Ce travail est consacré à l’étude des interactions d’un grand nombre de solitons dans un laser à fibre dopée erbium/ytterbium. Les impulsions interagissent entre elles et se structurent pour former des distributions plus ou moins organisées. Deux cavités ont été réalisées, l’une basée sur la rotation non-linéaire de la polarisation (RNLP) et l’autre sur le miroir optique à boucle non-linéaire (NOLM) en configuration de laser en forme de huit. Avec la RNLP, nous nous sommes intéressés d’abord à une distribution où les impulsions sont liées (cristal de solitons). Ce cristal, stable pour des puissances moyennes, devient instable lorsque la puissance augmente : il se disloque. Les solitons se réorganisent pour former un régime de verrouillage harmonique (HLM) de 50 cristaux. Nous avons ensuite cherché s’il était possible de contrôler les distributions de solitons par l’injection d’une composante continue externe. Nous avons montré que le HLM peut être forcé par l’injection de cette composante. Nous avons développé deux approches afin de modéliser un laser verrouillé en phase et soumis à l'injection d'une composante continue, l'une est scalaire et l'autre vectorielle. Ces modèles démontrent que le signal injecté peut modifier les interactions entre les solitons. Enfin, le NOLM a permis d’observer plusieurs dynamiques : pluie de solitons, gaz de solitons, liquide de solitons, poly-cristal de solitons, multi-cristal de solitons, cristal de solitons, états liés et verrouillage harmonique d’états liés. Ce laser a permis également d’observer une émission laser continue et impulsionnelle autour de 1600 nm. / This work has been devoted to study the interaction of the large number of solitons in the erbium/ytterbium doped fiber laser. The interaction of pulses with each other causes to form more or less organized distribution. Two laser cavities have been constructed, one based on the non-linear polarization rotation (NLPR) and the other based on the nonlinear optical loop mirror (NOLM) in a figure-eight laser configuration. With the NLPR, we were interested to the distribution of coherent pulses (crystal solitons). This crystal, stable for moderate power, becomes unstable at high power, which means to get loose from the initial soliton. These solitons rearrange their relative position to form one harmonic-mode locking regime (HML) of 50 crystals. Afterward, we have investigated the possibility of controlling the solitons distribution by injecting an external continuous wave (cw). It has been observed that cw could force the laser to operate at HLM regime. Moreover, we have developed two theoretical approaches, such as scalar and vectorial, to model the passively mode-locked fiber laser submitted to the cw. Both models confirm that the injected signal could modify the interactions between the solitons. Finally, the NOLM allowed us to observe several dynamics, including rain solitons, gas solitons, liquid solutions, poly-crystal solitons, multi-crystal solitons, crystal solitons, bound states and harmonic-mode locking of bound states. Furthermore, it made possible to observe the continuous as well as pulsed laser emission around 1600 nm.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'autopulsation à 40 GHz générée par verrouillage de modes passif dans les lasers DBR à semi-conducteurs, et de leur application à la récupération d'horloge tout-optique à 40 Gbit/s. Un modèle théorique a montré que le blocage de modes passif dans ces lasers est engendré par mélange à quatre ondes et génère une corrélation des bruits de phase des modes du laser. La signature expérimentale de l'autopulsation est alors la réduction de largeur spectrale du spectre lorentzien du photocourant. L'importance du mélange à quatre ondes a ensuite guidé les démarches de conception de ces composants, et les lasers DBR autopulsants réalisés ont permis l'étude expérimentale du blocage de modes passif, à travers la mesure d'une relation de phase fixe entre modes et la démonstration de la corrélation de leurs bruits de phase. Par la suite, la caractérisation de lasers à boîtes quantiques, développés au III-V Lab, a montré leur potentiel à générer des signaux autopulsants de haute pureté spectrale, avec des largeurs spectrales proches du kHz. Enfin, l'étude de la synchronisation externe du laser autopulsant a montré le rôle clé de la largeur spectrale et l'intérêt des lasers à boîtes quantiques pour les applications telles que la récupération d'horloge tout-optique ou la génération de porteuses optiques micro-ondes. Ces lasers ont d'ailleurs permis la réalisation d'une récupération d'horloge tout-optique à 40 Gbit/s présentant une fonction de transfert de gigue compatible avec le gabarit de la norme ITU-T G825.1. Ce résultat prometteur permet d'envisager l'utilisation de lasers DBR autopulsants dans une interface de régénération.

