Search

Modelocked ultrafast lasers producing picosecond and sub-picosecond pulses are well known to exhibit a very rich landscape of nonlinear dynamics that are of tremendous interest from both fundamental and applied perspectives. Although such instabilities from ultrafast laser have been studied for many decades, the recent development of advanced photonic measurement techniques has opened up new perspectives into their analysis. In this thesis, we report a detailed experimental study of the complex dynamical regimes of two different optical fibre laser systems operating around 1550 nm: a soliton-similariton laser, and a Mamyshev oscillator. In both cases, we use the time-frequency technique of frequency resolved optical gating for complete intensity and chirp characterisation in stable regimes of operation, and the real-time dispersive Fourier transform method to characterize shot-to-shot spectral fluctuations. For the particular case of the soliton-similariton laser, stable operation yields from 7 to 10 ps pulses of 30~nm spectral width and 0,32 mW average output power at 9,5 MHz. Instabilities seen in the soliton-similariton laser include novel startup, the generation of coupled soliton molecules, the emergence of complex intermittence and chaos, and the appearance of multipulse states. For the case of the Mamyshev oscillator, stable operation yields from 3 to 5 ps pulses of 90 à 100 nm spectral width and ~4 mW average output power at 6,37 MHz. We also present results on the characterization of the Noise-Like Pulse regime of the soliton-similariton laser with the addition of highly nonlinear fiber in the cavity, which generates broadband output spanning 1000 nm. As well as presenting a range of experimental results, numerical simulations are used to gain insight into the operation of the laser systems studied., Les lasers ultrarapides produisant des impulsions picosecondes et sub-picosecondes sont connus pour présenter un riche éventail de dynamiques non linéaires qui sont d'un grand intérêt tant du point de vue fondamental qu'appliqué. Bien que les instabilités dans les lasers ultrarapides aient été étudiées depuis plusieurs décennies, le développement récent de techniques de mesure avancées a ouvert de nouvelles perspectives dans leur analyse. Dans cette thèse, nous présentons une étude expérimentale des régimes de dynamiques complexes appliquée à deux différentes classes de lasers à fibre impulsionnels fonctionnant autour de 1550 nm : un laser soliton-similariton, et un oscillateur de Mamyshev. Dans les deux cas lors du régime stable, notre caractérisation se base sur la technique d'autocorrélation résolue en fréquence (FROG) qui fournit l’accès aux mesures complètes de l'intensité et du chirp. En présence d’instabilités, nous appliquons la technique de transformée de Fourier dispersive qui nous permet d’enregistrer en temps réel les fluctuations spectrales tour par tour. Pour le laser soliton-similariton, le fonctionnement stable est associé à des impulsions de 7 à 10 ps de largeur spectrale de 30 nm et de puissance de sortie moyenne de 0,32 mW à 9,5 MHz. Les instabilités observées dans le laser à soliton-similariton comprennent des molécules solitons, de l'intermittence complexe, et des états multi-impulsionnels. Pour l'oscillateur de Mamyshev, le fonctionnement stable est associé à des impulsions de 3 à 5 ps de largeur spectrale de 90 à 100 nm et à une puissance de sortie moyenne de ~4 mW à 6,37 MHz. Nous présentons également des résultats sur la caractérisation du régime "noise-like pulse" avec l'ajout d'une fibre hautement non linéaire dans la cavité soliton-similariton associé à un spectre large bande couvrant 1000 nm. En plus de présenter une série de résultats expérimentaux, des simulations numériques ont également été utilisées afin de faciliter la compréhension du fonctionnement des systèmes étudiés.

The interaction between selfphase modulation and chromaticdispersion allows the installation of the solitonic regime, a solution of Schrödinger's equation in non-linear regime. In the case of subpicosecond impulses filling the condition of existence of the fundamental soliton, their largespectral bandwidth exposes them to 3rd order dispersion and Raman susceptibility. The interaction of these phenomena leads to soliton self-frequency shift. Solitonic fission and soliton self-frequency shift allow the generation of near 100 fs tunable wavelength pulses. The problem of the thesis can be summarized by the use of this phenomenon to develop high peak power sourcesat wavelengths, between 2 and 3 μm, not covered by MOPA and MOFA lasers. The design of fibres with a large modal area was necessary in order to achieve high peak power sources in the transparency band of silica. The study of the different fibres transparent in the mid-infrared was necessary as well as their integration in a MOFA sourcefor the conceptionof sources in the range [2,4;3] μm. The mastery of the solitonic regime properties allowedusthe generation of pulses of peak power close to and above MWin flexible fibres with a solid core (0.8MW to 1.7μm and 2.8MW to 2.2μm). Another result wasthe generation of soliton via a monolithic laser at wavelengths poorly covered>2.4 μm with peak powers (35kW to 2.75μm, 9kW to 3.01μm).; L’interaction entre l’auto-modulation de phase de phase et la dispersion temporelle permet l’installation du régime solitonique, solution de l’équation de Schrödinger en régime non linéaire. Dans le cas d’impulsion subpicoseconde emplissant la condition d’existence du soliton fondamental, leur large spectre les expose à la dispersion d’ordre 3 et la susceptibilité Raman. L’interaction de ses phénomènes mène à l’auto-décalage de soliton. La fission solitonique et l’auto-décalage de soliton permettent la génération d’impulsion proche 100 fs accordables en longueur d’onde. La problématique de la thèse se résume à l’utilisation de ce phénomène pour développer des systèmes à fortes puissances crêtes à des longueurs d’ondes, entre 2 et 3μm,non couvertes par les lasers de type MOPA et MOFA. Le design de fibres à large aire modale a été nécessaire afin de réaliser des sources à fortes puissances crêtes dans la bande de transparence de la silice. L’étude des différentes fibres transparente dans le moyen infrarouge a été nécessaire ainsi que leur intégration dans un système MOFA pour la réalisation de source dans la gamme [2,4;3] μm.La maitrise des propriétés du régime solitonique a permis de génération des impulsions de puissance crête proche et supérieure au MW dans des fibres souples à cœur plein (0,8MW à 1,7μm et 2,8MW à 2,2μm); ainsi que, la génération de soliton via un laser monolithique à des longueurs d’ondes peu couvertes >2,4 μm avec des puissances crêtes non égalées (35kW à 2,75μm, 9kW à 3,01μm).

