Ces travaux de thèse concerne la réalisation et la caractérisation de détecteurs de radiations sub-millimétriques et térahertz par des composants à effets de champs à base d'hétérojonctions de nitrure de Galium (AlGaN/GaN). La première partie de ces travaux présente un état de l'art des différents types de détecteurs de rayonnement térahertz existants que ce soit par une approche électronique, optique ou optoélectronique. Elle permet d'effectuer un comparatif de leurs performances. La seconde partie aborde les aspects de design et de procédés technologiques pour la fabrication de ces composants à base de nitrure de Galium. Elle expose plus particulièrement les difficultés rencontrées et les solutions mises en places lors de la fabrication de composants à réseaux de grilles. La troisième partie concerne la caractérisation en espace libre de ces différentes topologies de détecteurs pour des fréquences allant jusque 550GHz (i.e. NEP, SNR, comparatif avec l’intégration d’antenne cornet…). Cette partie expose les premières mesures d'imagerie en temps réels réalisées à l'aide de détecteur térahertz à base d'hétérojonctions AlGaN/GaN. La dernière partie aborde, quant à elle, l'étude intrinsèque des performances des détecteurs. Celle-ci est basée sur la théorie du mélange résistif. Une modélisation du comportement non linéaire du détecteur est réalisée. Elle s'appuie sur des mesures de mélange faites à l'aide d'un nouveau type de bancs de mesures sous pointes développés au sein du laboratoire. En conclusion, un bilan sur les performances de différentes topologies étudiées essaiera d'offrir des pistes de réponses aux interrogations légitimes sur le sujet abordé. / This thesis relates to the fabrication and the characterization of different types of Gallium nitirde based high electron mobility transistors (GaN/AlGaN heterojunction based HEMT) as millimeter and terahertz radiations detectors. The first part of this work presents a state of the art of different types of THz radiation detectors either by electronics, optics or optoelectronics approaches. This part allows a comparison of their performances. The second part deals with design and process technologies to the fabrication of GaN/AlGaN based devices. This part explains particular difficulties encounterd and solutions omplemented in the process fabrication of gratting-gate transistors. The third part describe the experimental results in free-space, up to 550GHz, of these different types of detectors (i.e. NEP, SNR, integrated horn antenna...). This part outlines the THz real-time imaging performed for the first time with GaN/AlGaN based detectors. The last part deals with the study of the intrinsic performance of these detectors. This study is based on the resistive-mixing theory in HEMTs. Modeling of the nonlinear behavior of transistors is achieved. This part relies on resistive-mixing measurements made using a new type of an on-wafer measurement bench developed in our laboratory. In conclusion, a report on the performances of all detectors studies in this thesis is done. This conclusion attempts to answer in the reasonable questions.

Cette thèse porte sur le développement d'un détecteur hybride alliant la scintillation à la radiation Čerenkov pour une utilisation en radiothérapie. Bien que les dosimètres à scintillation aient déjà fait leurs preuves pour une mesure de dose précise dans des conditions d'irradiation complexes et variées, la radiation Čerenkov a pour l'instant peu d'applications en raison de ses multiples dépendances. Cette émission lumineuse résulte du passage de particules chargées ayant une vitesse supérieure à la lumière dans un milieu diélectrique et peut être observée lors de l'irradiation des dosimètres à scintillation plastiques. Alors que l'approche conventionnelle en dosimétrie à scintillation consiste à traiter ce signal comme un bruit en raison de sa dépendance angulaire, plusieurs recherches visaient à utiliser sa dépendance à l'énergie des électrons pour effectuer une mesure de dose. L'approche préconisée dans cette thèse est différente puisque le but est de mettre à profit cette émission intrinsèque en utilisant sa dépendance angulaire pour effectuer une mesure de l'angle incident des particules ionisantes utilisées en radiothérapie. Le projet couvre donc l'ensemble des théories nécessaires à la compréhension des multiples phénomènes physiques en jeu ainsi que les étapes de la conception, la caractérisation, la mise en application et la validation du détecteur. En ce qui concerne la conception, les hypothèses de départ se basent sur l'analyse des mécanismes derrière la production et la transmission des photons optiques Čerenkov dans une fibre optique. Par la suite, une étude des différents composants disponibles et configurations possibles afin de produire un premier prototype fonctionnel est présentée. Le choix du photodétecteur nécessaire à la mesure de l'intensité des différents signaux lumineux est également accompagné d'une étude comparative afin de sélectionner celui dont les caractéristiques sont optimales pour la réalisation du projet. Ensuite, les différents travaux expérimentaux démontrent la mise en application du prototype composé d'un dosimètre à scintillation et d'un détecteur Čerenkov. Ils valident ainsi le principe de fonctionnement du détecteur hybride par la réalisation de mesures simultanées de la dose et de l'angle d'irradiation, mais couvrent également la caractérisation angulaire et dosimétrique