La première partie de la thèse à consisté en l'étude et la réalisation d'un laser à fibre dopée erbium passivement déclenché par un absorbant saturable semiconducteur à multipuits quantiques InGaAs/InP dopé fer. Parallèlement un modèle basé sur les équations cinétiques a été développé et a permis d'expliquer les principales caractéristiques de sortie de notre laser telles que des impulsions asymétriques.<br />Dans une deuxième partie, nous avons réalisé une source laser fonctionnant en régime de verrouillage de modes. Notre laser s'articule autour d'une fibre erbium et d'un absorbant saturable ultra-rapide (~ ps) InGaAs/InP dopé Fer. Dans cette configuration un régime auto-démarrant d'impulsions de durée 700 fs a été démontré grâce à l'utilisation conjointe d'un absorbant saturable et d'effets de polarisation. <br />La troisième partie de ce travail de thèse a été consacrée à une autre structure non-linéaire ultra-rapide (500 fs) utilisée comme miroir de cavité. Nous avons obtenu des impulsions dont la durée est de 300 fs. Avec la même cavité, un absorbant saturable à base de nanotubes de carbone (NTC) nous a permis d'obtenir un régime de verrouillage de modes présentant une grande stabilité aussi bien en régime de dispersion anormale qu'en régime de dispersion normale. Les performances obtenues sont des impulsions d'énergies supérieures à 150 pJ avec des durées allant de 700 fs (régime anormal) jusqu'à quelques picosecondes (régime normal). <br />Enfin nous avons réalisé une source laser à fibre à haute énergie fonctionnant en régime déclenché grâce à un absorbant saturable semiconducteur GaAs. Le milieu à gain est une fibre double-gaine dopée ytterbium. Nous avons obtenus des impulsions énergétiques (7 µJ) d'une durée d'environ 1 µs. Ce régime est obtenu sur un domaine d'accord d'environ 30 nm autour de 1,07 µm en restant spatialement monomode.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des lasers à verrouillage de modes à bâtonnets quantiques (MLL QD) sur le système de matériau InAs/InP en vue de leur utilisation pour les applications télécoms. Contrairement aux lasers à deux sections, nous exploitons, tout au long de cette thèse, le phénomène du mélange à quatre-ondes qui est à l'origine du verrouillage de modes dans ces structures. Une analyse du " chirp " des impulsions générées par ce type de lasers, ainsi qu'une étude théorique et expérimentale pour le compenser, ont été décrites. En particulier, nous démontrons la compensation du " chirp " linéaire par un filtrage et par une fibre présentant une dispersion adéquate. D'autre part, une compensation du " chirp " d'ordre supérieur est possible en utilisant une fibre à dispersion spécifique. Une étude a été consacrée à la gigue temporelle, un autre paramètre crucial pour la plupart des applications utilisant les MLLs QD. Dans une première étape, nous avons mis en œuvre une technique de mesure par cross-corrélation optique pour caractériser la gigue temporelle des MLLs à haute fréquence de répétition. Contrairement à la technique de mesure par analyse spectrale, celle-ci permet d'effectuer des mesures à des fréquences de répétitions supérieures à 50 GHz et sur une plage de fréquence allant de presque 0 Hz à quelques centaines de MHz. Ensuite, nous avons caractérisé des diodes lasers présentant une largeur de raie RF record d'une valeur de 850 Hz. Une valeur de gigue de 500 fs a été mesurée sur la bande de fréquence [150 kHz-320 MHz]. Cette valeur correspond à une amélioration d'un facteur 25 par rapport à la valeur mesurée sur une structure à base de puits quantiques pour les mêmes bornes d'intégration. Nous avons également présenté une étude de la réduction du bruit de phase des MLLs basée sur l'effet de la réinjection optique. Nous avons ainsi obtenu une amélioration du niveau de bruit de phase d'un facteur supérieur à 15 dB par rapport à la technique optoélectronique standard. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des MLL QD pour la génération des impulsions à très faibles gigue temporelle et ouvrent la voie pour la conception des oscillateurs tout-optiques à faible bruit de phase. Enfin, nous présentons la génération d'un peigne de fréquences WDM en utilisant un MLL QD. En utilisant une telle source, nous avons démontré une transmission canal par canal sur une distance de 50 km de fibre SMF à un débit de 10 Gbit/s. Ce résultat de toute première importance permet d'envisager l'utilisation des MLLs QD pour la transmission WDM

Pour certaines applications, les lasers offrent un choix trop restreint de longueurs d'ondes, et une faible accordabilité. Ces limitations viennent du fait que l'effet laser utilise des résonances atomiques. L'optique non-linéaire permet de s'en affranchir c'est un phénomène non résonnant, donc peu sélectif en longueur d'onde. Néanmoins elle présente des caractéristiques particulières : trois fréquences différentes mises en jeu, l'absence de stockage d'énergie, et le rôle primordial de la phase relative entre les ondes. Dans ce travail nous mettons à profit ces specificités pour mettre en forme spectralement ou temporellement l'émission de lumière dans des sources infrarouges. La première source réalisée est un oscillateur paramétrique optique (OPO) à 3 μm utilisa! nt deux cristaux de KTA. Ses performances sont discutées en régime nanoseconde. Puis nous réalisons un OPO à cristal de PPLN générant des impulsions courtes sous pompage continu par modulation active des pertes. Nous proposons ensuite d'utiliser un absorbant saturable pour verrouiller passivement les modes d'un OPO continu présentant un fort désaccord de vitesse de groupe entre la pompe et le signal. Enfin, nous considérons le cas des sources intégrant à la fois un milieu laser et un dispositif non-linéaire. Nous présentons d'abord un miroir non-linéaire à base de PPLN intégré dans un laser Cr:ZnSe, permettant de produire des impulsions picosecondes accordables autour de 2,5 μm. Nous proposons ensuite de généraliser ce principe en intégrant un OPO dans un laser afin de réaliser une source ultrabrève compacte et accordable.