The interaction between selfphase modulation and chromaticdispersion allows the installation of the solitonic regime, a solution of Schrödinger's equation in non-linear regime. In the case of subpicosecond impulses filling the condition of existence of the fundamental soliton, their largespectral bandwidth exposes them to 3rd order dispersion and Raman susceptibility. The interaction of these phenomena leads to soliton self-frequency shift. Solitonic fission and soliton self-frequency shift allow the generation of near 100 fs tunable wavelength pulses. The problem of the thesis can be summarized by the use of this phenomenon to develop high peak power sourcesat wavelengths, between 2 and 3 μm, not covered by MOPA and MOFA lasers. The design of fibres with a large modal area was necessary in order to achieve high peak power sources in the transparency band of silica. The study of the different fibres transparent in the mid-infrared was necessary as well as their integration in a MOFA sourcefor the conceptionof sources in the range [2,4;3] μm. The mastery of the solitonic regime properties allowedusthe generation of pulses of peak power close to and above MWin flexible fibres with a solid core (0.8MW to 1.7μm and 2.8MW to 2.2μm). Another result wasthe generation of soliton via a monolithic laser at wavelengths poorly covered>2.4 μm with peak powers (35kW to 2.75μm, 9kW to 3.01μm)., L’interaction entre l’auto-modulation de phase de phase et la dispersion temporelle permet l’installation du régime solitonique, solution de l’équation de Schrödinger en régime non linéaire. Dans le cas d’impulsion subpicoseconde emplissant la condition d’existence du soliton fondamental, leur large spectre les expose à la dispersion d’ordre 3 et la susceptibilité Raman. L’interaction de ses phénomènes mène à l’auto-décalage de soliton. La fission solitonique et l’auto-décalage de soliton permettent la génération d’impulsion proche 100 fs accordables en longueur d’onde. La problématique de la thèse se résume à l’utilisation de ce phénomène pour développer des systèmes à fortes puissances crêtes à des longueurs d’ondes, entre 2 et 3μm,non couvertes par les lasers de type MOPA et MOFA. Le design de fibres à large aire modale a été nécessaire afin de réaliser des sources à fortes puissances crêtes dans la bande de transparence de la silice. L’étude des différentes fibres transparente dans le moyen infrarouge a été nécessaire ainsi que leur intégration dans un système MOFA pour la réalisation de source dans la gamme [2,4;3] μm.La maitrise des propriétés du régime solitonique a permis de génération des impulsions de puissance crête proche et supérieure au MW dans des fibres souples à cœur plein (0,8MW à 1,7μm et 2,8MW à 2,2μm); ainsi que, la génération de soliton via un laser monolithique à des longueurs d’ondes peu couvertes >2,4 μm avec des puissances crêtes non égalées (35kW à 2,75μm, 9kW à 3,01μm).

National audience; Nous présentons une ligne électrique dont la tension obéit aux équations de Klein-Gordon d’ordre 5afin d’en étudier les propriétés de transmission. Nous focalisons sur la transmission d’énergie en bande interdite,c’est à dire lorsque le système est excité en dehors de sa bande passante. Nous avons pu expérimentallement mettreen évidence que lorsque l’amplitude de l’excitation excède un seuil, le système génére des modes non linéaires deforte amplitude via le phénomène de supratransmission.

International audience; We consider soliton propagation in two parallel optical waveguides, in the presence of a linear nondispersive coupling and in the few-cycle regime. The numerical analysis is based on a set of two coupled modified Korteweg–de Vries equations. The evidenced few-cycle vector solitons are optical breathers. In addition to the usual breathing due to carrier-envelope velocity mismatch, we observe, and describe in detail, spatial oscillations of soliton’s amplitude and energy.

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...; 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, ...

Dans ce travail, j’étudierai principalement un modèle abélien de Higgs en 2+1 dimensions, dans lequel un champ scalaire interagit avec un champ de jauge. Des défauts topologiques, nommés vortex, sont créés lorsque le potentiel possède un minimum brisant spontanément la symétrie U(1). En 3+1 dimensions, ces vortex deviennent des défauts à une dimension. Ils ap- paraissent par exemple en matière condensée dans les supraconducteurs de type II comme des lignes de flux magnétique. J’analyserai comment l’énergie des solutions statiques dépend des paramètres du modèle et en particulier du nombre d’enroulement du vortex. Pour le choix habituel de potentiel (un poly- nôme quartique dit « BPS »), la relation entre les masses des deux champs mène à deux types de comportements : type I si la masse du champ de jauge est plus grande que celle du champ sca- laire et type II inversement. Selon le cas, la dépendance de l’énergie au nombre d’enroulement, n, indiquera si les vortex auront tendance à s’attirer ou à se repousser, respectivement. Lorsque le flux emprisonné est grand, les vortex présentent un profil où la paroi est mince, permettant certaines simplifications dans l’analyse. Le potentiel, un polynôme d’ordre six (« non-BPS »), est choisi tel que le centre du vortex se trouve dans le vrai vide (minimum absolu du potentiel) alors qu’à l’infini le champ scalaire se retrouve dans le faux vide (minimum relatif du potentiel). Le taux de désintégration a déjà été estimé par une approximation semi-classique pour montrer l’impact des défauts topologiques sur la stabilité du faux vide. Le projet consiste d’abord à établir l’existence de vortex classi- quement stables de façon numérique. Puis, ma contribution fut une analyse des paramètres du modèle révélant le comportement énergétique de ceux-ci en fonction du nombre d’enroulement. Ce comportement s’avèrera être différent du cas « BPS » : le ratio des masses ne réussit pas à décrire le comportement observé numériquement., I will consider a generalization of the Abelian Higgs model in 2+1 dimensions. The model describes a scalar field interacting with a U(1) gauge field and gives rise to vortex solutions carrying magnetic flux. In 3+1 dimensions, the vortex becomes a one-dimensional topological defect which appears in condensed matter physics as a vortex line in type-II superconductors. For a strong magnetic flux (large winding number), the vortex presents a thin-wall profile, which gives rise to certain simplifications in the analysis. I will present how the energy of the static configuration depends on the parameters of the model and in particular on the winding number of the vortex. For the usual choice of potential (quartic, called « BPS »), the relation between the masses of the two fields will lead to a type-I or a type-II vortex, as the energy dependence on the winding number show that vortices attract or repel each other respectively. The potential chosen here is a sixth-order polynomial (« non-BPS ») such that the core of the vortex is the true vacuum (absolute minimum) while the field at infinity goes to the false vacuum (local minimum of the potential). Their decay rate into an instable classical configura- tion with growing radius has already been estimated by a semi-classical approximation to show their impact on the stability of the false vacuum. The classical existence of vortex solutions will be shown numerically. My contribution to this work is a scan of the parameters of the model revealing the energetic behavior of the vortices. This behavior will be different from the « BPS » case : the masses ratio will not describe correctly the numerical calculation of the energy.

International audience; The effect of an external continuous wave (cw) on the operating regime of a passively mode-locked double-clad fiber laser, operating in the anomalous dispersion regime, is experimentally investigated. Starting from different soliton distributions, we demonstrate that, under specific conditions, the cw signal forces the principal laser to operate in harmonic mode-locking regime.

This work is devoted to the study of polariton quantum fluids in semiconductor microcavities and in particular to the generation of solitons, half-solitons and vortex lattices in these systems. We develop an experimental setup allowing for the generation and the observation of dark solitons in a polariton fluid. We observe characteristic density and phase profiles, and study the stability of solitons. We show experimentally that using a linearly polarised pump, half-solitons are formed due to the effective magnetic field arising in presence of the two spin populations. After the characterization of the half-solitons in density and phase, we perform a complete tomography of the emission to extract the information stored in the pseudospin. These studies allow us to highlight a formal analogy between half-solitons and magnetic monopoles. Then we investigate vortex trapping techniques. We make use of metallic masks to create potential wells trapping hydrodynamically generated vortex in the wake of a defect. At low polariton density we used the masks to realise vortex and antivortex lattices with adjustable shape and size. The study of the polariton-polariton interaction at high density leads us to use an experimental setup with several pumps allowing for the observation of strong modifications and washing-out of the lattices., Ce travail est consacré à l'étude des fluides quantiques de polaritons de microcavités semi-conductrices et en particulier à la génération de solitons, de demi-solitons et de réseaux de vortex. Nous avons développé un dispositif expérimental permettant la génération et l'observation de solitons sombres dans un fluide de polaritons. Nous observons les profils de densité et de phase caractéristiques des solitons, et étudions leurs propriétés de stabilité. Nous montrons expérimentalement que l'utilisation d'une pompe polarisée linéairement mène à la formation de demi-solitons, grâce au champ magnétique effectif existant en présence des deux populations de spin. Après avoir caractérisé les demi-solitons en densité et en phase, une tomographie complète du système est effectuée pour extraire l'information stockée dans le pseudospin. Ces études nous permettent de formuler une analogie formelle entre les demi-solitons et les monopoles magnétiques. Enfin, nous nous intéressons à des techniques de piégeage de vortex. Nous mettons à profit l'utilisation de masques métalliques pour créer des puits de potentiels piégeant les vortex générés hydrodynamiquement lors de l'écoulement du fluide sur un défaut à basse densité de polaritons. Nous utilisons ces masques pour réaliser des réseaux géométriques de vortex et d'antivortex à basse densité de polaritons dont la forme et la taille sont contrôlables. L'étude des effets d'interaction polariton-polariton à haute densité menée grâce à un dispositif expérimental à plusieurs faisceaux d'excitations nous permet d'observer la déformation et la destruction du réseau dues à l'annihilation des paires vortex-antivortex.