du prototype. Enfin, des travaux de simulations Monte Carlo valident les différentes observations faites en plus d'aider à la compréhension des liens existants entre les multiples dépendances de la radiation Čerenkov et la précision du détecteur. Une dernière section est finalement consacrée à l'optimisation du détecteur en vue d'améliorer sa conception. Celle-ci présente des pistes de solutions aux diverses limitations du prototype développé. La thèse fournit ainsi les bases nécessaires afin de guider le détecteur vers une application clinique. / This thesis focuses on the development of a hybrid detector combining scintillation with Čerenkov radiation for radiotherapy applications. Although scintillation dosimeters have already proven themselves for accurate dose measurements under complex irradiation conditions, Čerenkov radiation has, to this day, few applications due to its multiple dependencies. This light emission results from charged particles travelling through a dielectric medium with a speed greater than the velocity of light in that medium. Therefore, Čerenkov light can be observed during the irradiation of plastic scintillation dosimeters. While the conventional approach in scintillation dosimetry is to treat this signal as noise or stem effect due to its angular and field size dependencies, some researches have focussed on its electron energy spectrum dependency to achieve dose measurements. The general direction of this thesis is different since the goal is to take advantage of this intrinsic light emission by using its angular dependency to measure the incident angle of ionizing particles used in radiotherapy. The project therefore covers the theories necessary to understand the multiple physical phenomena involved as well as the stages of design, characterization, implementation and validation of the detector. Regarding the design, the initial assumptions are based on the analysis of the mechanisms behind the production, capture and transmission of Čerenkov photons in an optical fiber. Thereafter, a study of the various components available and possible configurations in order to produce a fully functional prototype is presented. The choice of the photodetector required for measuring the intensity of the various light signals is also accompanied by a comparative study in order to select the one whose characteristics are optimal for the realization of the project. Then, various experimental measurements demonstrate the implementation of the prototype composed of a scintillation dosimeter and a Čerenkov detector. This work thus validate the operating principle of the hybrid detector by carrying out simultaneous measurements of the dose and the angle of irradiation, but also cover the angular and dosimetric characterization of the prototype. Finally, Monte Carlo simulations validate various observations made. In addition, they ease the understanding of the links between the multiple Čerenkov radiation dependencies and the precision of the detector. A last section is dedicated to the optimization of the detector in order to improve its design. This section presents possible solutions to various limitations of the prototype developed. The thesis thus provides the necessary bases to guide the detector towards clinical applications.

Cette thèse porte sur le développement d'un détecteur hybride alliant la scintillation à la radiation Čerenkov pour une utilisation en radiothérapie. Bien que les dosimètres à scintillation aient déjà fait leurs preuves pour une mesure de dose précise dans des conditions d'irradiation complexes et variées, la radiation Čerenkov a pour l'instant peu d'applications en raison de ses multiples dépendances. Cette émission lumineuse résulte du passage de particules chargées ayant une vitesse supérieure à la lumière dans un milieu diélectrique et peut être observée lors de l'irradiation des dosimètres à scintillation plastiques. Alors que l'approche conventionnelle en dosimétrie à scintillation consiste à traiter ce signal comme un bruit en raison de sa dépendance angulaire, plusieurs recherches visaient à utiliser sa dépendance à l'énergie des électrons pour effectuer une mesure de dose. L'approche préconisée dans cette thèse est différente puisque le but est de mettre à profit cette émission intrinsèque en utilisant sa dépendance angulaire pour effectuer une mesure de l'angle incident des particules ionisantes utilisées en radiothérapie. Le projet couvre donc l'ensemble des théories nécessaires à la compréhension des multiples phénomènes physiques en jeu ainsi que les étapes de la conception, la caractérisation, la mise en application et la validation du détecteur. En ce qui concerne la conception, les hypothèses de départ se basent sur l'analyse des mécanismes derrière la production et la transmission des photons optiques Čerenkov dans une fibre optique. Par la suite, une étude des différents composants disponibles et configurations possibles afin de produire un premier prototype fonctionnel est présentée. Le choix du photodétecteur nécessaire à la mesure de l'intensité des différents signaux lumineux est également accompagné d'une étude comparative afin de sélectionner celui dont les caractéristiques sont optimales pour la réalisation du projet. Ensuite, les différents travaux expérimentaux démontrent la mise en application du prototype composé d'un dosimètre à scintillation et d'un détecteur Čerenkov. Ils valident ainsi le principe de fonctionnement