A la lumière, l’activité carboxylase de la RuBisCO permet de fixer le CO2 inorganique en matière organique, sous forme de 3-phosphoglycérate (3-PGA), qui sera utilisé pour la biosynthèse de sucres, d’acides organiques et aminés, de la paroi végétale etc. Cependant, elle possède aussi une activité oxygénase qui produit du 3-PGA et du 2-phosphoglycolate. Ce dernier composé étant toxique, il est métabolisé en 3-PGA par le cycle photorespiratoire qui se déroule dans le chloroplaste, le peroxysome et la mitochondrie. Malgré une perte partielle en carbone et en azote, l’importance de la photorespiration pour les plantes est illustré par les phénotypes néfastes que les mutants d’enzymes photorespiratoires présentent dans l’air (comme un retard de croissance, la chlorose, et de la létalité) et qui sont absents en fort CO2. Ceci pourrait refléter des interactions étroites entre la photorespiration et le métabolisme primaire des plantes. Afin de mieux comprendre ces interactions et la mise en place des phénotypes photorespiratoires, des mutants pour la glycolate oxydase (GOX) et la glutamate:glyoxylate aminotransférase ont été caractérisés à travers plusieurs analyses complémentaires: des échanges gazeux, de la fluorescence chlorophyllienne, du marquage des métabolites avec du 13C, des dosages de métabolites, de cofacteurs, et de la RuBisCO. Les résultats montrent que, suite à un transfert de fort CO2 dans l’air, l’inhibition de la photosynthèse observée chez nos mutants est principalement due à un défaut du recyclage du carbone photorespiratoire qui diminue l’activité de la RuBisCO. Cette inhibition photosynthétique a un impact négatif sur la quantité de RuBisCO dans les feuilles de ces mutants par rapport aux plantes contrôles. De plus, lorsque l’inhibition de la photosynthèse est trop importante chez nos mutants photorespiratoires, la carence en carbone déclenche de la sénescence dans leurs feuilles âgées. En parallèle, une comparaison des paramètres cinétiques de la GOX d’A. thaliana (plante en C3) et de Z. mays (plante en C4) associée à la mesure d’effets isotopiques 13C et 2H a révélé que ces enzymes partageaient des paramètres Michaéliens équivalents pour le glycolate, ainsi qu’un mécanisme réactionnel identique mettant en jeu un transfert d’hydrure. / In the light, the RuBisCO carboxylase activity assimilates inorganic CO2 into organic compounds, via the production of 3-phosphoglycerate (3-PGA) that is used for the biosynthesis of sugars, organic and amino acids, plant cell walls etc. However, it also has an oxygenase activity that makes 3-PGA and 2-phosphoglycolate (2-PG). The toxic 2-PG is metabolized to 3-PGA by the photorespiratory cycle, which takes place in chloroplasts, peroxisomes and mitochondria. Despite a partial loss of carbon and nitrogen, the importance of photorespiration for growth can be seen by the negative phenotypes exhibited by photorespiratory enzyme mutants in air (i.e. slow growth, leaf chlorosis, and sometimes lethality), which are not observed under high CO2 conditions. This may reflect the metabolic interactions between photorespiration and plant primary metabolism. To better understand such interactions and the development of photorespiratory phenotypes, mutants for glycolate oxidase (GOX) and glutamate:glyoxylate aminotransferase have been characterized by several complementary methods: analysis of gas exchanges, chlorophyll fluorescence,13C-labeling of metabolites, measurements of metabolites, cofactors and RuBisCO levels. The results show that, after a high CO2-to-air transfer, the inhibition of photosynthesis in the mutants is mainly due to a defect in photorespiratory carbon recycling leading to a decreased RuBisCO activity. The inhibition of carbon assimilation negatively impacts mutant leaf RuBisCO content when compared to wild-type plants. In the mutants, when photosynthetic inhibition is too high, the resulting carbon starvation triggers the onset of senescence in their old leaves. In parallel to this work, a comparison of the kinetic parameters of GOX from A. thaliana (C3 plant) and Z. mays (C4 plant) coupled to measurements of 13C and 2H kinetic isotopic effects showed that these enzymes share similar Michaelian parameters for glycolate, and a similar hydride transfer reaction mechanism.