International audience; The effect of an external continuous wave (cw) on the motion of solitons of the complex Ginzburg-Landau (CGL) equation is investigated. It is shown that soliton motion, which is prevented by a strong braking due to finite gain bandwitdh, can be induced by the cw. Then the effect of the cw on the collective behavior of a large number of dissipative solitons is considered. Starting from a soliton crystal, we demonstrate that the soliton motion is induced by the cw, so that either the soliton gas, liquid, or crystal can be obtained depending on the intensity and the frequency of the cw.

Kerr media subject to counterpropagating optical beams in a plan-plan Pérot-Fabry cavity or optical feedback have been deeply studied for transverse pattern generation. Many theoretical developments in the cavity configuration predict the existence of localized structures (solitons). However, no experimental evidence of these structures has been given up to now. In the feedback configuration, the highly nonlinear regimes present rare and intense localized structures in space and in time. In this framework, we are interested in studying experimentally 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 finally 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.; 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 transverse pattern generation. Many theoretical developments in the cavity configuration predict the existence of localized structures (solitons). However, no experimental evidence of these structures has been given up to now. In the feedback configuration, the highly nonlinear regimes present rare and intense localized structures in space and in time. In this framework, we are interested in studying experimentally 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 finally 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.; 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.

This thesis concerns the linear properties of solid-core photonic bandgap fibers and the use of their specific properties for guided non-linear optics. Part I focuses on optical properties of the core mode whose guidance mechanism is related to the photonic bandgaps of the microstructured cladding. A numerical tool is developed for bandgap calculation using the plane wave expansion method with the dispersion taken into account. This tool was used for the design of a fiber which allows the photo-writing of a Bragg grating. Then, the stationary perturbation method is applied to the determination of the effective index of the allowed modes at long wavelengths and to the identification of linearly polarized modes towards which they evolve. In part II, the generalized non-linear Schrödinger equation is established. In the case of a tapered fiber, an extra-term appears in the equation allowing the exact conservation of the photons number. Then, the principles of the soliton red-shift and supercontinuum generation are recalled. The usual analytical expression of soliton self-frequency shift rate is extended to the case of short-duration solitons which play an important part in the dynamics of supercontinuum generation. Part III focuses on results obtained in nonlinear regime in solid-core photonic bandgap fibers. We show that the strong value of the third order dispersion term is the cause of the soliton self-frequency shift suppression near the bandgap edge without significant energy loss. Then, this suppression was used to tailor the spectral extent of the supercontinuum and to reduce pulse-to-pulse fluctuations.; Cette thèse concerne l'étude des propriétés linéaires des fibres optiques à bandes interdites photoniques et à coeur solide et l'utilisation de leurs caractéristiques singulières en optique non-linéaire guidée. La partie I est consacrée au calcul des bandes interdites photoniques que présente la gaine microstructurée. Nous avons mis en place un outil numérique de calcul de bandes par la méthode de décomposition en ondes planes en tenant compte de la dispersion des matériaux. Cet outil a été utilisé pour concevoir une fibre permettant la photo-inscription d'un réseau de Bragg. La méthode des perturbations stationnaires est ensuite appliquée pour déterminer les indices effectifs des modes autorisés aux grandes longueurs d'onde et identifier les modes linéairement polarisés vers lesquels ils évoluent. Dans la partie II, l'équation de Schrödinger non-linéaire généralisée est établie. Dans le cas d'une fibre effilée, il apparaît un terme supplémentaire permettant la conservation du nombre de photons. L'expression analytique usuelle du taux d'auto-décalage Raman est étendue au cas des solitons de courte durée jouant un rôle majeur dans le processus de génération de supercontinuum. La partie III est consacrée aux résultats obtenus en régime non-linéaire dans les fibres à bandes interdites photoniques à coeur solide. Nous montrons théoriquement que la forte valeur de la dispersion du troisième ordre est à l'origine de la suppression de l'auto-décalage Raman juste avant le bord de bande et sans pertes significatives. Cette suppression est ensuite utilisée pour limiter l'étendue spectrale et augmenter la stabilité tir-à-tir d'un supercontinuum.

This thesis concerns the linear properties of solid-core photonic bandgap fibers and the use of their specific properties for guided non-linear optics. Part I focuses on optical properties of the core mode whose guidance mechanism is related to the photonic bandgaps of the microstructured cladding. A numerical tool is developed for bandgap calculation using the plane wave expansion method with the dispersion taken into account. This tool was used for the design of a fiber which allows the photo-writing of a Bragg grating. Then, the stationary perturbation method is applied to the determination of the effective index of the allowed modes at long wavelengths and to the identification of linearly polarized modes towards which they evolve. In part II, the generalized non-linear Schrödinger equation is established. In the case of a tapered fiber, an extra-term appears in the equation allowing the exact conservation of the photons number. Then, the principles of the soliton red-shift and supercontinuum generation are recalled. The usual analytical expression of soliton self-frequency shift rate is extended to the case of short-duration solitons which play an important part in the dynamics of supercontinuum generation. Part III focuses on results obtained in nonlinear regime in solid-core photonic bandgap fibers. We show that the strong value of the third order dispersion term is the cause of the soliton self-frequency shift suppression near the bandgap edge without significant energy loss. Then, this suppression was used to tailor the spectral extent of the supercontinuum and to reduce pulse-to-pulse fluctuations.; Cette thèse concerne l'étude des propriétés linéaires des fibres optiques à bandes interdites photoniques et à coeur solide et l'utilisation de leurs caractéristiques singulières en optique non-linéaire guidée. La partie I est consacrée au calcul des bandes interdites photoniques que présente la gaine microstructurée. Nous avons mis en place un outil numérique de calcul de bandes par la méthode de décomposition en ondes planes en tenant compte de la dispersion des matériaux. Cet outil a été utilisé pour concevoir une fibre permettant la photo-inscription d'un réseau de Bragg. La méthode des perturbations stationnaires est ensuite appliquée pour déterminer les indices effectifs des modes autorisés aux grandes longueurs d'onde et identifier les modes linéairement polarisés vers lesquels ils évoluent. Dans la partie II, l'équation de Schrödinger non-linéaire généralisée est établie. Dans le cas d'une fibre effilée, il apparaît un terme supplémentaire permettant la conservation du nombre de photons. L'expression analytique usuelle du taux d'auto-décalage Raman est étendue au cas des solitons de courte durée jouant un rôle majeur dans le processus de génération de supercontinuum. La partie III est consacrée aux résultats obtenus en régime non-linéaire dans les fibres à bandes interdites photoniques à coeur solide. Nous montrons théoriquement que la forte valeur de la dispersion du troisième ordre est à l'origine de la suppression de l'auto-décalage Raman juste avant le bord de bande et sans pertes significatives. Cette suppression est ensuite utilisée pour limiter l'étendue spectrale et augmenter la stabilité tir-à-tir d'un supercontinuum.