du détecteur hybride par la réalisation de mesures simultanées de la dose et de l'angle d'irradiation, mais couvrent également la caractérisation angulaire et dosimétrique du prototype. Enfin, des travaux de simulations Monte Carlo valident les différentes observations faites en plus d'aider à la compréhension des liens existants entre les multiples dépendances de la radiation Čerenkov et la précision du détecteur. Une dernière section est finalement consacrée à l'optimisation du détecteur en vue d'améliorer sa conception. Celle-ci présente des pistes de solutions aux diverses limitations du prototype développé. La thèse fournit ainsi les bases nécessaires afin de guider le détecteur vers une application clinique. / This thesis focuses on the development of a hybrid detector combining scintillation with Čerenkov radiation for radiotherapy applications. Although scintillation dosimeters have already proven themselves for accurate dose measurements under complex irradiation conditions, Čerenkov radiation has, to this day, few applications due to its multiple dependencies. This light emission results from charged particles travelling through a dielectric medium with a speed greater than the velocity of light in that medium. Therefore, Čerenkov light can be observed during the irradiation of plastic scintillation dosimeters. While the conventional approach in scintillation dosimetry is to treat this signal as noise or stem effect due to its angular and field size dependencies, some researches have focussed on its electron energy spectrum dependency to achieve dose measurements. The general direction of this thesis is different since the goal is to take advantage of this intrinsic light emission by using its angular dependency to measure the incident angle of ionizing particles used in radiotherapy. The project therefore covers the theories necessary to understand the multiple physical phenomena involved as well as the stages of design, characterization, implementation and validation of the detector. Regarding the design, the initial assumptions are based on the analysis of the mechanisms behind the production, capture and transmission of Čerenkov photons in an optical fiber. Thereafter, a study of the various components available and possible configurations in order to produce a fully functional prototype is presented. The choice of the photodetector required for measuring the intensity of the various light signals is also accompanied by a comparative study in order to select the one whose characteristics are optimal for the realization of the project. Then, various experimental measurements demonstrate the implementation of the prototype composed of a scintillation dosimeter and a Čerenkov detector. This work thus validate the operating principle of the hybrid detector by carrying out simultaneous measurements of the dose and the angle of irradiation, but also cover the angular and dosimetric characterization of the prototype. Finally, Monte Carlo simulations validate various observations made. In addition, they ease the understanding of the links between the multiple Čerenkov radiation dependencies and the precision of the detector. A last section is dedicated to the optimization of the detector in order to improve its design. This section presents possible solutions to various limitations of the prototype developed. The thesis thus provides the necessary bases to guide the detector towards clinical applications.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La non-linéarité des photodétecteurs constitue un obstacle à l'élargissement des frontières en spectroscopie double-peigne. Cette limitation restreint la puissance qui peut être envoyée au photodétecteur, et par conséquent, entrave les performances des spectromètres jusqu'à un point où l'étude de phénomènes exigeant une courte durée de mesure et un rapport signal sur bruit élevé devient impossible. En limitant la puissance sur le détecteur, il devient nécessaire de moyenner le signal pour améliorer le rapport signal sur bruit et ce, jusqu'à plusieurs heures ce qui n'est simplement pas possible pour plusieurs applications. Alors que la non-linéarité est déjà reconnue comme problématique en interférométrie par transformée de Fourier, la communauté optique travaille sur les peigne de fréquence offrant des niveaux de puissance dix fois supérieurs à ce que peut accepter un photodétecteur en régime linéaire et la qualité des mesures révèle maintenant que la non-linéarité produit un niveau d'erreur systématique significatif. Il s'en suit donc un besoin de comprendre le phénomène, de gérer les erreurs systématiques et d'améliorer la chaine de détection pour tirer avantage du niveau de puissance disponible. Le problème de non-linearité des photodétecteurs est étudié en profondeur dans cette thèse. D'abord, le problème de la détection est abordé en étudiant la réaction du photodétecteur à une impulsion unique, ce qui permet de simplifier la situation. Ce faisant, il a été possible d'identifier l'amplificateur du détecteur comme une source majeure de non-linéarité pour plusieurs détecteurs couramment utilisés. La non-linéarité du photodétecteur altère les impulsions optiques qui dépendent de la puissance incidente sur le détecteur, entraînant ainsi une déformation de l'information interférométrique encodée dans l'amplitude des battements entre les deux sources pulsées. Il est d'ailleurs montré que les raies d'absorption encodées dans le signal