Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 140-144. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

L'augmentation du trafic de données met énormément de pression sur les systèmes de communications par fibre optique qui doivent répondre à la demande tout en maintenant les coûts d'opération et la consommation énergétique les plus faibles possibles. Pour palier à ce problème, une solution intéressante consiste à utiliser des interconnections optiques reconfigurables ne nécessitant peu ou pas de conversion électro-optique intermédiaire, notamment dans les centres de données. On parle ici de transparence dans les réseaux optiques. Pour concevoir ces dispositifs photoniques, la plateforme intégrée silicon-on-insulator (SOI) est très prometteuse. En effet, elle offre la possibilité de concevoir des composants intégrés qui sont compacts, polyvalents, évolutifs et sophistiqués, le tout en réduisant les coûts de production. Ce mémoire porte sur l'étude, sur la conception et sur la fabrication de filtres à micro-cavités en anneau d'ordre élevé sur SOI et à leur utilisation dans des systèmes de multiplexage en longueur d'onde reconfigurables, transparents et insensibles à la polarisation. L'objectif de ce travail est plus particulièrement d'adresser le défi complexe qui consiste à développer un système de ce type, possédant toutes les caractéristiques visées par les équipements qui sont déployés à grande échelle. La première partie de ce travail a comme objectif de présenter les systèmes de communications optiques et le problème qui est adressé dans son contexte. C'est aussi à ce moment que sera introduite en détails la plateforme SOI qui offre des outils pour répondre au problème. Ensuite, en seconde partie, il sera question des filtres à micro-cavité en anneau et des méthodes de design permettant de les modéliser afin de les intégrer dans des systèmes complexes. Ces filtres sont cependant très sensibles au processus de fabrication et il est donc nécessaire de présenter un méthodologie permettant de corriger leur réponse en post-fabrication, chose qui sera faite en troisième partie. Enfin, la dernière section de ce travail de recherche porte sur l'intégration des concepts développés dans les sections précédentes afin de bâtir un système complet de multiplexage en longueur d'onde reconfigurable, transparent et insensible en polarisation. Enfin, même s'il reste beaucoup de travail d'analyse et de conception devant nous, cette recherche montre de manière non-exhaustive les avantages et les limitations fondamentales que peuvent avoir les filtres à micro-résonateurs en anneau implémentés dans les réseaux transparents reconfigurables. / Increase in data traffic puts a lot of pressure on optical communication systems which must provide for its users while maintaining operation costs and energy consumption as low as possible. A solution to overcome those problems consists in using reconfigurable optical inter-connects which do not require any electro-optical conversion, especially in data centers. This is known as optical network transparency. In order to build the optical components required to implement optical network transparency, the silicon-on-insulator (SOI) platform provides very promising solutions. It offers the possibility to design highly-scalable integrated devices with a small footprint and low fabrication costs. This memoir aims to study the design and fabrication of high-order microring resonator filters on the SOI platform and their usage in reconfigurable, transparent and polarization insensitive wavelength division multiplexing (WDM) optical communications systems. The main goal of this work is to address the complex challenges of designing such components for widespread usage, having all the specifications that are required for their implementation. In the first part of this work, optical communications systems and the problem that will be addressed will be discussed in its context. At this point, the silicon-on-insulator platform which offers helpful tools for responding to the issue will be introduced. Then, in the second part, high-order microring filters will be introduced as a solution and their principles and applications will be discussed. Those filters are unfortunately very sensitive to the fabrication process and it is thus necessary to discuss the methodology required in order to mitigate those effects at the post-fabrication level. This methodology will be discussed in the third part of this work. Then, in the final part of this memoir, all the concepts previously introduced will be consolidated in order to build a complete reconfigurable and transparent WDM system that is insensitive to polarization. There is still a lot of work ahead of us and even though this research is not exhaustive, it shows the advantages as well as fundamental limitations of high-order microring filters when implemented in transparent and reconfigurable optical networks.