This thesis consists of four chapters and an appendix. The first chapter is dedicated to the fundamental ideas of the theory of Ricci flow, which shows how our works are connected to the whole story. In the second chapter, we construct a solution of Ricci flow on a rotationally symmetric manifold such that it remains a complete manifold at the maximal time. We also derive a noncollapsing property for certain ancient solutions near their maximal times. Both of these two results are related to the regularity of limits of solutions. In the third chapter, we show that a first order Shi-type estimate holds for Ricci tensor on manifolds which satisfy the weak Bianchi inequality. The last chapter is concerned with expanding gradient Ricci solitons. There we discuss the classification problem and show that every tangent cone at infinity of an expanding soliton with fast-than-quadratic-decay curvature must be ℝⁿ., Cette these se compose de quatre chapîtres et une annexe. Le premier chapître est consacre à des idées fondamentales de la theorie du flot de Ricci, qui montre comment nos travaux sont reliés a l'histoire entière. Dans le deuxième chapître, nous construisons une solution du flot de Ricci sur une variete a symétrie de rotation de telle sorte qu'il reste un collecteur complet a l'heure maximale. Nous dérivons également le non-effondrement pour certaines solutions anciennes à proximité de leur temps maximal. Chacun de ces deux resultats sont liés à la régularité des limites des solutions. Dans le troisième chapître, nous montrons qu'une estimation de type Shi d'ordre un est valable pour tenseur de Ricci sur des variétés qui satisfont l'inégalité Bianchi faibles. Le dernier chapître s'interesse aux gradient solitons de Ricci qui sont en expansion. Nous discutons du problème de classification et montrons que chaque cône tangent à l'infini d'un soliton expansion à "fast-than-quadratic-decay" courbure doit être ℝⁿ.

Exciton polaritons are half-light half-matter quasi-particles which have been the subject of very exciting studies in recent years. They are given by the strong coupling between excitonic transitions in semiconductors and the electromagnetic field confined in a microcavity. In this Ph.D. thesis, two aspects of the corresponding physics have been theoretically studied : quantum optical device properties and quantum fluid behavior. Each part is compared with experimental results obtained by collaborating groups. First, we study the optical parametric oscillation regime in pillar microcavities, demonstrating the important role played by the dimensionality of the system. In a se- cond part, we investigate in detail the resonantly excited polariton superfluid regime. We have shown the hydrodynamic generation of vortices and dark solitons in such resonantly-driven superfluid. Finally, we present how the spin polariton properties can lead to a control of the effective potential landscape for the propagation of polaritons., Les polaritons excitoniques sont des quasi-particules qui ont révélé ces dernières années de très riches propriétés. Elles sont le fruit d'un couplage fort entre les transitions excitoniques présentes dans les semiconducteurs et un champ électromagnétique confiné au sein d'une microcavité. Dans cette thèse, nous avons réalisé l'étude théorique de deux aspects des polaritons. Ces résultats théoriques ont été corroboré par des résultats expérimentaux. Dans un premier temps, c'est un aspect proche de l'optique quantique qui est présenté et qui consiste en l'étude du régime d'oscillation paramétrique optique dans des microcavités de type pilier. Cette étude a permis, en plus de la démonstration de la présence de ce régime d'oscillation, de mettre en évidence l'importance de la dimensionnalité de la cavité. Dans un second temps, c'est l'aspect propriété quantique de la matière qui est présenté, et tout particulièrement l'aspect fluide quantique de polaritons. Ainsi, nous montrons que à l'aide d'excitations résonantes, un régime superfluide peut être atteint. Nous présentons une étude des régimes d'écoulements turbulents d'un tel fluide. Et enfin nous présentons une méthode qui, utilisant les propriétés de spin des polaritons, permet de moduler le potentiel effectif ressenti par les polaritons.

Exciton polaritons are half-light half-matter quasi-particles which have been the subject of very exciting studies in recent years. They are given by the strong coupling between excitonic transitions in semiconductors and the electromagnetic field confined in a microcavity. In this Ph.D. thesis, two aspects of the corresponding physics have been theoretically studied : quantum optical device properties and quantum fluid behavior. Each part is compared with experimental results obtained by collaborating groups. First, we study the optical parametric oscillation regime in pillar microcavities, demonstrating the important role played by the dimensionality of the system. In a se- cond part, we investigate in detail the resonantly excited polariton superfluid regime. We have shown the hydrodynamic generation of vortices and dark solitons in such resonantly-driven superfluid. Finally, we present how the spin polariton properties can lead to a control of the effective potential landscape for the propagation of polaritons.; Les polaritons excitoniques sont des quasi-particules qui ont révélé ces dernières années de très riches propriétés. Elles sont le fruit d'un couplage fort entre les transitions excitoniques présentes dans les semiconducteurs et un champ électromagnétique confiné au sein d'une microcavité. Dans cette thèse, nous avons réalisé l'étude théorique de deux aspects des polaritons. Ces résultats théoriques ont été corroboré par des résultats expérimentaux. Dans un premier temps, c'est un aspect proche de l'optique quantique qui est présenté et qui consiste en l'étude du régime d'oscillation paramétrique optique dans des microcavités de type pilier. Cette étude a permis, en plus de la démonstration de la présence de ce régime d'oscillation, de mettre en évidence l'importance de la dimensionnalité de la cavité. Dans un second temps, c'est l'aspect propriété quantique de la matière qui est présenté, et tout particulièrement l'aspect fluide quantique de polaritons. Ainsi, nous montrons que à l'aide d'excitations résonantes, un régime superfluide peut être atteint. Nous présentons une étude des régimes d'écoulements turbulents d'un tel fluide. Et enfin nous présentons une méthode qui, utilisant les propriétés de spin des polaritons, permet de moduler le potentiel effectif ressenti par les polaritons.

This thesis deals with extremes statistics which has become an attractive subject in optics since a comparison with oceanic rogue waves has been proposed at the end of 2007. We report some potential mechanisms stimulating the rogue wave formation in the context of guided propagation of light in optical fibers. In a first part, we explore optical rogue waves in supercontinuums generated by fourth-order modulation instability and we propose a stabilization method based on the use of two continuous seeds. Then, we present a detailed study on Raman fiber amplifiers where we determine the conditions of emergence of giant structures : in presence of a partially incoherent pumping wave, a quasi-instantaneous gain combined with a low walk-off lead to extremes statistics. We have validated these conditions for a continuous wave as well as a pulse train. Conclusions have also been successfully extended to a parametric amplifier based on incoherent second-order modulation instability. In the last part, a turbulent system is studied as a function of incoherence and we identify three regimes. In one of these regimes, we highlight the existence of intermittent quasi-solitons. Finally, we are interested in nonlinear structures called Akhmediev Breathers which present compression-decompression cycles and we focus our attention on its asymptotic limit: the Peregrine soliton. It corresponds to a very interesting prototype of rogue waves. Our experimental work, performed at optical communication wavelength and using several methods of spectro-temporal characterization, is complemented by numerical and analytical studies., Ce mémoire présente des travaux portant sur les ondes aux statistiques extrêmes qui représentent un sujet extrêmement attractif en optique depuis qu’une comparaison avec les vagues scélérates océaniques a été proposée fin 2007. Nous décrivons donc les mécanismes de formations de ces structures extrêmes dans le cadre de la propagation guidée de la lumière dans les fibres optiques. Dans une première partie, nous commençons par explorer les ondes scélérates optiques dans les supercontinuums générés par instabilité modulationnelle d’ordre 4 et proposons une méthode de stabilisation basée sur l’utilisation de deux germes continus. Puis, nous continuons avec une étude approfondie sur les amplificateurs Raman à fibre où des conditions d’apparitions des structures géantes sont déterminées. En effet, en présence d’une pompe partiellement incohérente comme le laser Raman fibré, un gain quasi-instantané et un faible walk-off mènent à des statistiques extrêmes. Cela a pu être vérifié que le signal soit continu ou impulsionnel et dans le cadre d’un amplificateur paramétrique basé sur l’instabilité modulationnelle d’ordre 2 incohérente. Dans la dernière partie, un système turbulent est étudié en fonction de l’incohérence ce qui nous a permis d’identifier trois régimes avec, en particulier, le second où il existe des quasi-solitons intermittents. Enfin, nous nous intéressons à des structures non-linéaires appelées Breathers d’Akhmediev, qui présentent des cycles de compression-décompression, et portons notre attention sur leur limite asymptotique : le soliton de Peregrine. Ce dernier est vu comme un prototype très intéressant des vagues scélérates. Nos études expérimentales, menées aux longueurs d’ondes des communications optiques et utilisant différentes méthodes de caractérisations spectro-temporelles, sont complétées par des études numériques et analytiques.