subissent des déformations en raison de la non-linéarité, pouvant conduire à une mauvaise estimation de la concentration de gaz mesurée dans une expérience de détection de gaz. La distortion de l'information qui se produit lors du fonctionnement d'un détecteur en régime non linéaire soulève la question de savoir si de l'information a été perdue dans la détection ou si une correction a posteriori permet de retrouver l'information originale. Il est démontré qu'en respectant certaines conditions expérimentales, la non-linéarité peut être considérée statique et qu'il est possible de retrouver un spectre minimalement entaché par des erreurs systématiques dues à la non linéarité, et ce même si la chaine de détection est opérée en régime fortement non linéaire. Un algorithme de correction basé sur la minimisation des artéfacts spectraux hors bande permet de retrouver un spectre corrigé avec un fort rapport signal sur bruit pour une courte durée de mesure. Il est également démontré qu'il existe des conditions expérimentales qui minimisent les impacts de la non-linéarité. Une première solution consiste à utiliser un détecteur sans amplificateur qui sature. Il est montré que sans amplificateur, la réponse non linéaire de la photodiode en régime de haute puissance crête n'a aucun impact lorsque le signal est adéquatement filtré, ce qui permet de préserver la condition de linéarité sur les interférogrammes mesurés. Ceci est possible pour les détecteurs qui présentent une relation linéaire entre l'aire de leur réponse impulsionnelle et la puissance incidente. Lorsque la relation entre l'aire et la puissance d'un photodétecteur n'est pas linéaire, il est nécessaire d'avoir recours à l'algorithme de correction mentionné précédemment. Ayant géré et minimisé les impacts de la non-linéarité des photodétecteur, des signaux haute puissance peuvent être utilisés pour produire des mesures avec de forts rapports signal sur bruit pour de courtes durées de mesure, ce qui crée de nouvelles possibilités. Par exemple, il a été possible de mettre en évidence des formes de raies asymétriques suivant le modèle de Fano et dépendant de la puissance crête excitant le gas sous étude en spectroscopie moléculaire. L'expérience a permis de montrer que les conditions d'étirement temporel des impulsions influencent le niveau d'asymétrie des raies, puisque celui-ci est influencée par l'intensité crête des impulsions. Les deux premiers chapitres de la thèse s'attardent à la manifestation de la non-linéarité dans le contexte de la spectroscopie par double-peigne. L'impact de la non-linéarité est décrit pour des détecteurs commerciaux afin de montrer que les détecteurs sont utilisés dans un régime non linéaire bien avant la limite de puissance moyenne donnée par le fabricant. L'impact de la non-linéarité en spectroscopie double-peigne est comparé à celui en spectroscopie classique pour noter les similitudes et les différences. Une mesure d'absorption est réalisée dans un régime linéaire et non linéaire pour bien comprendre l'impact de la non-linéarité. Les chapitres trois et quatre donnent une vue d'ensemble sur la gestion de la non-linearité, que ce soit en la corrigeant par traitement numérique ou en la réduisant en respectant certaines conditions expérimentales. Le chapitre cinq présente l'observation d'un phénomène visible seulement avec un fort rapport signal sur bruit : la résonance de Fano. Finalement, le chapitre 6 dresse un portrait complet de la photodétection linéaire en spectroscopie double-peigne. / Photodetector nonlinearity (NL) is a substantial roadblock to expanding the frontiers of dual-comb spectroscopy (DCS). It restricts the power sent to a detector and ultimately limits the performances of spectrometers, reaching a point where it can hinder the study of phenomena that require both rapid measurement and a high signal-to-noise ratio (SNR). By limiting the power on a detector, experimentalists resort to averaging the signal to improve the SNR, but averaging for hours may become impractical for several applications. While detector NL has been known to be an issue in classical Fourier transform spectroscopy (FTS), the community has been using frequency combs with power levels more than ten times the amount a detector can tolerate in its linear operating regime, and the quality of measurement has reached a point where NL produces significant systematic errors. There is thus a need to understand what happens when a detector is over-illuminated, in order to provide adequate management of systematic NL errors and improvements to the detection chain to fully benefit from the information carried by the optical signal. This nonlinearity problem is thoroughly studied in this thesis. First, the photodetector's response to a dual-comb interferometric signal is analyzed by breaking it down into its reaction to a single optical pulse to gain insight into the core of the issue. This has enabled the identification of the amplifier as a main source of nonlinearity for several widely used detectors, marking a significant step towards addressing the nonlinearity problem. The nonlinearity of the photodetector creates optical pulse distortions that depend on the incident power on the detector, thus deforming the interferometric information encoded in the amplitude of the beatings between the two pulsed sources. It is demonstrated that absorption features are distorted and may lead to an incorrect estimation of gas concentration in a gas