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 juin 2023) / Le polydiméthylsiloxane (PDMS) est un matériau polyvalent en raison de sa biocompatibilité, de son inertie, de sa durabilité, de son élasticité, de sa transparence, de son faible coût, de sa grande disponibilité et de sa facilité de fabrication. Ce matériau a prouvé son importance dans de nombreux domaines en agissant comme matériau hôte pour les nanoparticules et le milieu de gain pour produire un système laser aléatoire largement ajustable. La photosensibilité des matériaux est un paramètre clé pour la fabrication de dispositifs pour une variété d'applications telles que les télécommunications, la détection et les lasers. Par conséquent, cette thèse porte sur une méthodologie expérimentale de fabrication de nouveaux matériaux photosensibles à base de PDMS ainsi que sur l'élaboration d'un laser aléatoire élastomère stable (SERL) composé en combinaison avec un matériau inorganique, Nd:YAB (NdxY1-xAl₃B₄O₁₂), les intégrer dans des guides d'ondes photoniques en silicone et explorer leurs applications. Tout d'abord, des stratégies ont été développées pour rendre le PDMS photosensible pour l'écriture femtoseconde (fs). Nous avons utilisé un laser femtoseconde pour écrire directement dans les PDMS, ainsi que de matériaux vitreux photosensibles sous la forme de PDMS chargés de nouveaux dérivés de germanium (Ge) et d'autres initiateurs pouvant agir en tant que photosensibilisateurs, afin d'obtenir le changement d'indice de réfraction le plus élevé sans compromettre de manière significative, conduisant à une écriture optimale de guides d'ondes ou de dispositifs photoniques dans un tel hôte souple. De plus, des réseaux de diffraction de Bragg hautement accordables ont été intégrés à l'intérieur des PDMS. Pour le développement de futurs dispositifs, nous avons exploré l'effet de l'écriture laser fs sur la structure du polymère ainsi que de leurs propriétés mécaniques et optiques. Ensuite, dans la deuxième approche de cette étude de doctorat, un système de laser aléatoire élastomère (SERL) très stable composé de deux matériaux stables : nanoparticules inorganiques Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓ Al₃(BO₃)₄) et polydiméthylsiloxane (PDMS) a été fabriqué. Ce RL très stable est le premier système élastomère, donc accordable, qui permet l'étude systématique de la stabilité. Nous avons pu explorer les aspects d'adaptabilité du système RL en étirant le composite PDMS et en explorant l'aspect multidirectionnel du laser. En tant qu'application nécessitant un fonctionnement à long terme, un comportement statistique de type Lévy a également été démontré. / Polydimethylsiloxane (PDMS) is a versatile material due to its biocompatibility, inertness, durability, elasticity, transparency, low cost, wide availability, and ease of manufacture. This material has proved its importance in many fields by acting as a host material for nanoparticles and gain medium to produce a widely tunable random lasing system. Photosensitivity of materials has been shown to be a key parameter for the fabrication of devices for a variety of applications such as in telecommunications, sensing and lasers. Hence, this thesis involves the experimental methodology for fabricating novel photosensitive materials based on PDMS as well as the realization of a Stable Elastomeric Random Laser (SERL) composed in combination with an inorganic material, Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓAl₃B₄O₁₂), for integration into silicone photonic waveguides and exploration of potential applications. Firstly, a strategy has been developed to render PDMS photosensitive for femtosecond (fs) writing. We then used a femtosecond laser to write directly into PDMS, as well as into a new photosensitive glassy material in the form of PDMS loaded with novel germanium (Ge)-derivatives and other initiators as photosensitizers. This combination yielded a higher refractive index material for optimal writing of waveguides or photonic devices in a very soft host. In addition, for the first time to the best of our knowledge, highly tunable Bragg diffraction gratings were embedded inside the bulk PDMS. For future device engineering, the effect of fs laser writing on the polymer structure, mechanical and optical properties has been explored. Then, in the second approach of a very stable elastomeric random laser (SERL) system composed of two stable materials: inorganic Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓ Al₃(BO₃)₄)-nanoparticles and polydimethylsiloxane (PDMS) has been fabricated. This very stable RL is the first elastomeric system, hence tunable, which allows the systematic investigation of stability. The tunability aspects of the RL system has been investigated by stretching the PDMS composite and explored the multi-directionality of lasing. As an application which requires long term operation, Levy-like statistical behavior were also demonstrated.