Le procédé de photopolymérisation a été optimisé en vue de l’élaboration de matériaux composites à matrice époxyde épais (> 1 mm) via un mécanisme cationique. L’étude des cinétiques de photopolymérisation de deux résines époxydes (glycidyl éther et cycloaliphatique) a montré que l’ajout d’un renfort de microsphères de silice induit un gradient de conversion dans l’épaisseur du matériau en raison d’un phénomène d’absorption et/ou de diffusion de la lumière, ce dernier étant d’autant plus important que l’écart d’indice de réfraction entre la charge et la matrice est élevé. Cependant, cette hétérogénéité de conversion a pu être compensée par une réaction de postpolymérisation à température ambiante. Une analyse des propriétés mécaniques a ensuite montré qu’il est possible d’obtenir par photopolymérisation des matériaux composites épais réticulés de façon homogène et dont la rigidité est augmentée par la présence du renfort. Enfin, la stratégie d’égalisation des indices de réfraction de la charge et de la matrice, couplée à une photopolymérisation cationique frontale induite par voie radicalaire (RICFP), ouvre des perspectives intéressantes en vue de l’élaboration de photocomposites de plusieurs centimètres d’épaisseur en appliquant uniquement un stimulus lumineux. / The photopolymerization process has been optimized for the elaboration of thick epoxy composite materials (> 1 mm) through a cationic mechanism. The study of the photopolymerization kinetics of two epoxy resins (glycidyl ether and cycloaliphatic) has shown that the addition of a silica microsphere reinforcement induced conversion gradient in the material thickness, resulting from a light absorption and/or scattering phenomenon. The light scattering is all the more important as the refractive index gap between filler and matrix is high. However, this conversion heterogeneity has been compensated by a postpolymerization reaction at room temperature. Then, the analysis of the mechanical properties has shown that it was possible to obtain thick composite materials homogeneously crosslinked and whose rigidity was increased by the presence of the filler. In addition, the strategy of equalizing the filler and matrix refractive indices, coupled with the radical induced cationic frontal polymerization (RICFP) opens interesting perspectives for the development of photocomposites several centimeters thick using only a light stimulus.

Ce mémoire de maîtrise propose la numérisation laser tridimensionnelle LiDARcomme nouvelle méthode d'étude et de visualisation de l'éclairage naturel dans des environnements réels pour architectes et designers. Elle constitue un complément aux méthodes d'éclairage actuelles car elle répond aux limites de la méthode de mesure de l'éclairement, de la simulation numérique et de l'imagerie à haute dynamique(HDR)en ce qui concerne le relevé et la représentation des patterns lumineux. Il présente une étude de cas pour déterminer les avantages et les limites de la numérisation laser 3D dans une vaste cafétéria à éclairage naturel et artificiel, vaste, géométriquement complexe et fragmentée. Les patterns lumineuxet la géométrie del'espace sont capturés par un appareil à balayage laser 3D à travers une série de quatre numérisations. Les numérisations sont alignées et fusionnées pour former un seul modèle 3D de l'espace entier. Les patterns lumineuxsont présentés en relation avec la matérialité, la géométrie et la position des fenêtres, des murs, des appareils d'éclairage et des sources d'éclairage et présentés sous forme d'images semblables à des dessins de présentation architecturaux. Plus précisément, les patterns lumineuxsont illustrés dans un plan d'étage, un plan de plafond réfléchi, une axonométrie et une coupe transversale. La méthode fournit des résultats de visualisation percutants. Elle facilite leur compréhension des patterns lumineux, car un nombre illimité d'images peut être généré à partir d'un nuage de points. L'exactitude de la méthode de relevé des espaces éclairés naturellement estégalementvérifié pour desespacesrelevésen une et plusieurs numérisations en comparant les patterns lumineux des imageries HDR et des nuages de points. De plus, le mémoire explore le potentiel de la numérisation laser tridimensionnelle comme méthode pour simuler de nouvelles ambiances lumineuses dans des espaces existants. / This master thesisproposesLiDARtridimensional laser scanning as a new daylighting enquiry and visualization method for real built environments for architects and designers. It constitutes a complement to actual lighting methods because it responds to the limitations of the illuminance measuring method, computer simulation and high dynamic rangeimagery concerning the survey and representation of lighting patterns. It presents a case study to determine the advantages and limitations of 3D laser scanning in a vast, geometrically complex and fragmented naturally and artificially lit cafeteria. Lighting patterns and the geometry of the space are captured with a 3D laser scanner through a series of four scans. The scans are aligned and fused to form a single 3D model of the entire space. The lighting distribution patterns are showcased in relation to the materiality, geometry and position of windows, walls, lighting fixtures and the lighting sources and presented through images similar to architectural presentation drawings. More precisely, the lighting distribution patterns are illustrated in a floor plan, a reflected ceiling plan, an axonometry and a cross-section. The method provides powerful visualization results and facilitates their understanding as an unlimited number of images can be generated from a point cloud.The precision of the method for surveying daylit environments surveyed through one and several scans is also verified by comparing lighting patterns between HDR and point cloud imageries. Moreover, it explores tridimensional laser scanning as a method for rendering new lighting ambiances in existing spaces.