detection experiment. The distortion of information occurring under NL conditions raises a concern to know if any information is lost in the process, or if a posteriori correction is possible to retrieve the original information. It is shown that if experimental conditions are such that NL can be assumed static, the retrieval of a linear spectrum is possible. A correction algorithm based on the minimization of out-of-band spectral artifacts allowing to retrieve a high SNR spectrum acquired in a short measurement time is provided. It is also shown that there are experimental conditions that one can respect to minimize the impact of nonlinearity on a measurement. Having a detector without a saturating amplifier is a first solution. It is shown that without amplifier, the detector may still show nonlinear behaviour due to the photodiode's nonlinear response to an over-illumination, but it can be managed by proper filtering to preserve the linearity of the dual-comb signal. This is possible for detectors whose impulse response area present a linear relation with input power. If the area to power relation is not linear, the previously mentioned NL correction may be applied. With NL impacts on dual-comb interferometry properly handled and minimized, higher powers can be used to produce a useful signal and thus higher SNR measurement can be performed in short durations. This paves the way to new possibilities. As such, it has been possible to observe Fano resonances in molecular spectroscopy. This has been observed as asymmetric absorption lines in a transmission spectrum. It is demonstrated that temporal pulse broadening through chirping can reduce the impact if the pulses are sufficiently broadened to reduce the high intensity excitation of gas molecules. The first two chapters of this thesis focus on the manifestation of nonlinearity in the context of dual-comb spectroscopy. The impact of NL are described in commonly used photodetectors to show that the detectors reach a nonlinear regime well below the power threshold provided by the manufacturer. The impact of NL in DCS is then compared to its impact in FTS to highlight the similarities and differences. A spectroscopic measurement for linear and nonlinear signals is also demonstrated. The third and fourth chapters provide insights on how to manage nonlinearity whether it is necessary to correct for it or whether it is possible to avoid it by respecting given conditions. The fifth chapter presents an observation of a phenomenon in dual-comb spectroscopy that high SNR has allowed to see : Fano resonance. Finally, the sixth chapter draws a complete picture of the optimal photodetection in dual-comb interferometry.

Les fibres optiques représentent une évolution technologique fantastique. Leur utilité n'est plus à prouver, que ce soit pour transmettre des signaux de télécommunications, produire des cavités laser de toutes sortes ou des capteurs permettant d'obtenir de l'information sur un système. Ces capteurs utilisent les capacités intrinsèques des fibres optiques telles que la passivité chimique et électrique, une petite taille, la polyvalence et la robustesse afin de produire une solution de détection généralement peu coûteuse et permettant une détection à une grande distance. De plus, l'interférométrie permet souvent d'obtenir d'incroyables valeurs de résolution avec des capteurs fibrés. Dans le cadre de ce projet, nous proposons un schéma de capteur fibré interférométrique actif. Le capteur utilise le battement de fréquences entre deux cavités laser DFBs (Distributed FeedBack) jumelles pour une mesure très sensible. Un DFB est une cavité laser fait d'un réseau de Bragg à saut de phase au centre, inscrit dans de la fibre dopée, ici du thulium. L'utilisation de deux cavités laser jumelles permet l'émission de deux signaux laser à une longueur d'onde presqu'identique. Lorsque ces signaux sont combinés sur un photodétecteur, le battement de fréquence entre ceux-ci est détecté dans le domaine des radio-fréquences. Toute variation de la longueur d'onde d'émission d'une des deux cavités produite par un paramètre, tel qu'une variation de la longueur ou de l'indice de réfraction de la cavité, entraîne une variation détectable de la fréquence du battement. Cette méthode interférométrique permet la production d'un capteur ponctuel sensible, à haute résolution, très polyvalent, simple et peu coûteux. C'est l'utilisation de deux DFBs distincts pour produire le capteur qui apporte ces excellentes qualités au capteur. Aux chapitres 1 et 2 seront abordés respectivement la théorie entourant les capteurs fibrés et plus précisément les capteurs interférométriques, ainsi qu'une revue de littérature de l'état de l'art dans ce domaine. Le chapitre 3 aborde la fabrication et la caractérisation de cavités laser qui serviront à former le capteur. Une preuve de concept du capteur utilisé pour la mesure d'une variation de température ou de tension est présentée au chapitre 4. Une résolution de 7x10⁻⁴ ° C en température et de 24nϵ en tension est obtenue. Finalement, au chapitre 5, une méthode permettant la mesure d'une variation d'indice de réfraction avec le capteur, ainsi que les performances attendues d'un tel capteur seront présentées. Ces travaux présentent donc une preuve de concept pour un capteur interférométrique actif sensible dont la polyvalence ouvre la porte à la détection d'une multitude de paramètres. / Optical fibers are a fantastic and useful technology. They