Dans un contexte de changements climatiques, des capteurs de méthane abordables, mais performants et autonomes sont requis pour surveiller les émissions et quantifier les concentrations de ce puissant gaz à effet de serre dans l’atmosphère des régions éloignées, comme les milieux nordiques. Une solution prometteuse pour répondre à ce besoin provient de la photonique sur silicium, une plateforme d’optique intégrée. Les guides d’onde intégrés sont un composant essentiel pour la détection sur puce par spectroscopie d’absorption, où ils jouent le double rôle de routage et de transducteur. Ainsi, ce projet vise à améliorer les performances du guide d’onde nécessaire à cette application. Des guides d’onde en réseaux sous-longueur d’onde(SWG) opérant en régime de lumière lente sont proposés pour améliorer l’interaction lumière matière. Leur segmentation périodique a comme effet qu’une large fraction de la lumière se propage dans l’air, le milieu d’intérêt à sonder. De plus, il est démontré que la périodicité de la structure, lorsque proche, mais inférieure à la moitié de la longueur d’onde, produit un effet de lumière lente ; c’est-à-dire que la vitesse de la lumière guidée diminue alors fortement. Leurs pertes de propagation et leurs indices de groupe sont ensuite caractérisés et comparés à des guides d’onde en ruban conventionnels à titre de référence. Bien que les guides d’onde SWG possèdent un facteur d’interaction supérieur aux guides d’onde en ruban, leurs pertes de propagation plus élevées limitent leurs performances. Les guides d’onde en ruban sont donc la meilleure option pour cette application, en plus d’être mécaniquement plus robustes et faciles à concevoir et fabriquer. Des efforts de détection sur puce avec ces derniers ont été réalisés, mais la présence de franges d’interférence est le facteur limitant malgré l’application d’une technique de traitement de signal pour les atténuer. D’autres méthodes sont proposées pour améliorer le rapport signal sur bruit. Finalement, il est démontré expérimentalement que les guides d’onde SWG peuvent supporter un régime de lumière lente. Un indice de groupe maximal de 30 est obtenu et celui-ci est aisément accordable, autant en amplitude qu’en position spectrale, ouvrant la voie à diverses autres applications pour ce type de guide d’onde. / In the context of climate change, affordable, but effective and autonomous methane sensors are required to monitor the emissions and the concentration of this potent greenhouse gas in the atmosphere of remote areas, like in northern environments. A promising solution to this need comes from silicon photonics, an integrated optics platform. Integrated waveguides are an essential component for on-chip detection by absorption spectroscopy, where they play the dual role of routing and transducer. Thus, this project aims at improving the performance of the waveguide for this application. The use of slow-light subwavelength grating waveguides (SWG) is proposed to enhance the light-matter interaction. Their periodic segmentation has the effect that a large fraction of the light is propagating through the air, the medium of interest to probe. In addition, we show that the periodicity of the structure, when close but less than half the wavelength, produces the slow-light effect; i.e. the speed of guided light drops sharply. Their propagation losses and their group index are then characterized and compared to conventional strip waveguides for reference. Although the SWG waveguides have an interaction factor greater than strip waveguides, their higher propagation loss limit their performances. Strip waveguides are therefore chosen for further investigation for the sensor application., in addition to being mechanically robust, and easier to design and fabricate. Efforts for on-chip detection of methane have been made with strip waveguides, but the presence of interference fringes is the limiting factor despite the application of a signal processing technique to mitigate them. Other methods are proposed to improve the signal to noise ratio. Finally, we experimentally show that SWG waveguides can support a slow-light regime. A maximum group index of 30 is obtained and it is easily tunable, in both amplitude or wavelength, paving the way for various other applications for this type of waveguide.

