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Since the invention of Laser (in 1960) and low loss optical fiber (in 1966) [1], extensive research in fiber-optic sensing technology has made it a well-defined and matured field [1]. The measurement of physical parameters (such as temperature and pressure) in extremely harsh environment is one of the most intriguing challenges of this field, and is highly valued in the automobile industry, aerospace research, industrial process monitoring, etc. [2]. Although the semiconductor based sensors can operate at around 500oC, sapphire fiber sensors were demonstrated at even higher temperatures [3]. In this research, a novel sensor structure is proposed that can measure both pressure and temperature simultaneously. This work effort consists of design, fabrication, calibration, and laboratory testing of a novel structured temperature compensated pressure sensor. The aim of this research is to demonstrate an accurate temperature measurement, and pressure measurement using a composite Fabry-Perot interferometer. One interferometer measures the temperature and the other accurately measures pressure after temperature compensation using the temperature data from the first sensor. / Master of Science

The effects of geometry parameters of graded-index polymer optical fiber (GI-POF) components on the coupling efficiency and signal mixed proportion are studied in this thesis. Simulation and experimental approaches are used to investigate the effects of light sources on the coupling efficiency of misalighment, Y-couplers and V-groove couplers. Two different light sources are employed in this study: Laser diode (LD) and vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). The optimum coupling angle and refractive index of filler in the Y-coupler are studied with a light-emitting diode (LED) light source. A good agreement between the simulation and the experiment results is shown in this work. Furthermore, two V-groove array arrangements, i.e. the parallel V-groove array and the skew V-groove array, are proposed in this study to mix multi-light-sources. The optimum parameters of V-groove are designed to achieve the highest coupling efficiency. The performances of different V-groove array arrangements have also been demonstrated for multi-signal mixing.

Les matériaux artificiellement structurés que sont les cristaux photoniques sont couramment utilisés pour leurs propriétés dispersives. Leur constante diélectrique varie périodiquement à l'échelle de la longueur d'onde selon deux ou trois directions avec un contraste d'indice suffisamment élevé. La relation de dispersion ω = ω(k) qui résulte de cette variation périodique a la forme d'une structure de bande à l'intérieur de laquelle il existe des bandes interdites photoniques où la propagation du champ électromagnétique est interdite. En dehors de ces bandes, i.e. dans les bandes photoniques, se trouvent les propriétés de dispersion des cristaux photoniques.Le but de ce travail de thèse est de concevoir, de fabriquer et de caractériser des dispositifs à cristal photonique à gradient. Ces dispositifs ont été conçus de façon à s'appliquer dans les domaines allant des micro-ondes à l'optique. Nous avons conçu des dispositifs à partir de cristaux photoniques dont les propriétés dispersives les rendent analogues à des milieux linéaires, homogènes et isotropes (LHI). À la maille élémentaire de ces cristaux photoniques LHI, nous avons appliqué un gradient pour réaliser des lentilles à gradient 1D. Des résultats importants concernant la conception, la fabrication et la caractérisation expérimentale d'une lentille plate à gradient d'indice fonctionnant dans la bande X des micro-ondes sont reportés. Celle lentille focalise une onde plane incidente et collimate l'onde émise par une source ponctuelle situés dans son plan focal. Si cette lentille constitue en soi un démonstrateur et valide la démarche mise en œuvre pour la concevoir, ses applications potentielles concernent particulièrement les antennes. Nous réalisons également plusieurs lentilles à gradient 2D dont des lentilles de Lüneburg et Half Maxwell Fisheye; leurs applications aux antennes sont importantes. Nous nous intéressons aussi à la réalisation de lentilles optiques à gradient d'indice dites « SELFOC® ». Dans le but de confirmer les propriétés dispersives remarquables qui ont été mises en évidence, nous avons poursuivi dans ce sens en revisitant une expérience classique qui met en évidence l'existence des ondes évanescentes : celle du « double prisme à angle droit ». Nous mettons également en évidence le phénomène de « réflexion totale frustrée » ainsi que le décalage, découvert par Goos et Hänchen, que subit l'onde réfléchie sur le dioptre. Ce sont ces deux points — réflexion totale frustrée et effet Goos-Hänchen — que nous vérifions dans le cas de cristaux photoniques LHI. / Artificially structured materials that are photonic crystals are commonly used for their dispersive properties. Their dielectric constant varies periodically across the wavelength in two or three directions with a sufficiently high index contrast. The resulting dispersion relation ω = ω(k) of the periodic variation has the form of a band structure within which there are photonic bandgaps in which the propagation of the electromagnetic field is prohibited. Outside of these bands, i.e. in the photonic band, there are the dispersion properties of the photonic crystals.The aim of this thesis is to design, fabricate and characterize graded photonic crystal devices. These devices were designed to be applied in areas ranging from microwaves to optics. We designed devices from photonic crystals with dispersive properties which make them similar to linear, homogeneous and isotropic media (LHI). In the unit cell of the LHI photonic crystal, we applied a gradient to achieve 1D graded lenses. Important results regarding the design, manufacturing and experimental characterization of a flat lens GRIN operating in X-band microwaves are deferred. This lens focuses an incident plane wave and collimates the wave emitted by a point source located in its focal plane. If this lens is itself a demonstrator and validates the approach implemented for the design, its potential applications particularly concern antennas. We also carry several 2D graded lenses including Lüneburg and Half Maxwell Fisheye lenses; their applications to the antennas are important. We are also interested in making optical graded index lenses called "SELFOC®".In order to confirm the remarkable dispersive properties that have been identified, we continued in that direction by revisiting a classic experiment that highlights the existence of evanescent waves: the "double right angle prism". We also highlight the phenomenon of "frustrated total internal reflection" and the shift discovered by Goos and Hänchen suffered by the reflected wave on the interface. It's these two points – frustrated total internal reflection and Goos-Hänchen effect - that we check in the case of LHI photonic crystals.