can be used to transmit telecommunications signals, make various laser cavities or produce sensors allowing us to gather information on a system. These sensors use the intrinsic characteristics of optical fibers, such as low chemical and electrical reactivity, small size, versatility and robustness in order to produce remote detection solutions that are generally low cost. Using interferometry, great resolution values can be obtained with fibered sensors. With this project, we propose a scheme for an active interferometric fibered sensor. This sensor uses the beat frequency between two twin DFB (Distributed FeedBack) cavities to obtain a very sensitive measurement. The fiber DFB we use is a laser cavity made from a Pi-shifted Bragg grating, inscribed into thulium doped fiber. By using two twin lasers, the wavelength of both laser signals are almost identical. When these optical signals are combined on a photodector, the beat frequency between them is detected in the radio-frequency domain. A variation of the emission wavelength of one laser produced by a variation of length or refractive index of the cavity leads to a detectable variation of the beat frequency. This interferometric method allows the production of a sensitive point sensor, with high resolution, versatile, simple and at low cost. It is the use of two distinct twin DFBs to make the sensor that confers it these excellent qualities. In chapter 1 and 2, theory around fibered sensors and more precisely interferometric sensors will be covered, as well as a literarture review of the state of the art in this field. Chapter 3 will present the fabrication and characterisation of the laser cavities that make up the sensor. Measurements of temperature and strain variation will serve as a proof of concept in chapter 4. A resolution of 7x10⁻⁴ ° C in temperature and 24nϵ in strain is obtained. Finally, in chapter 5, a method allowing to measure a variation of refractive index with the sensor is presented, as well as the expected performances of such a sensor. This work therefore presents a proof of concept for a sensitive active interferometric fibered sensor whose versatility opens the door to the detection of a multitude of parameters.

Les capteurs à fibre optique distribués (DFS) tirant parti des mécanismes de diffusion se produisant dans l’élément détecteur de fibre, à savoir la diffusion de Rayleigh, Raman et Brillouin, ont été un sujet de recherche intense au cours des trois dernières décennies. Ils offrent de nombreuses applications pratiques classées en raison des avantages inhérents, tels que la petite taille, le poids léger, la sensibilité élevée, les performances excellentes, la durabilité intrinsèque dans des environnements difficiles, l’immunité aux interférences électromagnétiques (EMI), etc. En particulier, le DFS basé sur le processus de diffusion stimulée de Brillouin (SBS), appelé analyse temporelle optique de domaine de Brillouin (BOTDA), présente la capacité potentielle de réaliser la télédétection sur de longues distances, typiquement des dizaines de kilomètres et des centaines de kilomètres récemment. La fibre optique servant non seulement d’élément de détection, mais également de moyen de guidage de la lumière, est capable de détecter divers paramètres physiques d’intérêt, tels que la température, les contraintes, les pressions et les champs acoustiques. Ces measurandes peuvent être détectés directement ou indirectement le long de la fibre entière. Les systèmes de pergélisol dans le Nord canadien sont fortement perturbés par les changements climatiques dus au réchauffement de la planète; le dégel du pergélisol affecte à son tour les environnements et les communautés. Afin de réaliser une surveillance en temps réel de la stabilité des infrastructures, un réseau de détection BOTDA doté d'un nouveau transducteur à fibre optique est proposé pour surveiller les modifications physiques, notamment les pressions interstitielles, la température et le déplacement dans le pergélisol. Le principal défi consiste à mesurer simultanément les pressions d’eau interstitielle positive et négative, et à faire la distinction entre ces measurandes au sein d’un même transducteur. Lors de la première tentative, un polymère d'hydrogel est utilisé pour construire le transducteur, qui peut se dilater ou se contracter du fait de l'absorption ou de la libération d'eau par le matériau afin de détecter les pressions positives et négatives dans la plage cible de -100 kPa à +100 kPa le long d'un pergélisol système. Une fibre multi-cœur (MCF) bien conçue, incorporée dans le transducteur polymère, sera développée dans le but ultime de disposer de fonctionnalités de détection simultanée de plusieurs paramètres. / Distributed optical fibre sensors (DOFS) taking advantage of the scattering mechanisms occurring within the fibre sensing element, i.e. Rayleigh, Raman and Brillouin scattering, have been an intense research subject over the last three decades. They offer widespread practical in-filed applications due to the inherent advantages possessed, such as small size, light weight, high sensitivity, excellent performance, intrinsic durability to harsh environment, immunity to electromagnetic interference (EMI), and so on. Particularly, the one based on stimulated Brillouin scattering (SBS) process, so-called Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA), presents the potential capability to perform remote sensing over long distance, typically