La technologie des fibres optiques monomodes semble aujourd'hui atteindre ses limites fondamentales en termes de débits. Il devient donc nécessaire de proposer une rupture technologique qui permettra, dans un futur proche, de répondre aux besoins toujours croissants des utilisateurs. La technologie de multiplexage spatial a été étudiée de manière intensive depuis 2011 et elle semble être une approche susceptible de répondre au problème posé. Néanmoins, pour que cette approche soit viable technologiquement, il est nécessaire de développer et/ou de revisiter les technologies des différents composants qui constituent la ligne de transmission. Le but de cette thèse consiste à démontrer, grâce à une approche associant théorie et expérience, la possibilité de réaliser des répéteurs optiques adaptés à cette technologie émergente, et plus particulièrement au cas du multiplexage modal de l'information dans des fibres légèrement multimodes. Nous nous sommes intéressés à l'élaboration d'amplificateurs à fibres dopées Erbium permettant l'obtention d'un gain égalisé sur les différents canaux de télécommunication utilisés, à savoir les modes et les longueurs d'onde. Pour cela, nous avons proposé une optimisation de la distribution transverse du dopant (Erbium), associée à un schéma de pompage simple de la fibre active. Deux géométries de fibres ont été étudiées : fibres à symétrie cylindrique (réalisées par procédé de fabrication conventionnel), et fibres à coeur micro-structuré. Nous démontrons qu'il est possible d'obtenir un gain élevé et égalisé sur l'ensemble des canaux, tout en conservant une efficacité énergétique satisfaisante du composant. / The current single mode fiber-based technology seems to reach its fundamental limits in terms of data rate. Thus, new disruptive technologies are required in order to meet the continuously increasing demand for data traffic. Since 2011, Space Division Multiplexing (SDM) has been intensively investigated and seems to be a potential approach to further increase the bandwidth and overcome the capacity crunch. Nevertheless, to make this technology viable, the technologies of the different components of the telecommunication line have to be developed or revisited. The aim of this thesis is to show the possibility of realizing optical repeaters especially designed for this new multiplexing technology, thanks to numerical and experimental results. More specifically, we focus our attention on the design and the characterization of few-mode erbium doped fiber amplifiers enabling gain equalization over the different communication channels used for the transmission, in the case of Mode Division Multiplexing (MDM). For this purpose, we propose an optimization of the transverse erbium distribution into the fiber core, associated with a simple pumping scheme. Two fiber designs have been investigated: fibers with cylindrical geometry (realized with standart fabrication process), and micro-structured-core fibers. Finaly, we demonstrate the possibility of obtaining high and flat gain over the different channels, while conserving a satifying energy efficiency.

Le développement de matériaux vitreux magnéto-optiques présentant un effet Faraday élevé répond à un besoin grandissant dans l'industrie des isolateurs de Faraday. Ceux présent sur le marché actuellement sont des monocristaux de Tb₃Ga₅O₁₂ avec une concentration en Tb élevée et un procédé de fabrication coûteux. Dans ce sens, l'objectif de cette thèse est de réaliser des verres et fibres optiques fortement concentrés en terbium. La première approche est basée sur l'élaboration dite « conventionnelle » de verre par la méthode fusion-trempe. Des verres de fluorophosphate suivant la loi de composition (100-x)(70 NaPO₃ ­ 30 BaF₂) x TbF₃ avec x = 35, 40, 45 et 50 mol.% ont été explorés et a permis l'obtention de verre massif présentant une constante de Verdet à 650 nm de -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour la composition optimale avec x = 50 mol.% en TbF₃. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour un verre de fluorophosphate. Ensuite, la seconde approche consiste à amplifier la réponse magnéto-optique du terbium en l'associant à une autre terre-rare via le co-dopage. À partir de la composition des verres co-dopés suivant la composition (en mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x REF₃) avec les niveaux de substitution x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 et 100 où RE = Pr, Dy et Ho ont été explorés. Des constantes de verdet à 600 nm de -84,2, -84,5 et -84,5 rad.T⁻¹.m⁻¹ ont été rapportées pour les verres co-dopés respectivement avec du praséodyme, de l'holmium et du dysprosium comparativement à une constante de Verdet de -81,9 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour le verre correspondant non co-dopé. Il s'agit à notre connaissance de la première démonstration de l'augmentation de l'effet Faraday par co-dopage dans des matériaux vitreux. L'influence de la géométrie de l'environnement des ions lanthanides sur l'effet associé au co-dopage a été réalisée dans des vitrocéramiques élaborées à partir des verres co-dopés de composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) avec x = 0, 1, 2, 3, 4 et 5. Ceci a permis d'observer une augmentation de l'effet Faraday par co-dopage de 7,5% pour une matrice cristalline comparativement à une augmentation de 3,7% dans une matrice vitreuse. L'interaction de super-échange associé au co-dopage est alors optimisée dans le cadre d'un environnement cristallin en raison du meilleur recouvrement orbitalaire associé. Une approche « non-conventionnelle » pour outrepasser les limites de solubilité du terbium dans une matrice vitreuse est explorée. Elle consiste en l'élaboration de verre par lévitation aérodynamique permettant d'éliminer la cristallisation induite par l'interface liquide-creuset. Des compositions binaires 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ et 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ en mol.% sont explorés et des constantes de Verdet respectives de -152 et -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ à 632 nm sont rapportées. L'exploration de compositions binaires permet également de mettre en évidence l'influence de la matrice sur l'effet Faraday. Enfin, la dernière approche vise à obtenir une fibre optique de silice à partir du procédé MCVD fonctionnalisée par l'incorporation de nanoparticules de Tb₂O₃. L'optimisation de la dispersion ex-situ de nanoparticules via le système MCVD a permis d'obtenir 4 km de fibre optique présentant une concentration de 0,1 at.% en terbium dans le cœur. Cette fibre de silice présente une constante de Verdet à 660 nm de -7,06 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour une atténuation variant de 1,34 à 0,13 dB.m⁻¹ de 700 à 1100 nm. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour une fibre de silice élaboré par MCVD. / The development of magneto-optical glassy materials with a high Faraday effect meets a growing need in the Faraday insulator industry. Those currently on the market are single crystals of Tb₃Ga₅O₁₂ with a high concentration of Tb and an expensive fabrication process. In this sense, the objective of this thesis is to realize glasses and optical fibers highly concentrated in terbium. The first approach is based on the so-called "conventional" elaboration of glass by the melt-quenching method. Fluorophosphate glasses following the composition law (100-x)(70 NaPO₃ - 30 BaF₂) x TbF₃ with x = 35, 40, 45 and 50 mol.% have been explored and allowed to obtain a bulk glass presenting a Verdet constant at 650 nm of -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the optimal composition with x = 50 mol.% in TbF₃. This value of Verdet constant is the highest reported for a fluorophosphate glass. Then, the second approach consists in amplifying the magneto-optical response of terbium by associating it with another rare-earth via co-doping. From the composition of the co-doped glasses following the composition (in mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ x REF₃) with substitution levels x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 and 100 where RE = Pr, Dy and Ho were explored. Verdet constants at 600 nm of -84.2, -84.5 and -84.5 rad.T⁻¹.m⁻¹ were reported for the glasses co-doped with praseodymium, holmium and dysprosium respectively compared to a Verdet constant of -81.9 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the corresponding non-co-doped glass. To our knowledge, this is the first demonstration of the enhancement of the Faraday effect by co-doping in glassy materials. The influence of the geometry of the lanthanide ion environment on the effect associated with co-doping was carried out in glass-ceramics developed from co-doped glasses of composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) with x = 0, 1, 2, 3, 4 and 5. This resulted in an increase in Faraday effect by co-doping of 7.5% for a crystalline matrix compared to an increase of 3.7% in a glassy matrix. The super exchange interaction associated with co-doping is then optimized in the context of a crystalline environment due to the better associated orbital overlap. An "unconventional" approach to overcome the solubility limits of terbium in a glass matrix is explored. It consists in the elaboration of glass by aerodynamic levitation allowing to eliminate the crystallization induced by the liquid-crucible interface. Binary compositions 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ and 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ in mol.% are explored and respective Verdet constants of -152 and -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ at 632 nm are reported. The exploration of binary compositions also allows to highlight the influence of the matrix on the Faraday effect. Finally, the last approach aims at obtaining a silica optical fiber, from the MCVD process, functionalized by the incorporation of Tb₂O₃ nanoparticles. The optimization of the ex-situ dispersion of nanoparticles via the MCVD system allowed to obtain 4 km of optical fiber with a concentration of 0.1 at.% of terbium in the core. This silica fiber presents a Verdet constant at 660 nm of -7.06 rad.T⁻¹.m⁻¹ for an attenuation varying from 1.34 to 0.13 dB.m⁻¹ from 700 to 1100 nm. This value of Verdet constant is the highest reported for a silica fiber processed by MCVD.