National audience; Nous montrons l'impact de l'incohérence dans un système hamiltonien sur l'émergence d'événements extrêmes de types ondes scélérates, en analysant l'évolution à long terme du champ optique. Trois régimes sont identifiés: le premier (i) est caractérisé par des ondes persistantes, le second (ii) est marqué par des ondes intermittentes et le dernier (iii) par de rares ondes sporadiques.

National audience; Nous proposons une étude inédite de l’interaction d’un grand nombre d’impulsions dans un laser à fibre double gaine dopée à l'Er :Yb fonctionnant par rotation non linéaire de la polarisation. A cause des phénomènes d'attractions et de répulsions entre solitons, des régimes auto-organisés peuvent être générés. Par analogie avec les états de la matière, nous nous sommes intéressés aux régimes "gaz de solitons", "jet supersonique de solitons", "polycristal de solitons", "liquide de solitons" et "cristal de solitons".

The goal of this thesis was to evaluate the suitability of two semiconductors (InP:Fe and SPS:Te) for applications at infrared wavelengths in the field of optical telecommunications. For the InP:Fe we did a systematic characterization of the photorefractive self focusing at two infrared wavelengths, taking into the account various parameters that play a role in this phenomenon (temperature, background illumination, doping, beam intensity). We are now able to control the self focusing and, taking into account the response times that we have measured, we believe that is possible to achieve and to control the interaction of two self focused beams on a microsecond time-scale. Nevertheless, even we know now the role played by the above mentioned parameters, a theoretical model is still needed in order to fully understand and control the self focusing. Our measures proved that the current models do not describe correctly this phenomenon. On the other hand, we have found that in SPS the self focusing is described by the “classical” models; actually, these two materials have a complementary behaviour: the SPS has a slower response, but exhibits a stronger and easier controllable self focusing than the InP. Taking into account our results, we believe that both InP and SPS will prove to be useful in future applications., L'objectif de cette thèse a été l'évaluation de deux semi-conducteurs (l'InP :Fe et le SPS :Te) comme matériaux pour les télécommunications optiques aux longueurs d'ondes infrarouges. D'abord, en ce qui concerne l'InP :Fe: nous avons fait une caractérisation systématique du phénomène d'autofocalisation photoréfractive, prenant en compte les paramètres les plus importants qui intervient dans ce phénomène (température, dopage, intensité du faisceau et de l'éclairage de fond, polarisation du faisceau). Ainsi, nous sommes maintenant capables de contrôler le phénomène d'autofocalisation. En tenant compte également des temps de réponse mesurés et des simulations réalisées, nous croyons que l'interaction de deux faisceaux autofocalisés est possible et maîtrisable sur une échelle de temps de l'ordre de microsecondes. Néanmoins, alors que nous connaissons l'influence des paramètres mis en jeu sur l'autofocalisation, le développement d'un modèle théorique reste indispensable pour une compréhension des mécanismes physiques qui déterminent la dynamique de l'autofocalisation photoréfractive. Nos mesures expérimentales et simulations théoriques ont montré que les modèles existants ne décrivent pas d'une manière satisfaisante les phénomènes observés dans InP :Fe. En revanche, l'autofocalisation observée dans le SPS :Te est décrite par les modèles "classiques" existants. On peut dire que ce deux matériaux sont complémentaires: alors que dans le SPS :Te l'autofocalisation est plus lente que dans l'InPFe, elle est plus forte et plus facile à maîtriser. Tenant compte de cette remarque, nous croyons que ces deux matériaux trouveront leur place dans de futures applications.

Les travaux de recherche présentés ont pour objectif l'étude des non-linéarités photoréfractives en vue de la réalisation de composants optiques pour application dans le domaine de l'instrumentation pour des dispositifs de protection laser et dans le domaine des communications optiques pour des fonctions de routage, commutation et interconnexions optiques. Mise à part la limitation optique qui concerne plutôt l'optronique, ces applications s'inscrivent essentiellement dans des applications de traitement tout optique de l'information. Nous nous intéressons plus particulièrement à la propagation d'ondes solitaires spatiales dans des matériaux photoréfractifs et à la possibilité d'utiliser les phénomènes d'interactions de solitons pour application au routage et interconnexions optiques. Une possibilité est notamment la réalisation de fonctions simples ou plus complexes comme des liaisons point à point, des coupleurs (X ou Y). Dans ces objectifs, des études, à la fois expérimentales et théoriques, des phénomènes d'autofocalisation photoréfractive et de solitons spatiaux ont été réalisées : elles concernent des travaux de recherches sur des matériaux isolants (Bi12TiO20, Sr1-xBaxNb2O6) pour la limitation optique et sur des matériaux semi-conducteurs (InP :Fe, SPS) pour les applications dans les communications optiques. Des études supplémentaires sur les interactions de solitons sont en cours pour la réalisation de démonstrateurs de routage et d'interconnexions optiques. Des travaux récents s'intéressent également à l'auto-organisation de lumière en cavité optique non-linéaire (formation de structures spatiales auto-organisées, structures localisées, solitons de cavité) pour des applications de télécommunications optiques.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Nous proposons d'approcher numériquement un écoulement air/eau par un modèle artificiellement compressible afin d'utiliser des schémas explicites en temps. Nous décrivons alors le pré-conditionnement « faible Mach » utilisant un schéma volumes finis de type Godunov. La capture de l'interface air-eau est assurée par des schémas d'ordres 2 en temps et en espace. L'objectif étant de pouvoir modéliser des déferlements tridimensionnels, l'implémentation est faite dans un code parallèle par sous domaines et l'équation sur l'énergie est avantageusement abandonnée au profit d'un modèle isotherme. L'approche est validée par la comparaison numérique/expérimentale de la propagation et du déferlement d'une vague solitaire sur un récif.