tens of kilometres and extended to hundreds of kilometres recently. Optical fibre acting as not only a sensing element but also as a light guidance medium is able to detect a variety of physical parameters of interest, such as temperature, strain, pressure and acoustic fields to name a few. These measurands can be sensed either by directly or indirectly along the whole fibre. Permafrost systems in Northern Canada are strongly disturbed by the climate changes due to global warming; the thawing permafrost is in turn affecting the environments and communities. In order to achieve real-time surveillance of the stability of infrastructures, a BOTDA sensing network with novel fibre transducer is proposed to monitor the physical changes including positive/negative pore water pressures, temperature and displacement along permafrost environments. The main challenge is to measure simultaneously the positive and negative pore water pressures and to discriminate among those measurands within a single transducer. As an initial attempt, a hydrogel polymer is deployed to build the transducer, which can expand or shrink due to water absorption or release by the material to detect positive and negative pressures in the target range of -100 kPa to +100 kilopascal along a permafrost system. A well-designed multi-core fibre (MCF) incorporated into the polymer trans

Mesurer le rayonnement infrarouge de manière résolue spectralement à partir de satellites avec une très haute précision radiométrique constitue un besoin critique pour les futures missions de référence climatique. Pour les spectres de rayonnement infrarouge, il a été déterminé qu'une précision de mesure exprimée comme une erreur de température de brillance inférieure à 0,1 K est nécessaire pour la détection de tendances au-delà de la variabilité naturelle des signatures climatiques sur une décennie. Le “Space Science and Engineering Center” de l'Université du Wisconsin (UW-SSEC), avec le soutien financier du programme d'incubateur d'instrument de la NASA, a développé “l'Absolute Radiance Interferometer” (ARI). L' ARI est conçu pour répondre aux exigences nécessaires afin de réaliser des mesures de radiance absolue résolues spectralement à partir de l’espace, dans le cadre d’une mission de référence pour suivre les tendances du climat. Le défi dans le développement de capteurs infrarouges pour une telle mission est d'atteindre cette haute précision avec un design qui peut être qualifié pour le vol spatial, qui a une longue durée de vie et qui est relativement petit, simple et abordable. L’approche pour la conception de l’ARI fait usage de composants ayant un historique de vol spatial qui sont combinés en un ensemble fonctionnel pour tester les performances détaillées. La simplicité requise est réalisable en raison des grandes différences dans les exigences d'échantillonnage et de bruit par rapport à celles des sondeurs infrarouges de télédétection typiques pour la recherche ou les déploiements opérationnels pour la météo. L’aspect original de cet instrument et de cette thèse est donc la démonstration de l’atteinte de la haute précision radiométrique. Le but de cet effort est de démontrer avec succès la possibilité de telles mesures dans des conditions de laboratoire et de vide, sur un sous-ensemble de la gamme des températures de brillance attendues en orbite. Des progrès dans la compréhension de aspects instrumentaux des spectromètres ont été accomplis en lien avec la poursuite de cet objectif et sont également rapportés dans cette thèse. / Spectrally resolved infrared radiances measured from orbit with extremely high absolute accuracy constitute a critical observation for future climate benchmark missions. For the infrared radiance spectra, it has been determined that a measurement accuracy, expressed as an equivalent brightness temperature error, of 0.1 K confirmed on orbit is required for signal detection above natural variability for decadal climate signatures. The University of Wisconsin Space Science and Engineering Center (UW-SSEC), with funding support from the NASA Instrument Incubator Program (IIP), developed the Absolute Radiance Interferometer (ARI). The ARI is designed to meet the uncertainty requirements needed to establish a spectrally resolved thermal infrared climate benchmark measurements from space. The challenge in the infrared sensor development for a climate benchmark measurement mission is to achieve this ultra-high accuracy with a design that can be flight qualified, has long design life, and is reasonably small, simple, and affordable. In this area, our design approach for the Absolute Radiance Interferometer (ARI) made use of components with strong spaceflight heritage (direct analogs with high TRL) combined into a functional package for detailed performance testing. The required simplicity is achievable due to the large differences in the sampling and noise requirements for the benchmark climate measurement from those of the typical remote sensing infrared sounders for weather research or operations. The new aspect of the interferometer development is the ultra high absolute accuracy sought, and is the subject of this thesis. The goal of this effort is to successfully demonstrate this measurement capability under laboratory and vacuum conditions, over a subset of the range of equivalent earth scene brightness temperatures expected on-orbit. Advances in instrumental aspects have been achieved in the pursuit of this goal.