Un des défis majeurs en neurosciences est d’acquérir des images de neurones profondément dans le cerveau tout en gardant un champ de vue raisonnable et en causant le moins de dommage possible au tissu. Le premier projet décrit dans ce mémoire consiste en un système endoscopique à balayage laser. En utilisant des composantes micro-optique au bout d’une fibre monomode de 125 µm de diamètre, un laser vient être focalisé sur le côté de cette fibre à environ 60 µm de celle-ci. Un micro capillaire de verre de 250 µm de diamètre externe et 150 µm de diamètre interne sert de guide pour cette fibre dans l’échantillon. Le point focal possède un diamètre entre 2 et 3 µm et peut être balayé sur une même ligne horizontale à une vitesse de 30 Hz et sur un angle de 90o par un système construit spécialement pour suivre la géométrie cylindrique de l’endoscope. Un actuateur piezoélectrique déplace la fibre verticalement avec une résolution microscopique sur un intervalle de 400 µm pour compléter une image cylindrique. Le fait de collecter le signal de fluorescence sur le côté de la fibre facilite son utilisation lors de l’acquisition et permet d’acquérir des images sur des zones non affectées par la chirurgie. De plus, le champ de vue du système est contrôlé par l’angle de balayage et la translation verticale de la fibre, donc complètement indépendant du diamètre de celle-ci. En utilisant des longueurs de fibres à gradient d’indice différentes, il est également possible de modifier le champ de vue du système, sans modifier son diamètre. Il a été possible avec ce système d’acquérir des images de microglies dans le mésencéphale d’une souris CX3CR1-GFP. Le système est prêt à être utilisé pour de l’imagerie calcique sur une ligne de pixel. L’imagerie de cerveaux entiers peut révéler une panoplie d’informations permettant de mieux comprendre le développement neuronal à l’échelle microscopique, mais également macroscopique. De plus, visualiser le cerveau comme un tout permet de mieux conceptualiser comment différentes maladies l’affectent dans son ensemble plutôt que de s’intéresser qu’à certaines structures spécifiques. En ce moment, il existe deux défis quant à l’imagerie de cerveau de souris complet : 1) le temps d’acquisition souvent très long (plusieurs heures) et 2) la création d’une grande quantité de données qui requiert une gestion ordonnée et spécifique pour ce genre d’application. Pour pallier à ces défis, on présente dans ce mémoire un système d’imagerie volumétrique à excitation 1-photon ayant une résolution raisonnable, capable d’acquérir un cerveau de souris entier avec sectionnement optique en quelques minutes. Il s’agit d’une combinaison entre un système à grand champ et l’algorithme HiLo. Le champ de vue est ... / Imaging cells and axons in deep brain with minimal damage while keeping a sizable field of view remains a challenge, because it is difficult to optimize one without sacrificing the other. We propose a scanning method reminiscent of laser scanning microscopy to get a reasonable field of view with minimal damage deep in the brain. By using micro-optics at the tip of our 125 µm-diameter singlemode fiber inside a 250 µm capillary, we can create a focal spot on the side of the fiber at a distance of approximately 60 µm. The focal spot has a 2 µm diameter and can be scanned at up to 30 hertz by a custom scanning device over a 90 degree angular sweep on a single line. A piezoelectric actuator moves up and down the fiber to achieve a cylindrical scanning pattern. By having this side illumination, there is no need for surgical exposure of the tissue, making our method simple and easy to achieve. The field of view is controlled by the angular and vertical sweeps, unrelated to the fiber diameter. Furthermore, by modifying the length of the grin lens, we could directly increase or decrease the field of view of our optical system, without any change on the probe diameter. We have succeeded in imaging microglia in the midbrain of a CX3CR1-GFP mouse. The system is also ready for calcium imaging on single pixel lines. Imaging whole mouse brains can provide a wealth of information for understanding neuronal development at both the microscopic and macroscopic scale. Furthermore, visualizing entire brain samples allow us to better conceptualize how different diseases affect the brain as a whole, rather than only investigating a certain structure. Currently, two main challenges exist in achieving whole mouse brain imaging: 1) Long image acquisition sessions (on the order of several hours) and 2) Big data creation and management due to the large, high-resolution image volumes created. To overcome these challenges, we present a fast 1-photon system with a slightly decreased resolution allowing whole brain, optically sectioned imaging on the order of minutes by using a mathematical algorithm termed “HiLo”. Our large field of view (25 mm2 ) allows us to see an entire newborn mouse brain in a single snapshot with a resolution of about 2 µm in lateral direction and 4 µm in axial direction. This resolution still allows visualization of cells and some large axonal projections. This technological advancement will first and foremost allow us to rapidly image large volume samples and store them in a smaller format without losing the integral information, which is mainly stained-cell quantity and location. Secondly, the design will allow for increased successful high-resolution imaging by screening ...