Nowadays, data are mainly processed through electronic systems but their transfer has been ensured by optical transmission lines for many years. Indeed, optical fiber communications are the only way to get a bandwidth wide enough to fulfil the continuous growth of transmission rates. However, all-optical signal processing devices can rarely reach the flexibility of electronic ones. Recent research in optics opens new ways to handle this problem, thanks to self-guided waveguides: the solitons. They may be the first step towards compact all-optical and reconfigurable devices able to replace electronics in signal processing. Stability of these beams results from the compensation of diffraction by self-focusing induced by the nonlinearity of the propagation medium. They propagate conserving theur shape and can be considered as data channel which can be inserted in photonic devices in communication networks.This thesis is aimed at theoretically and experimentally studying a new family of solitons : vector solitons. They consist in the copropagation of several polarization components, mutually trapped in a nonlinear medium. To understand how these multicomponents solitons can exist, one can consider a multimode waveguide where these modes are photoinduced through soliton effect. When several of these modes propagate simultaneously, one of them can act as an effective guide for the higher order ones, generating a multicomponent soliton. In this work, we focused on the study of several members of this new family and on their stability. We will observe their spatial and polarization dynamics in a planar waveguide.; Si les flux de données actuellement échangés sont traités par les systèmes électroniques, ils transitent depuis plusieurs années par des lignes de transmission optique. Elles présentent seules une bande passante répondant à la croissance des taux de transmission. En revanche, les applications de traitement tout-optique du signal ne parviennent pas à rivaliser avec les systèmes électroniques. Les recherches récentes en optique laissent à penser que l'utilisation des faisceaux solitons comme guides photo-induits permettra à des dispositifs tout-optiques d'effectuer les opérations dévolues à l'électronique. La stabilité de ces solitons résulte de l'équilibre entre diffraction et auto-focalisation causée par la non-linéarité du milieu qu'ils traversent. Se propageant sans déformation, ils peuvent être considérés comme des canaux porteurs d'information. De tels dispositifs pourraient assurer les interconnexions dans les réseaux de communication.L'objectif de cette thèse est d'étudier théoriquement et expérimentalement une nouvelle classe de solitons, les solitons vectoriels, qui consitent en la superposition d'enveloppes de polarisations distinctes mutuellement piégées. Pour comprendre l'existence de ces solitons à composantes multiples, il suffit d'imaginer un guide supportant plusieurs modes photo-induits par effet soliton. Lorsque plusieurs modes se propagent simultanément, un d'eux peut jouer le rôle de guide d'onde effectif pour d'autres modes supérieurs et former un soliton multicomposante. Dans notre travail, nous étudierons différents membres de cette famille ainsi que leur stabilité. Nous analyserons leurs dynamiques dans un guide planaire non linéaire.

session 9 « Effets non linéaires » [S9O1]; National audience; Nous proposons une méthode qui permet de mesurer simultanément la dispersion d'ordre deux et le coefficient non-linéaire de fibres optiques en régime de dispersion anormale. La méthode est basée sur le phénomène de compression soliton d'ordre supérieur.

session 3b " Amplificateurs et lasers à fibre " [S8O5]; National audience; Nous présentons des résultats concernant un régime multi-impulsionnel obtenu dans un laser à fibre dopée erbium utilisant un miroir à absorbant saturable pour assurer le blocage de modes passif. Ce régime se caractérise par l'émission stable de 16 impulsions liées de durée 2,3 ps séparées de 10 ps. Ces impulsions sont compressées à 430 fs dans un tronçon de fibre à dispersion négative.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

It is in the field of both photorefractivity and laser self-focusing that I have mainly conducted myresearch activities. This book is its tentative exhaustive description. Details have been omittedso as to keep internal coherence at its best. If necessary, they can be found in other publicationssuch as Ph.D. theses or scientific journals.We shall start by a description of the reasons that led us to conduct research in this field. Thefirst insights in photorefractive self-focusing are given in the first part — in which previous workand teaching works are also addressed. The second part is devoted to further developments of thistheme, most of which are still on the way. The third one addresses themes which are different butrelated to the previous one by their use of photorefractivity or self-focusing. Appendices are wheremarginal though original mathematical considerations can be found — including one in English.Last but not least, references have found their way to the last pages.At first, the existence of laser beam self focusing is demonstrated through experimental evidences,for continuous wave lasers as well as for nanosecond pulsed illuminations. These resultsare explained with the help of two models, one of which needs fast and parallel computations.Hints of the algorithms developed are then given. Last, other themes have grown on the basis ofour studies, namely photorefractive double self-conjugation and photopolymer self-focusing., C'est autour de la photoréfractivité et de l'auto-focalisation laser que mes travaux de rechercheont principalement été effectués. Cet ouvrage tente une description qui se veut la plus complètepossible sans toutefois sacrifier à la minutie des détails, laquelle se trouvant dans d'autres écritsplus spécialisés tels que thèses ou publications scientifiques.Nous la démarrons par une introduction aux raisons qui nous ont conduit à mener ces travaux.Les premiers développements de l'auto-focalisation laser photoréfractive sont donnés dansla première partie — laquelle contient également des références à des travaux antérieurs et àdes activités d'enseignement. La deuxième est consacrée aux approfondissements qui ont suivi etqui, pour la plupart, sont encore en cours. La troisième partie est, elle, dévolue à des sujets enmarge, qui ont en commun avec les premiers d'une part la photoréfractivité et d'autre part l'autofocalisation.Par ailleurs, c'est en annexe que l'on trouvera des détails mathématiques originauxainsi que des listes de publications dont certaines sont données dans leur totalité. La bibliographies'y trouve également à sa place, la dernière.Nous nous attachons à démontrer expérimentalement la réalité de l'auto-focalisation d'un faisceaulaser dans un matériau photoréfractif, à des temps aussi de l'ordre de la seconde que dela nanoseconde. Nous avons également développé deux modèles distincts qui nous permettentd'interpréter nos résultats. L'exploitation de ces modèles passe par la réalisation d'algorithmes parall`eles, au développement desquels quelques pages sont consacrées. Ces études ont permis, de parles outils qu'elles utilisent, le développement d'autres thématiques —Double Conjugaison de PhasePhotoréfractive et Auto-focalisation dans les solutions photopolymérisables—, au sujet desquellesla dernière partie de ce document apporte quelques éclaircissements.