Le détecteur LHCb est l'une des quatre expériences de physique des particules de la nouvelle chaîne d'accélération LHC du CERN. Afin de réduire la quantité de données destinée au stockage, un dispositif de sélection en ligne est mis en place. L'unité de décision au niveau 0 (L0DU) est le système central du premier niveau de déclenchement. LODU est un circuit imprimé 16 couches intégrant des composants de haute technologie de type FGPA et des liaisons optiques à 1,6 Gbit/s. Le traitement est implémenté en utilisant une architecture pipeline synchrone à 40 MHz. L0DU applique un algorithme de physique simple pour calculer sa décision et réduire le flot de données de 40 MHz à 1 MHz pour le prochain niveau de sélection. Le traitement interne se compose d'un traitement partiel des données (PDP) et d'une partie dédiée à la définition de l'algorithme de sélection (TDU). Le TDU est flexible et permet de reconfigurer entièrement les conditions de déclenchement sans re-programmation des FGPA

Les développements récents des techniques de fabrication de matériaux semi-conducteurs de type III-N comme GaN et AlGaN permettent le développement de photo-détecteurs Schottky et métal-semi-conducteur-métal opérant dans le domaine de l'ultraviolet. Alors que les photo-détecteurs à base de GaN et AlGaN ont un faible bruit et un temps de réponse rapide, l'absence de gain interne est un obstacle majeur à leur utilisation dans des applications qui nécessitent des photo-détecteurs à haute sensibilité. Dans ce travail, nous avons conçu et fabriqué des photo-détecteurs à base d'alliage BAlGaN sous forme de monocouches et de super réseaux réalisés par MOVPE et photo-lithographie. Une caractérisation complète de leurs propriétés électriques et électro-optiques a ensuite été réalisée. Nous montrons que ces nouveaux alliages BAlGaN ont un impact majeur sur les performances des photo-détecteurs étudiés. Nous avons pu réaliser des détecteurs présentant un important gain interne (jusqu'à 3x105) donc avec une sensibilité améliorée, un courant d'obscurité faible (jusqu'à 9 ordres de grandeurs plus faible que dans les détecteurs à base de GaN réalisés), une longueur d'onde de coupure ajustable dans la gamme 260-380, et un temps de réponse deux fois plus rapide que dans les détecteurs à base de GaN réalisés. Finalement, nous proposons une interprétation du mécanisme de gain dans ces nouvelles structures reposant sur l'existence de pièges profonds à électrons et à trous / Recent developments in III-N material growth technology such as GaN and AlGaN made possible to fabricate high performance solar-blind Schottky, and metal-semiconductor-metal based photodetectors operating in the ultraviolet range -based photodetectors. While GaN and AlGaN have low noise and fast response times, the lack of high internal gain is a limitation for their use in applications that require high sensitivity photodetectors. In this work, we have designed and fabricated BAlGaN-based photodetectors. For this, several BGaN monolayer and superlattices were grown using MOVPE and lithography processes followed by a full characterization of their electrical and electro-optical properties. We show that these new BAlGaN alloys have tremendous impact on the performance of these photodetectors. We were able to achieve photodetectors with large internal gain (up to 3x105) and thus improved sensitivity, low dark current (up to nine orders of magnitude lower compared to our own GaN-based photodetectors), tunable cut-off wavelength in the 260-380 nm range, and more than two orders of magnitude reduction in the response time compared to our own GaN-based photodetectors. Finally, we propose an interpretation, based on the existence of deep level electron and hole traps, to explain the different mechanisms at the origin of the internal gain in these new structure

En mammographie numérique, il existe deux approches pour évaluer la qualité de l'image. Dans la première approche, une méthode visuelle basée sur un observateur humain permet la détectabilité des lésions en radiographie mammographique. Malheureusement, cette approche de qualité nécessite d'importantes ressources humaines et du temps lors de son implémentation, et elle est affectée par la variabilité inter‐évaluateurs. Dans une deuxième approche, des paramètres objectifs et indépendants de l'observateur humain, présentant une relation avec la résolution et le contraste de l'image, sont utilisés pour une évaluation de la performance des détecteurs. Cependant, il n'existe pas de relation directe entre ces paramètres et la détectabilité des lésions. Une méthode permettant d'avoir une approche de la qualité de l'image, à la fois indépendante de facteurs humains et présentant une relation directe avec la détectabilité des lésions, permettrait d'utiliser l'équipement mammographique de manière optimale. Ce travail de thèse présente le développement d'une telle méthode, consistant à générer par ordinateur des images virtuelles à partir d'un modèle « Source à rayons X/Détecteur numérique », qui prend en compte les valeurs mesurées de la MTF et du NPS des équipements mammographiques en conditions cliniques d'utilisation. De par les résultats obtenus dans notre travail, nous avons contribué à établir le lien entre les caractéristiques physiques des détecteurs et la qualité clinique de l'image dans les conditions habituelles d'exposition. De plus, nous suggérons que notre modèle de création d'images virtuelles puisse être utilisé pour déterminer rapidement les conditions optimales en mammographie. Il s'agit, en effet, d'un aspect essentiel à considérer pour la radioprotection des patientes, particulièrement dans le cadre du dépistage de masse organisé, et qui est habituellement un processus expérimental long et fastidieux à mettre en oeuvre.