Ce projet avait pour objectif d'étudier les effets de la photopériode sur la reproduction des ovins. Dans cette étude, 211 brebis ont été soumises à un traitement lumineux alternatif continu, de quatre mois de jours longs et de quatre mois de jours courts, visant une production accélérée de trois agnelages en deux ans. Les performances de ces brebis ont été comparées à un groupe témoin exposées à la lumière naturelle et synchronisées par un traitement de progestagène en contre-saison. Globalement, le traitement lumineux a permis de produire 0,5 agneaux de plus par brebis par année. Cette étude a également démontré que de faibles intensités lumineuses permettaient d'inhiber la sécrétion journalière de mélatonine et d'induire efficacement l'activité de reproduction. Les résultats démontrent que ce protocole lumineux permet d'améliorer la rentabilité des entreprises ovines.

Les configurations des enveloppes et des fenêtres des bâtiments nordiques doivent répondre aux exigences du bien-être photobiologique et psychologique des occupants par des relations positives efficaces avec la nature subarctique. Les enveloppes de bâtiments existant dans les climats (sub)arctiques du nord du Canada n'ont pas encore permis d'établir des connexions efficaces entre l'intérieur et l'extérieur afin d'aborder les relations positives entre les humains et la nature et le bien-être photobiologique et psychologique. Des connexions intérieures-extérieures efficaces indiquent une connectivité optimale de l'intérieur avec la nature subarctique extérieure répondant au bien-être des occupants et aux besoins énergétiques. Les relations positives des occupants avec la nature subarctique correspondent à des avantages maximums et des risques minimums des climats nordiques extrêmes pour le bien-être photobiologique-psychologique. L'objectif général de cette thèse est de favoriser les relations positives des occupants avec la nature subarctique au moyen de connexions efficaces entre l'intérieur et l'extérieur qui pourraient répondre aux facteurs de bien-être biophiliques et photobiologiques liés à la lumière du jour et aux photopériodes. Dans ce but, un modèle fondamental d'enveloppe de bâtiment adaptative à haute performance est développé comme une solution architecturale qui pourrait optimiser les connexions intérieur-extérieur et les principaux indicateurs biophiliques et photobiologiques. La thèse visait spécifiquement à articuler une approche photobiologique du design biophilique dans les climats nordiques extrêmes qui permet d'établir un cadre conceptuel et de design pour développer des enveloppes de bâtiments. La thèse visait également à identifier les lacunes des enveloppes de bâtiment existantes dans le Grand Nord du Canada ainsi que des systèmes d'enveloppes adaptatives existants en termes d'indicateurs biophysiques-photobiologiques. Les principaux éléments architecturaux des enveloppes adaptatives, notamment la configuration des fenêtres et les caractéristiques de surface des systèmes d'ombrage, en particulier la couleur et la réflectance, sont étudiés pour répondre aux besoins biophiles-photobiologiques des occupants du Nord. Les méthodologies de la thèse comprennent une revue de la littérature pour discuter des directives récentes de design biophilique, de l'éclairage photobiologique et des études de connectivité avec la nature par rapport aux climats subarctiques, en particulier la lumière du jour et les photopériodes. Des méthodes numériques et expérimentales ont été intégrées pour évaluer les performances biophiliques, d'éclairage photobiologique, thermiques et énergétiques des systèmes d'enveloppe pour une étude de cas d'un bureau open-plan dans le nord du Canada. Des méthodes expérimentales avec des modèles à l'échelle physique, des images à haute gamme dynamique et des techniques de post-traitement ont été utilisées pour capturer, calculer et visualiser les paramètres d'éclairage photobiologique. L'impact des caractéristiques des panneaux d'ombrage (SP) sur les performances d'éclairage photobiologique a été étudié par l'expérimentation d'environ 40 prototypes à l'échelle 1:50 et 23 prototypes à l'échelle 1:10 sous un ciel dégagé/couvert avec un éclairage naturel réel/artificiel. Des modèles numériques ont été développés pour évaluer les caractéristiques biophiques et thermiques/énergétiques des systèmes d'enveloppe. Les résultats de