L’inscription par laser femtoseconde directe dans les cristaux laser offre une nouvelle opportunité de conception et développement de sources laser intégrées. Elle conduit à un prototypage rapide et à un bon rapport coût-efficacité, conformément aux futures feuilles de route de la photonique. Cependant, les défis liés au dépôt d’énergie d’un laser intense dans des milieux transparents et les modifications qui s’ensuivent restent encore des questions ouvertes. Ces défis ont été relevés en partie grâce à une étude minutieuse et systématique des zones modifiées par laser femtoseconde dans les matériaux transparents. Le fluorure de calcium (CaF2), en raison de sa symétrie cubique et de ses excellentes propriétés de luminescence en tant que cristal laser, a été choisi comme matériaux de référence dans cette thèse. L’inscription laser en régime femtoseconde de guides d’ondes à l’intérieur de ce cristal a été réalisée pour une conception future de source laser intégrée. Pour la première fois, des écritures laser « lisses » et non réciproques ont été observées à l’intérieur de certains échantillons « coupés spécialement » de cristaux de CaF2. De plus, un guidage de la lumière dépendant de la polarisation a été identifié et est présenté. Un modèle et une méthode ont été développés pour caractériser quantitativement et qualitativement ces guides d’ondes, en particulier pour les mesures de perte de transmission, ainsi que les cartographies tridimensionnelles de l’indice de réfraction des zones modifiées. / Femtosecond laser micromachining inside laser crystals offers a new platform to miniaturize highly compact laser sources. It leads to rapid prototyping and cost-effectiveness in line with the future photonics roadmaps. However, the challenges in relation to an intense laser pulse energy deposition within transparent media and the modifications that follow still remain open-ended questions. These challenges have been addressed with a careful and systematic study of femtosecond modified zones inside transparent materials. Due to its cubic symmetry and excellent luminescence properties as laser crystal, Calcium Fluoride (CaF2) was selected, and ultrafast laser inscription of waveguides inside this crystal was realized. Smooth and non-reciprocal writings were observed inside certain “specially cut” samples of the CaF2 crystals for the first time. Additionally, polarization dependent guiding is identified and presented. Furthermore, an authentic model and concept was engaged for the quantitative and qualitative characterization of the waveguides, particularly for the transmission loss measurements and the three-dimensional refractive index mappings of the modified zones.

En zone urbaine, les nuisances sonores sont devenues la principale forme de ''pollution'' reconnue par la population. Pour faire face à cet enjeu de société, de nombreuses recherches ont permis de décrire la propagation acoustique en milieu urbain. Toutefois, devant la très grande complexité géométrique et physique du milieu urbain, les modèles implémentés dans les logiciels usuels de prédiction, basés sur des approximations énergétiques et géométriques, limitent la description physique des champs acoustiques. Il apparaît donc que des travaux fondamentaux sur la propagation acoustique en milieu complexe doivent être poursuivis en amont des applications directement liées à l'acoustique urbaine. Dans ce contexte de recherche amont, l'idée essentielle de ces travaux est de considérer la rue comme un guide d'ondes ouvert. En effet, la forme typiquement allongée favorise le guidage des ondes dans l'axe de la rue. En revanche, l'ouverture de ce guide sur un domaine infini - le ciel - entraîne un rayonnement des ondes conduisant à des pertes d'énergie. L'étude de ces phénomènes compétitifs entre ondes guidées et ondes rayonnées est au coeur de ce travail. Pour résoudre l'équation d'ondes dans un tel guide ouvert tridimensionnel, la démarche scientifique retenue repose sur le principe de la décomposition modale. Dans cette approche, le champ d'ondes est une combinaison d'un ensemble de modes (appelé base modale) dont les contributions dépendent notamment des conditions aux extrémités du guide. L'extension de l'approche modale au cas des guides d'ondes ouverts nécessite d'introduire la notion de modes fuyants (leaky modes). Au travers d'une étude préliminaire portant sur des guides bidimensionnels fermés de section variable, les possibilités de l'approche modale sont appréhendées dans des cas simples en vue de l'étendre au cas plus complexe des guides tridimensionnels ouverts. Par la suite, un premier travail sur les modes fuyants est réalisé dans le cas académique d'un guide ouvert cylindrique de section rectangulaire. Ce travail permet d'étudier de manière détaillée le comportement et les propriétés des modes fuyants lorsqu'ils sont utilisés dans une approche modale. Il est notamment montré qu'un nombre restreint d'entre eux est nécessaire pour décrire précisemment le champ. Sur la base des conclusions de ces premières recherches, une méthode couplée Modal-Eléments Finis plus adaptée aux spécificités des ``guides d'ondes urbains'' est proposée. Ces travaux montrent comment, en utilisant des PML (Perfectly Matched Layers), un nouveau problème de propagation en guide fermé peut être substitué au problème original de propagation en guide ouvert. Dans cette approche, certaines caractéristiques de la complexité physique et géométrique du milieu urbain peuvent être prise en compte. Des illustrations basées sur l'implémentation numérique de la méthode mettent en évidence des phénomènes physiques liés par exemple aux irrégularités et à l'absorption des façades, ou à la prise en compte de phénomènes météorologiques, et ouvrent certaines perspectives de recherche académiques et appliquées à l'acoustique urbaine.