Le développement de matériaux vitreux magnéto-optiques présentant un effet Faraday élevé répond à un besoin grandissant dans l'industrie des isolateurs de Faraday. Ceux présent sur le marché actuellement sont des monocristaux de Tb₃Ga₅O₁₂ avec une concentration en Tb élevée et un procédé de fabrication coûteux. Dans ce sens, l'objectif de cette thèse est de réaliser des verres et fibres optiques fortement concentrés en terbium. La première approche est basée sur l'élaboration dite « conventionnelle » de verre par la méthode fusion-trempe. Des verres de fluorophosphate suivant la loi de composition (100-x)(70 NaPO₃ ­ 30 BaF₂) x TbF₃ avec x = 35, 40, 45 et 50 mol.% ont été explorés et a permis l'obtention de verre massif présentant une constante de Verdet à 650 nm de -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour la composition optimale avec x = 50 mol.% en TbF₃. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour un verre de fluorophosphate. Ensuite, la seconde approche consiste à amplifier la réponse magnéto-optique du terbium en l'associant à une autre terre-rare via le co-dopage. À partir de la composition des verres co-dopés suivant la composition (en mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x REF₃) avec les niveaux de substitution x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 et 100 où RE = Pr, Dy et Ho ont été explorés. Des constantes de verdet à 600 nm de -84,2, -84,5 et -84,5 rad.T⁻¹.m⁻¹ ont été rapportées pour les verres co-dopés respectivement avec du praséodyme, de l'holmium et du dysprosium comparativement à une constante de Verdet de -81,9 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour le verre correspondant non co-dopé. Il s'agit à notre connaissance de la première démonstration de l'augmentation de l'effet Faraday par co-dopage dans des matériaux vitreux. L'influence de la géométrie de l'environnement des ions lanthanides sur l'effet associé au co-dopage a été réalisée dans des vitrocéramiques élaborées à partir des verres co-dopés de composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) avec x = 0, 1, 2, 3, 4 et 5. Ceci a permis d'observer une augmentation de l'effet Faraday par co-dopage de 7,5% pour une matrice cristalline comparativement à une augmentation de 3,7% dans une matrice vitreuse. L'interaction de super-échange associé au co-dopage est alors optimisée dans le cadre d'un environnement cristallin en raison du meilleur recouvrement orbitalaire associé. Une approche « non-conventionnelle » pour outrepasser les limites de solubilité du terbium dans une matrice vitreuse est explorée. Elle consiste en l'élaboration de verre par lévitation aérodynamique permettant d'éliminer la cristallisation induite par l'interface liquide-creuset. Des compositions binaires 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ et 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ en mol.% sont explorés et des constantes de Verdet respectives de -152 et -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ à 632 nm sont rapportées. L'exploration de compositions binaires permet également de mettre en évidence l'influence de la matrice sur l'effet Faraday. Enfin, la dernière approche vise à obtenir une fibre optique de silice à partir du procédé MCVD fonctionnalisée par l'incorporation de nanoparticules de Tb₂O₃. L'optimisation de la dispersion ex-situ de nanoparticules via le système MCVD a permis d'obtenir 4 km de fibre optique présentant une concentration de 0,1 at.% en terbium dans le cœur. Cette fibre de silice présente une constante de Verdet à 660 nm de -7,06 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour une atténuation variant de 1,34 à 0,13 dB.m⁻¹ de 700 à 1100 nm. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour une fibre de silice élaboré par MCVD. / The development of magneto-optical glassy materials with a high Faraday effect meets a growing need in the Faraday insulator industry. Those currently on the market are single crystals of Tb₃Ga₅O₁₂ with a high concentration of Tb and an expensive fabrication process. In this sense, the objective of this thesis is to realize glasses and optical fibers highly concentrated in terbium. The first approach is based on the so-called "conventional" elaboration of glass by the melt-quenching method. Fluorophosphate glasses following the composition law (100-x)(70 NaPO₃ - 30 BaF₂) x TbF₃ with x = 35, 40, 45 and 50 mol.% have been explored and allowed to obtain a bulk glass presenting a Verdet constant at 650 nm of -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the optimal composition with x = 50 mol.% in TbF₃. This value of Verdet constant is the highest reported for a fluorophosphate glass. Then, the second approach consists in amplifying the magneto-optical response of terbium by associating it with another rare-earth via co-doping. From the composition of the co-doped glasses following the composition (in mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ x REF₃) with substitution levels x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 and 100 where RE = Pr, Dy and Ho were explored. Verdet constants at 600 nm of -84.2, -84.5 and -84.5 rad.T⁻¹.m⁻¹ were reported for the glasses co-doped with praseodymium, holmium and dysprosium respectively compared to a Verdet constant of -81.9 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the corresponding non-co-doped glass. To our knowledge, this is the first demonstration of the enhancement of the Faraday effect by co-doping in glassy materials. The influence of the geometry of the lanthanide ion environment on the effect associated with co-doping was carried out in glass-ceramics developed from co-doped glasses of composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) with x = 0, 1, 2, 3, 4 and 5. This resulted in an increase in Faraday effect by co-doping of 7.5% for a crystalline matrix compared to an increase of 3.7% in a glassy matrix. The super exchange interaction associated with co-doping is then optimized in the context of a crystalline environment due to the better associated orbital overlap. An "unconventional" approach to overcome the solubility limits of terbium in a glass matrix is explored. It consists in the elaboration of glass by aerodynamic levitation allowing to eliminate the crystallization induced by the liquid-crucible interface. Binary compositions 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ and 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ in mol.