Ce mémoire présente l'étude d'un capteur chimique à fibre optique à gradient d'indice inversé basé sur la résonance de plasmons de surface. Des dispositifs optiques à prisme ou mettant en jeu des fibres optiques classiques en silice utilisant cette technique de mesure sont déjà commercialisés. L'objectif de notre travail a été de caractériser théoriquement et expérimentalement un nouveau type de fibre optique permettant d'accroître les performances de ce capteur et d'en simplifier l'instrumentation. Un état de l'art des capteurs à plasmons de surface est présenté. Les structures basées sur une fibre optique (unimodale, multimodale) font l'objet d'une présentation détaillée mettant en évidence les caractéristiques des montages employés ainsi que leurs performances respectives. Nous avons cherché à déterminer le profil d'indice de réfraction du cœur de la fibre rendant les angles d'incidence à l'interface cœur-gaine quasiment égaux quels que soient les rayons se propageant dans la fibre. Ceci a été réalisé en utilisant une source lumineuse ponctuelle monochromatique positionnée dans l'axe et à une distance définie de l'entrée de la fibre. Le profil idéal présente un gradient d'indice inversé très proche d'un profil parabolique inversé pour lequel l'indice est minimal au centre du cœur de la fibre. Une description des caractéristiques de cette fibre comprenant l'étude de la propagation des rayons a été réalisée. Le phénomène de plasmon de surface est ensuite décrit, de manière générale puis ses conditions d'excitation dans la fibre employée sont étudiées. Une étude expérimentale et théorique a été menée sur les paramètres les plus influents du capteur (nature et épaisseur du métal, position de la source ...). La présentation de deux applications pratiques (détection de traces de toluène dans un milieu aqueux et étude en temps réel du mécanisme de formation d'une monocouche auto-assemblée) montre les champs d'applications du dispositif optique simple développé.

The discovery of metamaterials has led to major advances in different fields of physics including optics, microwave engineering and acoustics. Specific to theoretical electromagnetism, the introduction of metamaterials have led to the development of negative-index materials (NIMs) with simultaneous negative permittivity and negative permeability with backward-wave propagation. In recent studies, exact analytical solutions for wave propagation from a step/graded-index interface between a right-handed material (RHM) and a left-handed material (LHM) have been obtained. This study attempts to provide numerical validation of the analytical solutions obtained by Dalarsson et al. by using the simulation tool CST. An square-SRR/strip-wire unit element was designed, with real part of relative permittivity equal to -1.96 and real part of relative permeability equal to -1.01. Such unit elements were orderly structured to produce a NIM structure. Furthermore, a positive-index material (PIM) structure was produced by reversing the sign of the material properties of the NIM. Both the results for the step- and graded-index interfaces have shown to possess backward-wave propagation for a normal incidence angle. The graded-index interface profiles have a more smooth and continuous wave propagation between the materials, which counteracts the effects of discontinuous material transitions present in step-index interface profiles. However, because the results of the present study were considerably affected by unwanted field effects, the analytical solutions are only qualitatively validated, and not validated in terms of their numerical accuracy. / Upptäckten av metamaterial har lett till stora framsteg inom olika fysikområden inklusive optik, mikrovågsteknik och akustik. Specifikt för teoretisk elektromagnetism, har introduktionen av metamaterial lett till utvecklingen av negativa indexmaterial (NIM) med samtidig negativ permittivitet och negativ permeabilitet med bakåtvågsutbredning. I nyligen genomförda studier, har exakta analytiska lösningar för vågutbredning över ett steg-/graderat- indexgränssnitt mellan ett högerhänt material (RHM) och ett vänsterhänt material (LHM) erhållits. Denna studie försöker tillhanda-hålla numerisk validering, med hjälp av simuleringsverktyget CST, av de analytiska lösningar som erhållits av Dalarsson et al. En square-SRR/strip-wire enhetselement designades, med realdelen av relativ permittivitet lika med -1,96 och realdelen av relativ permeabilitet lika med -1,01. Sådana enhetselement strukturerades för att producera en materialstruktur med negativt index. Dessutom producerades en materialstruktur med positivt index (PIM) genom att vända tecknet av materialegenskaperna hos det negativa indexmaterialet (NIM). Både resultaten för steggränssnittet och det graderade indexgränssnittet har visat sig ha bakåtvågutbredning för vinkelrätt infall. De graderade indexgränssnittsprofilerna har en mer jämn och kontinuerlig vågutbredning mellan materialen, vilket motverkar effekterna av diskontinuerliga materialövergångar som finns i stegindexgränssnittsprofiler. Men eftersom resultaten av den aktuella studien påverkades avsevärt av oönskade fälteffekter, har de analytiska lösningarna validerats endast kvalitativt och valideras inte i termer av deras numeriska noggrannhet.