la thèse comprennent un cadre théorico-conceptuel du design photobiologique - biophilique qui identifie les relations positives des occupants avec la nature subarctique à travers les enveloppes. Des scénarios d'adaptation de l'éclairage photobiologique intégrés aux exigences thermiques ont été élaborés, qui permettent de répondre aux besoins photobiologiques horaires/saisonniers des occupants du Nord dans des bâtiments différents. Les lacunes des enveloppes à une peau typique du Nord du Canada et des enveloppes à plusieurs peaux avec des profondeurs d'espaces intermédiaires/cavités et des tailles de fenêtre différentes ont été spécifiquement évaluées en termes des indicateurs biophiliques, photobiologiques et thermiques. Un modèle fondamental d'enveloppes adaptatives à haute performance est proposé pour les bâtiments du Nord, qui comprend une taille de fenêtre optimale, un système d'ombrage dynamique coloré et isolé, et un système de buffer thermique constitué d'une peau extérieure en verre. Les performances d'éclairage photobiologique des configurations des SP, incluant la couleur, la réflectance, l'orientation, l'inclinaison, la densité, la taille, l'ouverture et la position à la fenêtre, ont été caractérisées. Les résultats des élévations expérimentales/numériques montrent que l'enveloppe adaptative proposée pourrait offrir des connexions intérieures-extérieures efficaces qui répondent aux besoins photobiologiques-psychologiques et aux exigences énergétiques des occupants du Nord. Les résultats de la thèse pourraient informer les architectes et les responsables politiques sur les possibilités que les enveloppes adaptatives et les cadres photobiologiques-biophiles offrent pour améliorer le bienêtre du public et l'efficacité énergétique dans les climats nordiques. Les principaux enjeux des futurs développements des bâtiments biophiliques adaptatifs dans les climats nordiques ont également été soulignés, notamment en matière d'analyses du cycle de vie et d'études socioculturelles. / Sub-Arctic building envelope configurations must address occupants' photobiological-psychological wellbeing through positive relationships with the outdoor sub-Arctic nature. Existing building envelopes in Northern Canada's (sub-)Arctic climates have not, yet, enabled efficient indoor-outdoor connections to address positive human-nature relationships and photobiological-psychological wellbeing. Efficient indoor-outdoor connections indicate optimum connectivity of indoors with Northern climates in terms of occupants' wellbeing and energy factors. Positive occupants' relationships with the sub-Arctic nature refer to maximum benefits and minimum risks of the extreme cold weather and strong photoperiod of Northern climates for photo-biological and psychological wellbeing. The general objective of this dissertation is to foster positive occupants' relationships with sub-Arctic nature by enabling efficient indoor-outdoor connections which could respond to biophilic and photobiological wellbeing factors related to daylighting and photoperiods. To this end, a fundamental model of adaptive high-performance building envelopes is developed as an architectural solution which could optimize indoor-outdoor connections and main biophilic and photobiological indicators. The dissertation specifically aimed at articulating a photobiological approach to biophilic design in extreme Northern climates which enables establishing a conceptual and design framework to develop building envelopes. The thesis also focused on identifying the shortcomings of existing Canadian Northern building envelopes as well as existing adaptive envelope systems in terms of biophilicphotobiological indicators. Main architectural elements of adaptive envelopes including window configuration and surface characteristics of shading systems, in particular color and reflectance, are explored to respond to Northern occupants' biophilic-photobiological needs. The thesis methodologies include a scoping literature review to critically discuss recent biophilic design guidelines, photobiological lighting, and nature connectedness/relatedness studies in relation to sub-Arctic climates, especially daylighting and photoperiods. Numerical and experimental methods were integrated to evaluate biophilic, photobiological lighting, thermal and energy performance of envelope systems for a case study of an