% are explored and respective Verdet constants of -152 and -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ at 632 nm are reported. The exploration of binary compositions also allows to highlight the influence of the matrix on the Faraday effect. Finally, the last approach aims at obtaining a silica optical fiber, from the MCVD process, functionalized by the incorporation of Tb₂O₃ nanoparticles. The optimization of the ex-situ dispersion of nanoparticles via the MCVD system allowed to obtain 4 km of optical fiber with a concentration of 0.1 at.% of terbium in the core. This silica fiber presents a Verdet constant at 660 nm of -7.06 rad.T⁻¹.m⁻¹ for an attenuation varying from 1.34 to 0.13 dB.m⁻¹ from 700 to 1100 nm. This value of Verdet constant is the highest reported for a silica fiber processed by MCVD.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017 / L’utilisation de fibres multifonctionnelles pour le transport simultané de la lumière et du courant électrique est une alternative de plus en plus attrayante dans le domaine de l’optogénétique en électrophysiologie où l’excitation lumineuse des cellules nerveuses permet de générer un signal électrique qui peut être enregistré. Ce transport simultané offre l’avantage de pouvoir s’affranchir de la «patch-clamp» pour l’enregistrement électrique, rendant ainsi la méthode plus pratique. La majorité des fibres multifonctionnelles développées dans ce domaine ont de larges diamètres, ce qui ne permet pas de sonder de petits groupes de cellules ou des cellules uniques dont la taille avoisine 10 μm. À cet égard, utiliser une fibre optique avec une géométrie de type «taper» représente une voie prometteuse pour surmonter cette limitation (Fig 1.1). En effet, le cœur optique de l’extrémité d’une fibre «taper» se distingue par son petit diamètre de l’ordre de 10 μm par rapport au reste de la fibre dont le diamètre peut être de 20 à 60 fois plus large afin de faciliter la connexion à la source lumineuse. Dans cette thèse, nous avons développé des verres et des fibres optiques conduisant l’électricité basés sur le système vitreux AgI-AgPO3-WO3. Un large domaine vitreux a été mis en évidence, permettant la préparation de plusieurs verres de compositions différentes. Dans ce système vitreux, le transport du courant est assuré par les ions d’argent via un mécanisme de conduction ionique qui varie en fonction de la température. Par ailleurs, le verre offre une fenêtre de transmission dans le visible et le proche infrarouge dont la largeur est fortement influencée par l’interaction entre l’AgI et l’oxyde de tungstène WO3. En outre, le WO3 permet d’augmenter la durabilité chimique du verre. Ces verres peuvent être transformés aisément en fibre optique présentant des conductivités de l’ordre 10-1 S·cm-1 à température ambiante et à basses fréquences (1 Hz - 10 kHz). Ces fibres offrent une bonne transmission dans le proche infrarouge, mais faible dans le bleu qui est la lumière la plus utilisée en optogénétique. Aussi, des fibres composites à base de polymères avec différentes configurations géométriques ont été développées afin de permettre la transmission de la lumière bleue grâce au couple polycarbonnate/polymethacrylate de méthyl et la conduction électrique grâce au verre AgI-AgPO3-WO3. Enfin, des fibres composites de type «taper» ont été produites et caractérisées pour des applications dans le domaine de l’optogénétique en électrophysiologie. / The use of multifunctional fibers for simultaneous light guiding and electrical transport is an increasingly attractive alternative in the field of optogenetic in electrophysiology where light excitation of nerve cells generates an electrical signal that can be recorded. This simultaneous transport offers the advantage to get rid of the patch-clamp for electrical recording, making the method more practical. The majority of multifunctional fibers developed in this area have large diameters, which does not allow the probing of small group of cells or single cell whose size is around 10 μm. In this regard, using an optical fiber with a taper tipped geometry represents a powerful approach to overcome this limitation (Figure 1.1). The optical core of a taper fiber end is characterized by its small diameter of the order of 10 μm relative to the rest of the fiber whose diameter can be 20 to 60 times larger to facilitate the connection with the light source. In this thesis, we have developed glasses and optical fibers that conduct electricity based on the AgI-AgPO3-WO3 glass system. A large glass domain has been demonstrated, enabling the fabrication of several glasses of different compositions. In this glass system, the electrical transport is ensured by the silver ions via an ionic conduction mechanism that varies with temperature. Moreover, the glass has a transmission window in the visible and the near infrared which is strongly influenced by the interaction between the AgI and tungsten oxide WO3. In addition, the WO3 can increase the chemical durability of the glass. These glasses can be easily stretched in optical fiber with electrical conductivity in the order of 10-1 S· cm-1 at room temperature and low frequencies. These fibers offer high transmission in the near infrared, but low transmission in the blue which is the most used light in optogenetics. To overcome this issue, composite fibers based on polymers with different geometric configurations were developed. The transmission of the blue light is provided by the polycarbonnate/polymethylmethacrylate duo and the electric transport by the AgI-AgPO3-WO3 glass. Finally, the composite fibers were transformed into taper tipped fibers and were characterized for applications the field of optogenetics.