Cette thèse porte sur la propagation et le retournement temporel des ondes dans des guides d'ondes aléatoirement perturbés. L'étude de la propagation dans les guides d'ondes aléatoires est devenue indispensable face au grand nombre de situations pouvant se modéliser de cette manière : comme par exemple en télécommunication, en acoustique sous-marine ou en géophysique. Le travail présenté dans cette thèse se décompose en trois chapitres. Dans un premier chapitre, on s'intéresse à la propagation des ondes dans un guide d'onde océanique inhomogène. On propose des équations effectives permettant de modéliser la propagation des ondes dans ce milieu. Ces équations décrivent le rôle des modes propagatifs, évanescents et radiatifs sur la propagation, et permettent de quantifier la perte radiative d'énergie dans le fond océanique. Dans un second chapitre, on s'intéresse à la propagation et à la refocalisation par retournement temporel d'une impulsion dans le modèle de guide d'onde océanique du premier chapitre. On obtient une description de l'onde refocalisée prenant en compte la perte radiative dans le fond océanique et l'évolution des fluctuations du milieu entre les deux étapes de l'expérience de retournement temporel. Dans le dernier chapitre, on s'intéresse à la refocalisation par retournement temporel dans un modèle de guide d'onde simple. On obtient un phénomène de super-résolution par l'insertion, devant la source, d'une section inhomogène à faible vitesse de propagation, c'est à dire qu'on obtient des tailles de taches focales plus concentrées qu'en milieu homogène.

Ce manuscrit porte sur la génération, la mise en forme et la manipulation de vortex optiques, c'est à dire de faisceaux laser porteurs de singularités de phase les dotant d'un moment orbital angulaire. Nous les utilisons pour photoinduire des guides optiques dans des matériaux photoréfractifs tels que le niobate de lithium tout en s'attachant à la compréhension physique des interactions vortex/milieu photoréfractif. La mise en forme et la manipulation de vortex optiques s'inscrit ici dans la perspective de réalisation de systèmes guidants dans des matériaux massifs. Liés aux nouvelles technologies, ils pourraient permettre de traiter l'information via de nouveaux composants d'interconnections. Notre solution est basée sur le principe des solitons optiques spatiaux, faisceaux invariants en propagation qui peuvent être obtenus via une interaction non linéaire appropriée. Les solitons spatiaux photoréfractifs sont associés à une modification de l'indice de réfraction du matériau par effet Pockels qui induit un guide optique au sein du matériau ayant le même profil que le soliton. Nous utilisons ici un matériau qui a fait ses preuves dans le domaine de l'optoélectronique, le niobate de lithium (LiNbO3).<br /><br />Nous présentons d'abord les notions de base relatives aux solitons et les différents moyens permettant de les obtenir. Les vortex optiques et leurs applications sont également introduits. Plus précisément, le formalisme mathématique définissant les vortex et les méthodes pour les obtenir sont décrits. D'autre part, les différents mécanismes physiques intervenant dans la formation de solitons spatiaux dans les matériaux photoréfractifs sont détaillés. Un nouveau modèle numérique intégrant des variables auparavant négligées est proposé pour une meilleure compréhension du comportement du vortex dans le niobate de lithium dopé fer que les modèles numériques utilisés jusqu'alors. Nous mettons ensuite en évidence le bon accord entre ce nouveau modèle numérique et l'observation expérimentale de l'influence de l'anisotropie du cristal sur la propagation d'un vortex en milieu photoréfractif-photovoltaïque en fonction de paramètres tels que le moment orbital du vortex et les directions de propagation et de polarisation par rapport aux axes cristallographiques du LiNbO3. Enfin, les résultats obtenus dans le chapitre précédent sont mis à profit pour définir les conditions expérimentales optimales permettant d'obtenir un quasi-soliton noir en deux dimensions induisant une structure capable de guider et confiner la lumière dans le matériau. De plus les premiers résultats expérimentaux de structures guidantes plus complexes induites optiquement avec des vortex de charges multiples sont présentés.<br />Le nouveau modèle numérique développé dans le cadre de cette thèse peut-être utilisé afin d'étudier de façon plus approfondie la dynamique des mécanismes de dislocation de vortex optiques lié à la présence de singularités de phases multiples.

