spectraux performants ont été explorés dans trois fibres optiques différentes: une fibre microstructurées air/silice monomode à gros cœur dopé à l'ytterbium permettant une réamplification du signal tout au long de sa propagation ; une fibre monomode conventionnelle en régime de dispersion normale pour obtenir un élargissement spectral par saturation du gain Raman ; une fibre multimode dans laquelle le faisceau spectralement élargi par saturation du gain Raman à très forte puissance subit également un auto-nettoyage spatial par effet Kerr tout au long de sa propagation, produisant en sortie un faisceau de forte brillance dont le profil d’intensité est semblable à celui du mode fondamental. Une étude spectrotemporelle complète est présentée pour ces trois sources. / Coherent Raman microspectroscopy (CARS) is an optical method used to identify molecular bonds in a sample in order to analyze and determine its complete composition. It requires the simultaneous excitation of the sample by two waves (the pump wave and the Stokes wave) in order to induce resonant vibration of the bond to be detected. For multiple bonds analysis (broadband coherent Raman microspectroscopy our Multiplex-CARS), the monochromatic Stokes wave must be replaced by a broadband beam (supercontinuum). The aim of this thesis was to design supercontinuum sources optimized for Multiplex-CARS application, in particular in terms of spectral bandwidth and spectral power density. Supercontinuum generation was investigated in three different optical fibers: (i) a microstructured single mode fiber with a large Yb doped core in which the input beam was re-amplified all along its propagation; (ii) a conventional singlemode fiber pumped in the normal dispersion regime in which spectral broadening was achieved by means of Raman gain saturation; (iii) a conventional graded-index multimode fiber in which the beam spectrally broadened by Raman gain saturation at very high power also experienced spatial self-cleaning by Kerr effect, resulting in a high brillance output beam with an,intensity profile close to that of the fundamental mode. A complete spectrotemporal study is achieved for each of these three sources.

Ces travaux de thèse rapportent l’étude des instabilités non-linéaires et des évènements extrêmesse développant lors de la propagation guidée d’un champ électromagnétique au sein de fibresoptiques. Après un succinct rappel des divers processus linéaires et non-linéaires menant à lagénération de super continuum optique, nous montrons que le spectre de celui-ci peut présenterde larges fluctuations, incluant la formation d’événements extrêmes, dont les propriétés statistiqueset l’analogie avec les vagues scélérates hydrodynamiques sont abordées en détail. Nous présentonsune preuve de principe de l’application de ces fluctuations spectrales à la génération de nombres etde marches aléatoires et identifions le phénomène d’instabilité de modulation, ayant lieu lors de laphase initiale d’expansion spectrale du super continuum, comme principale contribution à la formationd’événements extrêmes. Ce mécanisme est étudié numériquement et analytiquement, en considérantune catégorie de solutions exactes de l’équation de Schrödinger non-linéaire présentant descaractéristiques de localisations singulières. Les résultats obtenus sont vérifiés expérimentalement,notamment grâce à un système de caractérisation spectrale en temps réel et à l’utilisation conjointede métriques statistiques innovantes (ex : cartographie de corrélations spectrales). L’excellent accordentre simulations et expériences a permis de valider les prédictions théoriques et d’accéder àune meilleure compréhension des dynamiques complexes inhérentes à la propagation non-linéaired’impulsions optiques. / This thesis reports the study of nonlinear instabilities and extreme events occurring during the guidedpropagation of an electromagnetic field into optical fibers. After a short overview of the various linearand nonlinear processes leading to optical supercontinuum generation, we show that its spectrumcan exhibit large fluctuations, including the formation of extreme events, whose statistical propertiesas well as hydrodynamic rogue waves analogy are studied in detail. We provide a proof of principle ofusing these spectral fluctuations for random number and random walk generation and identify modulationinstability, associated with the onset phase of supercontinuum spectral broadening, as themain phenomenon leading to extreme event formation. This mechanism is studied both numericallyand analytically, considering a class of exact solutions of nonlinear Schrödinger equation which exhibitsingular localization characteristics. The results are experimentally verified, especially througha real-time spectral characterization system along with the use of innovative statistical metrics (e.g.spectral correlation maps). The excellent agreement between simulations and experiments allowedus to validate the theoretical predictions and get further insight into the complex dynamics associatedto nonlinear optical pulse propagation.