Une des principales limitations du positionnement GPS est que la composante verticale est généralement 2 à 3 fois moins précise que la composante horizontale. Pour des applications de haute précision, il est possible d'atteindre, par méthode GPS en mode relatif, des précisions de l'ordre de quelques millimètres en composante horizontale mais non pas en composante verticale. Cependant, plusieurs applications, telles que l'auscultation de structures d'ingénierie, exigent une précision similaire tant en horizontal qu'en vertical. Par simulations, il a été démontré par (Santerre & Beutler, 1993), qu'il est possible d'améliorer la précision du positionnement vertical en utilisant un récepteur à antennes multiples et un calibrage précis du délai de propagation relatif dans les câbles et circuits électroniques séparant les antennes du récepteur. Cependant, aucune implementation n'avait été faite à ce jour pour prouver le concept. L'objectif principal de ce travail de recherche a donc été de concevoir et d'implémenter un tel système et de démontrer qu'il permet une nette amélioration dans la précision du positionnement vertical. Pour ce faire, le défi principal a été de développer un système permettant simultanément le transport des signaux GPS sur fibres optiques et le calibrage précis du délai de propagation relatif entre ces mêmes fibres en temps réel. Une fois le premier prototype complété et testé, des expériences réalisées sur une poutrelle de calibrage utilisée comme ligne de base de référence démontrent qu'avec le prototype et le système de traitement des données proposé, une nette amélioration dans la précision du positionnement vertical a été observée. Tel que prévu par la théorie et les simulations, une amélioration d'un facteur 2 à 3 a été atteint, permettant ainsi d'obtenir la même précision dans la composante verticale que dans la composante horizontale. Ces résultats, qui représentent une percée importante dans le positionnement GPS de haute précision, permettent ainsi d'envisager le déploiement de ce type de systèmes dans des applications réelles où la même précision dans toutes les composantes tridimensionnelles est essentielle mais n'avait pas pu être atteinte auparavant par positionnement relatif GPS.

Le multiplexage par division de mode (MDM) a reçu une attention considérable de la part des chercheurs au cours des dernières années. La principale motivation derrière l'utilisation de différents modes de fibre optique est d'augmenter la capacité des réseaux de transport. Les expériences initiales ont montré une grande complexité dans le traitement de signal (DSP) du récepteur. Dans cette thèse, nous étudions la viabilité et les défis de la transmission de données sur des fibres à quelques modes (FMF) pour des systèmes MDM à complexité de DSP réduite. Nos études comprennent à la fois une transmission de données cohérente et non cohérente. Dans notre première contribution, nous démontrons, pour la première fois, la transmission de données sur 4 canaux dans une nouvelle fibre OAM sans démultiplexage de polarisation optique. Nous utilisons une complexité de DSP réduite: deux jeux d'égaliseurs MIMO (multiple-input multiple-output) 2 × 2 au lieu d'un bloc égaliseur MIMO 4 × 4 complet. Nous proposons un nouveau démultiplexeur de mode permettant de recevoir simultanément deux polarisations d'un mode et de réaliser électriquement un démultiplexage de polarisation dans le récepteur DSP. Nous étudions également la pénalité OSNR due aux imperfections dans le démultiplexeur de mode et nous examinons la vitesse de transmission maximum accessible pour notre système. Dans notre deuxième contribution, nous étudions les dégradations modales dans les systèmes OAM-MDM, en nous concentrant sur leur effet sur la performance et la complexité du récepteur. Dans notre étude expérimentale, nous discutons pour la première fois de l'impact de deux modes non porteurs de données sur les canaux de données véhiculés par les modes OAM. Deux types différents de fibres OAM sont étudiés. Nous caractérisons notre liaison MDM en utilisant les techniques de mesure du temps de vol et de réponse impulsionnelle. Nous discutons des conclusions des résultats de caractérisation en étudiant l'impact des interactions modales sur la complexité de l'égaliseur du récepteur pour différents scénarios de transmission de données. Dans le troisième chapitre, nous étudions un nouveau FMF à maintien de polarisation et conduisons deux séries d'expériences de transmission de données cohérentes et de radio sur fibre (RoF). Nous démontrons pour la première fois, la transmission de données sans MIMO sur six et quatre canaux dans les systèmes cohérents et RoF, respectivement. Nous démontrons également, pour la première fois, la transmission de données RoF sur deux polarisations d'un mode dans une FMF. Nous discutons de la dégradation des performances due à la diaphonie dans de tels systèmes. Nous étudions également l'impact de la courbure sur cette fibre dans un contexte de RoF. La propriété de maintien de polarisation de cette fibre sous courbure est étudiée à la fois par des expériences de caractérisation et de transmission de données. / Mode division multiplexing (MDM) has received extensive attention by researchers in the last few years. The main motivation behind using different modes of optical fiber is to increase the capacity of transport networks. Initial experiments showed high complexity in DSP of the receiver. In this thesis, we investigate the viability and challenges for data transmission over specially designed few mode fibers (FMF) for MDM systems with reduced DSP. Our studies include both coherent and non-coherent data transmission. In our first contribution, we demonstrate, for the first time, data transmission over 4 channels in a novel OAM fiber without optical polarization demultiplexing. We use reduced DSP complexity: two sets of 2×2 multiple-input multiple-output (MIMO) equalizers instead of a full 4×4 MIMO equalizer block. We propose a novel mode demultiplexer enabling us to receive two polarizations of a mode simultaneously and conducting polarization demultiplexing electrically in receiver DSP. We also investigate the OSNR penalty due to imperfections in the mode demultiplexer and we examine the maximum reachable baud rate for our system. In our second contribution, we study the modal impairments in OAM-MDM systems, focusing on their effect on receiver performance and complexity. In our experimental study, for the first time, we discuss the impact of two non-data carrying modes on data channels carried by OAM modes. Two different types of OAM fibers are studied. We characterize our MDM link using time-of-flight and impulse response measurement techniques. We discuss conclusions from characterization results with studies of the impact of modal interactions on receiver equalizer complexity for different data transmission scenarios . In the third contribution, we study a novel polarization-maintaining FMF and conduct two sets of coherent data transmission and non-coherent radio over fiber (RoF) experiments. We demonstrate for the first time, MIMO –Free data transmission over six and four channels in coherent and RoF systems, respectively. We also demonstrate, for the first time, RoF data transmission over two polarizations of a mode in a FMF. We discuss the performance degradation due to crosstalk in such systems. We also study the impact of bending on this fiber in RoF context. The polarization maintaining property of this fiber under bending is studied both via characterization and data transmission experiments.