La manipulation optique d'objets en surface d'un guide d'onde représente une approche potentiellement intéressante pour le développement de microsystèmes de tri de particules. Toutefois, la mise en oeuvre de ces dispositifs est actuellement freinée par des performances limitées en terme de propulsion mais aussi par une mauvaise maîtrise des interactions mises en jeu sur des objets métalliques. Ces difficultés ont jusqu'alors interdit la manipulation d'objets biologiques sur ces composants. A travers une étude théorique, nous proposons une méthode originale de calcul des forces optiques s'exerçant sur un objet en surface d'un guide d'onde. Elle permet de mettre en évidence l'existence de forces de gradient répulsives, sur des billes métalliques, dans certaines conditions. L'élaboration d'un dispositif expérimental dédié à la manipulation de particules nous a permis de valider ce modèle et de mettre en évidence une forte dépendance des vitesses des billes métalliques micrométriques avec la polarisation de la lumière. Ces observations illustrent l'impact des forces de gradient sur le mouvement des particules. D'un point de vue plus appliqué, le modèle théorique développé nous a permis de concevoir des structures guidantes destinées à optimiser la propulsion des particules. Expérimentalement, l'utilisation de guides en nitrure de silicium a effectivement conduit à améliorer de façon conséquente les performances des dispositifs existants. Celles-ci nous ont permis d'élargir le champ d'application de cette technique au domaine de la biologie et de mettre en oeuvre le déplacement et la concentration de cellules sur des guides d'onde, sans aucun marquage.

Les verres de chalcogénures sont des matériaux originaux avec un large domaine de transparence dans le moyen infrarouge, de forts indices de réfraction et de faibles énergies de phonons. Les travaux de recherche présentés ici concernent l'élaboration de fibres optiques et de couches minces en vue de leurs applications finales comme capteur.<br /><br />L'élaboration de films minces du système Ge-(Ga)-Sb-S, préparés par pulvérisation cathodique et ablation laser, a été décrite. L'obtention de couches minces avec de hautes qualités morphologiques, structurales et optiques a été vérifiée par MEB, AFM, Raman, m-lines, champ proche, ... Notre choix s'est porté sur la gravure physique pour obtenir des guides canaux, les pertes optiques mesurées donnent des valeurs encourageantes entre 0,6 et 1 dB/cm. Ces résultats ouvrent la voie à des applications ciblées de type capteur, par exemple, pour lesquelles l'intégration sous forme planaire répondrait aux besoins de miniaturisation ou de robustesse. <br /><br />Des fibres optiques appartenant au système Te-As-Se ont été réalisées. L'efficacité de ces fibres pour la spectroscopie infrarouge par onde évanescente a été montrée dans la région 2-12 µm et validée par son utilisation dans différentes applications. Dans le domaine de l'agro-alimentaire, le but était de détecter la présence de germes pathogènes (salmonelle, listéria, staphylocoque doré) dans des matrices alimentaires et de différencier les germes entre eux. Cette discrimination a été rendue possible par la mise au point de méthodes d'analyses statistiques, tirant le meilleur parti des spectres. Ces méthodes d'analyses ont aussi permis de mettre en évidence des modifications métaboliques pour des pathologies hépatiques (cirrhose alcoolique, hémochromatose saturée et désaturée et hépatosidérose dysmétabolique). Cette étude a été menée en collaboration avec le CHU et l'UMR 522 de l'INSERM de Rennes.<br /><br />Les verres de chalcogénures se sont également révélés utiles pour mettre en œuvre des expériences de résonance plasmonique de surface (SPR). En collaboration avec l'IFREMER, la réalisation de prismes en verres de sulfures a été montrée et des résultats préliminaires sur la détection de l'accroche spécifique d'une toxine à la surface du prisme ont été obtenus.