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des corrélations quantiques en variables continues.<br />La question de la caractérisation de ces corrélations est largement abordée, en particulier dans le cas des états gaussiens. Le formalisme mathématique des matrices de covariance, particulièrement adapté à cette étude, est développé ; et les différents critères existants sont répertoriés.<br />Ces critères permettent de caractériser le degré d'intrication des faisceaux générés par le dispositif expérimental au cœur de cette thèse : un Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase. Au-dessous du seuil, les faisceaux, de valeur moyenne nulle, présentent une séparabilité de 0,33. Le système viole de manière apparente l'inégalité de Heisenberg de 58%. Au-dessus du seuil, les faisceaux brillants obtenus sont également fortement non classiques : la séparabilité vaut 0,76 et l'inégalité de Heisenberg est violée en apparence de 24%.<br />Une application originale de ce dispositif est proposée : il est montré théoriquement qu'un OPO à deux cristaux auto-verrouillé en phase génère deux faisceaux intriqués en polarisation, ce qui devrait faciliter le transfert de l'intrication de la lumière à la matière.

Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et expérimentale de différents niveaux de corrélations quantiques en variables continues, mettant en jeu une ou deux quadratures. Dans cet objectif, un oscillateur paramétrique optique de type II, où signal et complémentaire sont émis suivant des polarisations orthogonales, a été développé. Une lame biréfringente introduite à l'intérieur de la cavité induit un couplage des deux modes et permet un fonctionnement dégénéré en fréquence. <br /><br />Un protocole original de préparation conditionnelle d'un état non-classique, de distribution statistique sub-Poissonienne, a été étudié théoriquement et mis en oeuvre expérimentalement. Il repose sur les corrélations d'intensité des faisceaux émis au-dessus du seuil en l'absence de lame. Une compression de 9.5 dB du bruit sur la différence d'intensité a été obtenue.<br /><br />En présence de la lame, les faisceaux émis sont dégénérés en fréquence et en principe intriqués. La dégénérescence a permis la première mesure des anti-corrélations de phase au-dessus du seuil. Malgré un excès de bruit qui reste à expliquer, ce résultat ouvre une voie intéressante pour la génération directe d'états intriqués intenses. L'oscillateur paramétrique optique, avec ou sans lame, peut également fonctionner au-dessous du seuil et générer des faisceaux fortement intriqués. L'intrication obtenue, stable pendant plusieurs heures, est la plus forte observée à ce jour et elle est préservée jusqu'à des fréquences de bruit très basses. En présence de la lame, les propriétés quantiques originales du système sont également détaillées et une opération passive, réalisée à l'aide de lames biréfringentes, est mise en évidence pour optimiser l'intrication. L'action d'opérations passives sur un état à deux modes est discutée théoriquement.

Pour certaines applications, les lasers offrent un choix trop restreint de longueurs d'ondes, et une faible accordabilité. Ces limitations viennent du fait que l'effet laser utilise des résonances atomiques. L'optique non-linéaire permet de s'en affranchir c'est un phénomène non résonnant, donc peu sélectif en longueur d'onde. Néanmoins elle présente des caractéristiques particulières : trois fréquences différentes mises en jeu, l'absence de stockage d'énergie, et le rôle primordial de la phase relative entre les ondes. Dans ce travail nous mettons à profit ces specificités pour mettre en forme spectralement ou temporellement l'émission de lumière dans des sources infrarouges. La première source réalisée est un oscillateur paramétrique optique (OPO) à 3 μm utilisant deux cristaux de KTA. Ses performances sont discutées en régime nanoseconde. Puis nous réalisons un OPO à cristal de PPLN générant des impulsions courtes sous pompage continu par modulation active des pertes. Nous proposons ensuite d'utiliser un absorbant saturable pour verrouiller passivement les modes d'un OPO continu présentant un fort désaccord de vitesse de groupe entre la pompe et le signal. Enfin, nous considérons le cas des sources intégrant à la fois un milieu laser et un dispositif non-linéaire. Nous présentons d'abord un miroir non-linéaire à base de PPLN intégré dans un laser Cr:ZnSe, permettant de produire des impulsions picosecondes accordables autour de 2,5 μm. Nous proposons ensuite de généraliser ce principe en intégrant un OPO dans un laser afin de réaliser une source ultrabrève compacte et accordable.