Ce mémoire porte sur la génération de supercontinuum (SC) dans l’infrarouge moyen (mid-IR) à partir de fibres optiques à saut d’indice en vue d’aider l’innovation de la prochaine génération de systèmes lasers spectroscopiques autant en télédétection qu’en microscopie. Une revue exhaustive de littérature ainsi qu’une explication des bases théoriques de la génération de SC mid-IR sont présentées. Deux résultats d’impact ont été obtenus au cours des travaux. D’abord, le premier SC de type cascade s’étalant jusqu’à 8 μm a été démontré, et ce via une fibre optique d’AsSe monomode par un pompage d’impulsions picosecondes amplifiées. Ensuite, le premier SC atteignant une puissance moyenne de l’ordre du watt a été démontrée dans une fibre d’AsSe/AsS. Ce dernier résultat a été possible grâce au développement d’un laser à fibre ultrarapide amplifié émettant des impulsions hautement énergétiques à 3.6 μm et, aussi, à la déposition d’une couche mince antireflet d’Al2O3. / Ce mémoire porte sur la génération de supercontinuum (SC) dans l’infrarouge moyen (mid-IR) à partir de fibres optiques à saut d’indice en vue d’aider l’innovation de la prochaine génération de systèmes lasers spectroscopiques autant en télédétection qu’en microscopie. Une revue exhaustive de littérature ainsi qu’une explication des bases théoriques de la génération de SC mid-IR sont présentées. Deux résultats d’impact ont été obtenus au cours des travaux. D’abord, le premier SC de type cascade s’étalant jusqu’à 8 μm a été démontré, et ce via une fibre optique d’AsSe monomode par un pompage d’impulsions picosecondes amplifiées. Ensuite, le premier SC atteignant une puissance moyenne de l’ordre du watt a été démontrée dans une fibre d’AsSe/AsS. Ce dernier résultat a été possible grâce au développement d’un laser à fibre ultrarapide amplifié émettant des impulsions hautement énergétiques à 3.6 μm et, aussi, à la déposition d’une couche mince antireflet d’Al2O3. / This thesis focuses on the generation of supercontinuum (SC) in the mid-infrared (mid- IR) from step-index optical fiber in order to help the next generation of spectroscopic laser systems in both remote sensing and micro-spectroscopy applications. A comprehensive review of the literature as well as an explanation of the theoretical basis of mid-IR SC generation is presented. Two impact results were obtained during the master. First, the first cascaded SC up to 8 μm was demonstrated via a single-mode AsSe optical fiber by pumping with amplified picosecond pulses. Then, the first SC reaching an average power in the watt-level was demonstrated in an AsSe fiber, thanks to the amplified femtosecond fiber laser emitting high energy pulses at 3.6 μm and the deposition of a Al2O3 anti-reflection coatings. / This thesis focuses on the generation of supercontinuum (SC) in the mid-infrared (mid- IR) from step-index optical fiber in order to help the next generation of spectroscopic laser systems in both remote sensing and micro-spectroscopy applications. A comprehensive review of the literature as well as an explanation of the theoretical basis of mid-IR SC generation is presented. Two impact results were obtained during the master. First, the first cascaded SC up to 8 μm was demonstrated via a single-mode AsSe optical fiber by pumping with amplified picosecond pulses. Then, the first SC reaching an average power in the watt-level was demonstrated in an AsSe fiber, thanks to the amplified femtosecond fiber laser emitting high energy pulses at 3.6 μm and the deposition of a Al2O3 anti-reflection coatings.