Rapporteur E. DESURVIRE, Chef de groupe à Alcatel CIT, Marcoussis G. MILLOT, Professeur à l'Université de Bourgogne Examinateur J.P. GOEDGEBUER, Professeur à l'Université de Franche-Comté. H. MAILLOTTE, Chargé de recherche CNRS, Université de Franche-Comté Invités M. HAELTERMAN, Chercheur qualifié au FNRS, Université de Bruxelles E. LANTZ, Maître de Conférences à l'Université de Franche-Comté P. TCHOFO-DINDA, Maître de conférences à l'Université de Bourgogne; This thesis provides a detailed theroetical and experimental investigation of four-wave mixing, and stimulated Raman scttering in single-mode optical fibers. Some applications such as broadband parametric amplification, Raman-assited parametric conversion and suppression of Raman effect are demonstrated.; Cette thèse porte sur une étude détaillée, théorique et expérimentale, des phénomènes paramétriques, de la diffusion Raman stimulée et de leurs interactions mutuelles, survenant lors de la propagation d'ondes électromagnétiques intenses dans les fibres optiques unimodales. Ce travail vise notamment à suggérer de nouvelles fonctions de traitement tout-optique pour les télécommunications par fibres optiques. Une partie importante du travail met à profit la forte biréfringence des fibres à maintien de polarisation pour réaliser l'amplification paramétrique (ou instabilité de modulation induite) de signaux impulsionnels dans le régime de dispersion normale. Une approche phénoménologique montre l'équivalence physique entre le mélange à quatre ondes et l'instabilité de modulation. L'amplification de la fluorescence paramétrique, à partir du bruit quantique, présente un gain quasi-exponentiel en fonction de la puissance de pompe alors que l'amplification d'un signal évolue selon une loi en cloche à cause du déphasage non linéaire induit par la pompe. Les résultats expérimentaux mettent en évidence cette dynamique en cloche et confirment la validité du modèle d'instabilité de modulation. En remplacement des sources impulsionnelles de puissance, une expérience supplémentaire utilisant des microlasers permet d'obtenir des gains supérieurs à 20 dB dans 20 m de fibre. Enfin l'étude des aspects temporels liés à l'amplification paramétrique par biréfringence révèle la génération de trains d'impulsions solitons noirs à des cadences supérieures au THz. Une partie complémentaire analyse le processus d'intermodulation de phase dégénérée dans une fibre biréfringente et permet de décrire les effets spectraux et temporels, liés à l'utilisation d'impulsions picosecondes, qui affectent la propagation des ondes sur les axes de polarisation de la fibre. Les effets combinés de l'intermodulation de phase et de la différence de temps de groupe provoquent des rétrécissements et des asymétries des spectres modulés ainsi que des modulations temporelles rapides, en comparaison avec la situation ou une impulsion est polarisée selon une ligne neutre. Cette comparaison permet de mesurer la biréfringence des fibres sur une grande dynamique (103) et une bonne précision (5%). Une expérience montre ensuite la possibilité de décaler en fréquence des signaux par in termodulation de phase dégénérée sur une plage de 0 à ± 0,3 nm. Le troisième volet étudie les effets de couplage entre le mélange à quatre ondes et la diffusion Raman stimulée (DRS) en régime de dispersion normale pour réaliser de la conversion en longueur d'onde. Un signal picoseconde à la fréquence Raman anti-Stokes, injecté avec une impulsion pompe, induit la génération d'une impulsion Stokes par couplage paramétrique. La longueur de couplage, très faible, est cependant suffisante pour que l'amplification Raman Stokes prenne ensuite le relais, même très en dessous du seuil de DRS habituel. Cette méthode est originale puisqu'elle démarre sur un processus paramétrique complètement désaccordé en phase, mais assisté par l'amplification Raman Stokes et l'absorption anti-Stokes. Il permet ainsi une conversion/amplification tout-optique ultra-rapide de fréquences avec de très grands décalages spectraux (26 THz), normalement inaccessibles à la conversion paramétrique pure. Une application intéressante de ce procédé réside dans la possibilité de réaliser une conversion de longueur d'onde 1,3 Μm↑1,5 Μm entre les deux fenêtres spectrales des télécommunications. Bien que la diffusion Raman stimulée (DRS) dans les fibres optiques puisse être mise à profit pour un certain nombre d'applications, ce même processus peut être également source de pénalité en puissance et en débit dans les systèmes de télécommunications, notamment les transmissions multiplexées en longueur d'onde (WDM). Une méthode de contrôle et de suppression de la DRS est démontré à partir d'un champ de pompe multi-fréquences. Le mécanisme de suppression, basé sur l'antisymétrie spectrale de la susceptibilité Raman, est optimisé pour un écart entre les différentes composantes spectrales de pompe égal à deux fois le décalage Raman.. La suppression totale de la DRS est obtenue en déséquilibrant les puissances de pompe de manière à contrebalancer l'effet additionnel de cascade Raman des hautes vers les basses fréquences. Outre les implications potentielles de cette méthode dans les transmissions WDM, ce principe de suppression présente un intérêt pour augmenter les facteurs de compression dans les compresseurs d'impulsions à fibre.

This thesis provides a detailed theroetical and experimental investigation of four-wave mixing, and stimulated Raman scttering in single-mode optical fibers. Some applications such as broadband parametric amplification, Raman-assited parametric conversion and suppression of Raman effect are demonstrated., Cette thèse porte sur une étude détaillée, théorique et expérimentale, des phénomènes paramétriques, de la diffusion Raman stimulée et de leurs interactions mutuelles, survenant lors de la propagation d'ondes électromagnétiques intenses dans les fibres optiques unimodales. Ce travail vise notamment à suggérer de nouvelles fonctions de traitement tout-optique pour les télécommunications par fibres optiques. Une partie importante du travail met à profit la forte biréfringence des fibres à maintien de polarisation pour réaliser l'amplification paramétrique (ou instabilité de modulation induite) de signaux impulsionnels dans le régime de dispersion normale. Une approche phénoménologique montre l'équivalence physique entre le mélange à quatre ondes et l'instabilité de modulation. L'amplification de la fluorescence paramétrique, à partir du bruit quantique, présente un gain quasi-exponentiel en fonction de la puissance de pompe alors que l'amplification d'un signal évolue selon une loi en cloche à cause du déphasage non linéaire induit par la pompe. Les résultats expérimentaux mettent en évidence cette dynamique en cloche et confirment la validité du modèle d'instabilité de modulation. En remplacement des sources impulsionnelles de puissance, une expérience supplémentaire utilisant des microlasers permet d'obtenir des gains supérieurs à 20 dB dans 20 m de fibre. Enfin l'étude des aspects temporels liés à l'amplification paramétrique par biréfringence révèle la génération de trains d'impulsions solitons noirs à des cadences supérieures au THz. Une partie complémentaire analyse le processus d'intermodulation de phase dégénérée dans une fibre biréfringente et permet de décrire les effets spectraux et temporels, liés à l'utilisation d'impulsions picosecondes, qui affectent la propagation des ondes sur les axes de polarisation de la fibre. Les effets combinés de l'intermodulation de phase et de la différence de temps de groupe provoquent des rétrécissements et des asymétries des spectres modulés ainsi que des modulations temporelles rapides, en comparaison avec la situation ou une impulsion est polarisée selon une ligne neutre. Cette comparaison permet de mesurer la biréfringence des fibres sur une grande dynamique (103) et une bonne précision (5%). Une expérience montre ensuite la possibilité de décaler en fréquence des signaux par in termodulation de phase dégénérée sur une plage de 0 à ± 0,3 nm. Le troisième volet étudie les effets de couplage entre le mélange à quatre ondes et la diffusion Raman stimulée (DRS) en régime de dispersion normale pour réaliser de la conversion en longueur d'onde. Un signal picoseconde à la fréquence Raman anti-Stokes, injecté avec une impulsion pompe, induit la génération d'une impulsion Stokes par couplage paramétrique. La longueur de couplage, très faible, est cependant suffisante pour que l'amplification Raman Stokes prenne ensuite le relais, même très en dessous du seuil de DRS habituel. Cette méthode est originale puisqu'elle démarre sur un processus paramétrique complètement désaccordé en phase, mais assisté par l'amplification Raman Stokes et l'absorption anti-Stokes. Il permet ainsi une conversion/amplification tout-optique ultra-rapide de fréquences avec de très grands décalages spectraux (26 THz), normalement inaccessibles à la conversion paramétrique pure. Une application intéressante de ce procédé réside dans la possibilité de réaliser une conversion de longueur d'onde 1,3 Μm↑1,5 Μm entre les deux fenêtres spectrales des télécommunications. Bien que la diffusion Raman stimulée (DRS) dans les fibres optiques puisse être mise à profit pour un certain nombre d'applications, ce même processus peut être également source de pénalité en puissance et en débit dans les systèmes de télécommunications, notamment les transmissions multiplexées en longueur d'onde (WDM). Une méthode de contrôle et de suppression de la DRS est démontré à partir d'un champ de pompe multi-fréquences. Le mécanisme de suppression, basé sur l'antisymétrie spectrale de la susceptibilité Raman, est optimisé pour un écart entre les différentes composantes spectrales de pompe égal à deux fois le décalage Raman.. La suppression totale de la DRS est obtenue en déséquilibrant les puissances de pompe de manière à contrebalancer l'effet additionnel de cascade Raman des hautes vers les basses fréquences. Outre les implications potentielles de cette méthode dans les transmissions WDM, ce principe de suppression présente un intérêt pour augmenter les facteurs de compression dans les compresseurs d'impulsions à fibre.