De nombreuses applications, telles que la spectroscopie résolue en temps, requièrent de développer de nouvelles sources laser, qui émettent des impulsions courtes et accordables dans l'infrarouge moyen. Dans ce domaine, l'optique non linéaire apporte un grand nombre de solutions. D'une part les processus de conversion de fréquence permettent d'envisager l'extension du domaine spectral couvert par les sources laser. D'autre part les spécificités des processus non linéaires permettent d'envisager la création de fonctions optiques rapides. Dans ces travaux, nous mettons à profit ces deux aspects à travers la réalisation de dispositifs originaux de génération d'impulsions picosecondes. La première contribution de la thèse est la réalisation d'une source OPO à pompage synchrone basée sur un cristal de ZGP émettant des impulsions picosecondes dans la bande 3,8 µm- 5,6 µm. Les performances des différents étages de conversion sont discutées à la fois par des considérations expérimentales et numériques. La seconde contribution est le développement d'une source laser ZnSe:Cr2+ à modes verrouillés par un dispositif de miroir non linéaire d'ordre 2 à base de PPLN, accordable dans la bande 2,45 µm - 2,55 µm. Le miroir non linéaire est tout d'abord caractérisé en dehors de la cavité laser, puis le verrouillage de mode du laser est expérimentalement réalisé. Nous proposons enfin de généraliser la fonction miroir non linéaire en donnant les conditions d'obtention d'un verrouillage de modes par la modulation combinée de l'amplitude et de la phase de l'onde laser.

Cette thèse porte sur l'élaboration et l'utilisation de structures semi-conductrices à émission laser par la surface en cavité externe (VECSEL) en pompage optique pour la réalisation de sources d'impulsions brèves à haut taux de répétition émettant à 1550nm. Ces sources ouvrent la voie à des applications intéressantes dans les télécommunications optiques pour réaliser des émetteurs à très haut débit ou pour l'échantillonnage optique linéaire ultra-rapide. Les objectifs de ce travail de thèse étaient, dans un premier temps, de développer et réaliser des structures VECSEL, qui contiennent une zone active formée par des puits quantiques GaAlInAs/InP localisés aux maxima du champ électrique résonant, positionnée sur un miroir de Bragg, le tout étant reporté par brasure sur un substrat de bonne conductivité thermique. Pour cela, nous avons conçu des structures permettant d'accélérer l'évacuation de la chaleur accumulée dans la zone active, ce qui a permis d'améliorer les performances du VECSEL, notamment la puissance de sortie. Les performances des VECSEL ont été évaluées dans une cavité simple à deux miroirs (plan-concave). Le second point était de développer et réaliser des structures SESAMs, qui permettent, par leur comportement non linéaire, d'obtenir un fonctionnement en verrouillage de modes passif. Les structures, contenant des puits quantiques InGaAsN/GaAs, ont pour paramètres : le nombre de puits quantique, la résonance de la structure. Les caractérisations optiques en régime linéaire et non linéaire ont permis d'optimiser les structures SESAM et d'estimer leurs performances. Enfin, la compatibilité entre les structures de VECSEL et de SESAM en terme de profondeur de modulation et de longueur d'onde de résonance, a permis d'obtenir un verrouillage de mode passif dans une cavité à quatre miroirs. Les impulsions obtenues présentent deux comportements différents suivant les propriétés de dispersion des structures. La réalisation d'une faible dispersion a permis d'obtenir la première démonstration d'un VECSEL en verrouillage de modes passif fonctionnant à 1550 nm et à température ambiante. Un dispositif d'échantillonnage tout optique mettant en oeuvre l'échantillonnage optique linéaire basé sur l'utilisation d'une source d'impulsions brèves, a été réalisé et testé. Ce dispositif permettra d'obtenir des diagrammes de l'oeil et diagrammes de constellation avec une sensibilité attendue de l'ordre de -20dBm de puissance moyenne, sur des signaux porteurs de données à 10Gbit/s, voire 40 Gb/s. Les tests effectués ont permis de visualiser l'acquisition à très haut débit (40Gb/s).