Cette thèse porte sur le développement et la caractérisation d’une matrice 2D de détecteurs à fibres scintillantes plastiques pour la dosimétrie des faisceaux de photons d’énergie mégavoltage utilisés en radiothérapie. Les propriétés visées lors de la conception du détecteur matriciel furent la justesse, l’équivalence à l’eau, une bonne résolution spatiale, un nombre élevé de détecteurs, et une lecture à haute fréquence des doses déposées. La première partie de cette thèse fut consacrée à améliorer la justesse de la méthode spectrale utilisée pour corriger l’effet Cerenkov. Deux procédures aptes à extraire de façon juste les coefficients d’étalonnage ont été développées. Les résultats ont montré que cette méthode peut corriger l’effet Cerenkov avec une justesse de 1%. La seconde partie de cette thèse fut consacrée à la conception, la réalisation et la validation d’un détecteur matriciel composé de 781 dosimètres insérés dans un fantôme eau-équivalent. Un système optique a aussi été développé. Il fut déterminé qu’en moyenne, l’écart-type des mesures est inférieure à 1 % pour les doses supérieures à 6.3 cGy. Il fut aussi démontré que les distributions de dose ne sont pas perturbées (à +/- 1.1 %) par la présence des dosimètres à l’intérieur du fantôme. La caractérisation de la dépendance angulaire a révélée que les incidences des faisceaux ont peu d’impact sur la justesse des mesures. Le détecteur matriciel a aussi été validé dans le contexte de la radiothérapie à intensité modulée (IMRT). Onze plans de traitement ont été mesurés et les résultats ont montré d’excellents accords avec les doses calculées à l’aide d’algorithmes convolution-superposition ou mesurées avec des films radiochromiques. La sensibilité et la spécificité du détecteur matriciel aux erreurs de position d’une lame et d’un banc de lame d’un collimateur multi-lames (MLC) ont été déterminées en appliquant la théorie de détection du signal. Cette étude conclut que les dosimètres à fibres scintillantes plastiques pourraient permettre d’améliorer la qualité de la dosimétrie en IMRT, en raison de leurs avantages par rapport aux autres dosimètres, tels que l’équivalence à l’eau, une haute résolution spatiale, la lecture à haute fréquence, et une très faible dépendance angulaire. / This thesis deals with the development and characterization of a 2D array of plastic scintillation detectors for the dosimetry of megavoltage energy photon beams used in radiation therapy. The characteristics sought with the detector array are accuracy, water-equivalence, a good spatial resolution, a large number of detectors and a high frequency readout of the doses deposited. The first part of this thesis is devoted to the improvement of the accuracy of the spectral method used to correct the Cerenkov effect. A study has determined the optimal attenuation characteristics for the optical fibers and two procedures able to accurately extract the calibration coefficients were developed. Measurements performed in various situations showed that this method can correct the Cerenkov effect with an accuracy of 1 %. The second part of this thesis relates to the design, realization and validation of a detector array consisting of 781 plastic scintillation detectors inserted vertically into a plane of a water-equivalent phantom. An novel optical system was also designed. It was determined that, on average, the standard deviation of measurements is smaller than 1 % for doses deposited greater than 6.3 cGy. It was also demonstrated that the dose distributions are not perturbed (within +/- 1.1 %) by the presence of the detectors inside the phantom. The characterization of the angular dependence showed that the incidences of radiation beams have very little effect on the accuracy of measurements. The detector array was also validated in the context of intensity-modulated radiation therapy (IMRT). Eleven treatment plans were measured and the results showed excellent agreements with dose distributions calculated with convolution-superposition algorithms or measured with radiochromic films. The sensitivity and specificity of the detector array to position errors of one leaf and one leaf bank of a multileaf collimator (MLC) were also determined by applying the principles of signal detection theory. The study concluded that plastic scintillation detectors could allow improving the quality of dosimetry in IMRT, due to their advantages compared to other dosimeters, such as water-equivalence, high frequency readout, high spatial resolution and a very low angular dependence.

Le domaine des communications par fibres optiques est actuellement caractérisé par une augmentation de la demande en terme de capacité de transmission. On cherche à transmettre de plus en plus de données et de nouvelles applications voient le jour. Il persiste toutefois certaines limitations, comme les effets dispersifs, qui dégradent les performances des transmissions. Parmis ces effets, la Dispersion de Mode de Polarisation (PMD) est un élargissement temporel des signaux lié à la dépendance de la vitesse de groupe à la polarisation. Il existe deux approches pour s'affranchir des effets de la PMD. La première consiste à la compenser en ligne. La seconde approche, que nous avons abordée dans cette thèse, consiste à obtenir des faibles PMD en intervenant au niveau du processus de fabrication de la fibre. La première étape de notre travail a consisté à modéliser la biréfringence, phénomène à l'origine de la PMD. Nous avons mis en valeur l'impact non négligeable sur la biréfringence des contraintes mécaniques engendrées dans la fibre lors de la fabrication. La seconde étape a concerné l'étude de l'effet d'une rotation périodique de la fibre sur la PMD. Nous avons montré que lorsque cette rotation est triangulaire, la réduction de la PMD est importante. Enfin, dans un troisième temps, nous avons utilisé deux méthodes de mesure, afin de caractériser la biréfringence et la rotation de la fibre. Cela nous a permis d'apporter certains éléments de validation aux résultats obtenus dans les deux premières parties. De cette étude, nous avons dégagé des règles simples qui nous ont permis de réduire la PMD des fibres à fortes biréfringences.