Not available, Cette étude concerne la simulation numérique de phénomènes non-linéaires dans les systèmes faisceau d'ions-plasma (F.I.P.). Dans une première partie, on étudie le régime non-linéaire de l'instabilité acoustique ionique engendrée par l'injection d'un faisceau d'ions dans le plasma. Cette étude a été menée en utilisant successivement un code P.I.C, puis un code eulérien de Vlasov à conditions aux limites périodiques. On observe dans les deux cas la croissance de l'instabilité acoustique ionique, puis la formation de vortex, dans l'espace des phases, associée à la saturation non-linéaire. L'étude détaillée des modes de Fourier et des mécanismes de couplage non-linéaire de ces modes pour des choix de conditions initiales différents permet de montrer l'importance de ce choix pour simuler une instabilité de type faisceau-plasma démarrant naturellement à partir des fluctuations thermiques. Grace à la stabilité du code de la dynamique de coalescence des vortex après la saturation a pu être étudiée sur des temps longs. Dans une deuxième partie, on étudie le système faisceau d'ions plasma perturbé de façon transitoire, à l'aide du code Vlasov adapté à des conditions aux limites non-périodiques. Des expériences avaient montré la formation de structures de type bosse et creux en arrière du choc électrostatique induit par une perturbation de type échelon sur la vitesse du faisceau d'ions. Nous avons pu reproduire ces résultats expérimentaux et interpréter les oscillations de grande amplitude observées dans le puits de potentiel en terme d'instabilité acoustique ionique localisée. Par ailleurs, nous présentons des simulations de propagation de perturbations localisées de type soliton dans les systèmes F.I.P. Les résultats obtenus tendent à confirmer l'hypothèse que le puits de potentiel observé en arrière du choc est bien associé à l'évolution non-linéaire de la réponse portée par le mode lent

Not available, Cette étude concerne la simulation numérique de phénomènes non-linéaires dans les systèmes faisceau d'ions-plasma (F.I.P.). Dans une première partie, on étudie le régime non-linéaire de l'instabilité acoustique ionique engendrée par l'injection d'un faisceau d'ions dans le plasma. Cette étude a été menée en utilisant successivement un code P.I.C, puis un code eulérien de Vlasov à conditions aux limites périodiques. On observe dans les deux cas la croissance de l'instabilité acoustique ionique, puis la formation de vortex, dans l'espace des phases, associée à la saturation non-linéaire. L'étude détaillée des modes de Fourier et des mécanismes de couplage non-linéaire de ces modes pour des choix de conditions initiales différents permet de montrer l'importance de ce choix pour simuler une instabilité de type faisceau-plasma démarrant naturellement à partir des fluctuations thermiques. Grace à la stabilité du code de la dynamique de coalescence des vortex après la saturation a pu être étudiée sur des temps longs. Dans une deuxième partie, on étudie le système faisceau d'ions plasma perturbé de façon transitoire, à l'aide du code Vlasov adapté à des conditions aux limites non-périodiques. Des expériences avaient montré la formation de structures de type bosse et creux en arrière du choc électrostatique induit par une perturbation de type échelon sur la vitesse du faisceau d'ions. Nous avons pu reproduire ces résultats expérimentaux et interpréter les oscillations de grande amplitude observées dans le puits de potentiel en terme d'instabilité acoustique ionique localisée. Par ailleurs, nous présentons des simulations de propagation de perturbations localisées de type soliton dans les systèmes F.I.P. Les résultats obtenus tendent à confirmer l'hypothèse que le puits de potentiel observé en arrière du choc est bien associé à l'évolution non-linéaire de la réponse portée par le mode lent

Not available, Ce travail porte sur la mise en évidence expérimentale, des mécanismes responsables de la perte de la stabilité d'un film ruisselant et soumis à l'action d'un écoulement gazeux à contre-courant (phénomène de flooding). Les mesures sont effectuées pour le couple de fluides eau-azote, dans une conduite de 0,0406 m de diamètre. Le film est injecté et ré aspiré au travers de deux sections poreuses séparées par une distance pouvant varier de 0,5 à 2,5 m. La transition a été observée en analysant les propriétés statistiques des mesures instantanées du frottement pariétal (méthode électrochimique) et de l'épaisseur de film liquide (méthode conductiéetrique). La modification brutale des propriétés du film lors de la transition est d'autant plus sensible que l'observation est proche du point d'injection. Cependant, cette transition semble toujours déclenchée par le passage d'une onde solitaire se propageant de bas en haut. Un effet de la longueur du film sur le point de flooding a été observé

Not available, Notre travail entre dans le cadre d'une étude analytico-numérique, où les équations de type Korteweg-De Vries et de Schrödinger non linéaire devraient permettre une meilleure compréhension de certains phénomènes en physique non linéaire. Les solutions en ondes solitaires de ces deux équations ont été étudiées, et les solutions numériques sont conformes aux études analytiques les plus récentes. Les cas de un, deux et trois solitons nous ont permis de répondre à certaines observations. L'utilisation du schéma numérique de Splitting-Dirac par son exactitude et sa souplesse nous a permis d'étendre notre travail à l'étude de l'équation de Schrödinger non linéaire bidimensionnelle. Nous avons confirmé et étudié la formation des ondes collapse

Not available, Notre travail entre dans le cadre d'une étude analytico-numérique, où les équations de type Korteweg-De Vries et de Schrödinger non linéaire devraient permettre une meilleure compréhension de certains phénomènes en physique non linéaire. Les solutions en ondes solitaires de ces deux équations ont été étudiées, et les solutions numériques sont conformes aux études analytiques les plus récentes. Les cas de un, deux et trois solitons nous ont permis de répondre à certaines observations. L'utilisation du schéma numérique de Splitting-Dirac par son exactitude et sa souplesse nous a permis d'étendre notre travail à l'étude de l'équation de Schrödinger non linéaire bidimensionnelle. Nous avons confirmé et étudié la formation des ondes collapse

Expérience réalisée a l'aide d'un laser a colorant en anneau a blocage de mode passif, et dont la dispersion de vitesse de groupe peut être contrôlée. On montre que le fonctionnement de ce type de laser est base sur des phénomènes solitons en analysant un régime particulier du laser qui émet alors des impulsions semblables à des solitons d'ordre 3. Description d'une chaine amplificatrice ayant un gain d'environ 10**(6). On présente un nouveau système de compensation de la dispersion de la chaine amplificatrice et une nouvelle méthode de mesure monocoup de la réponse temporelle de l'effet Kerr optique.

An experimental demonstration is presented of the stable monomode self-trapping of laser beams with adequate shape and power when they are propagating through homogeneous transparent dielectrics whose refractive index exhibits fluctuations proportional to the local intensity. The field evolution in such material is governed by a nonlinear scalar wave equation, that possesses stable solutions called solitons. Those solutions correspond to the exact balance of the natural diffraction divergence of the beam by the convergence of the self-induced refractive index gradient.