open-plan office in Northern Canada. Experimental methods with physical scale models, high dynamic range imagery and post-processing techniques were employed to capture, compute, and visualize photobiological lighting parameters. Impacts of shading panels' (SPs) characteristics on photobiological lighting performance were explored by experimenting approximately 40 1:50-scale prototypes and 23 1:10-scale prototypes under clear/overcast skies with actual/artificial daylighting. Numerical models were developed to evaluate biophilic and thermal/energy performance of envelope systems. Dissertation outcomes include a theoretical-conceptual framework of photobiological-biophilic design which characterizes positive occupants' relationships with the sub-Arctic nature through envelopes. Photobiological lighting adaptation scenarios integrated with thermal requirements were developed which could address hourly/seasonal photobiological needs of Northern occupants in different buildings. Deficiencies of typical single-skin envelopes in Northern Canada and multi-skin envelopes with different depths of intermediate spaces/cavities and window sizes were specifically evaluated in terms of biophilic, photobiological lighting and thermal indicators. A fundamental model of adaptive high-performance envelopes is proposed for Northern buildings which includes an optimum window size, a dynamic-colored-insulated shading system, and a thermal buffer system made of a glazing exterior skin. Photobiological lighting performance of SPs' configurations, including color, reflectance, orientation, inclination, density, size, openness, and position at the window, were characterized. Results of experimental-numerical elevations reveal that the proposed adaptive envelope could offer efficient indoor-outdoor connections which respond to Northern occupants' photobiological-psychological needs and energy requirements. Dissertation outcomes could enlighten architects and policymakers about potentials of adaptive envelopes and integrative photobiological-biophilic frameworks to improve public wellbeing and energy efficiency in Northern climates. Major issues for future developments of adaptive biophilic buildings in Northern climates were also outlined including life cycle assessments and sociocultural studies.

L’inadaptation des travailleurs aux horaires de nuit est très souvent la cause de nombreux accidents de travail, de diminution de la performance ou de dégradation de leur santé affectée par des pathologies principalement liées aux troubles des rythmes circadiens. Les conséquences socio-économiques sont énormes et cette problématique va encore s’étendre dans le futur avec les exigences et les nécessités du travail de nuit. L’absence de la lumière naturelle du jour et les caractéristiques spectrales impropres des lumières artificielles utilisées la nuit sont généralement responsables de cette inadaptation au travail de nuit. De nombreuses recherches scientifiques ont montré l’existence d’interactions entre lumière, oeil et horloge biologique. Puisque les ondes bleues et rouges, en particulier, joueraient un rôle déterminant dans l’accroissement et le maintien de la vigilance des travailleurs, le laboratoire de photobiologie de l’université Laval propose, dans le cadre de ses activités de recherche, une solution de contrôle de l’horloge biologique par une lumière artificielle spécifique dans le but de favoriser l’adaptabilité des travailleurs aux horaires de nuit. La solution préconisée consiste en un dispositif de transformation d’un signal électrique de faible puissance en signal photonique calibré, riche en bleu et légèrement dosé de rouge. Pour évaluer son efficacité, notamment sur l’état de vigilance, nous avons conçu et développé une méthodologie comprenant un banc d’essai et une expérience dans un espace multivariable capable de traduire les modifications générées sur les comportements psychophysiologiques. La concentration de la mélatonine1 est la mesure la plus privilégiée comme marqueur de phase circadienne et de la réponse de l’horloge biologique. Mais son utilisation est ardue, contraignante et son obtention est non instantanée. C’est pourquoi nous proposons aussi d’explorer, au moyen de la méthodologie développée, la variabilité du rythme cardiaque comme marqueur biologique des effets de la lumière. Le rythme cardiaque présente l’avantage d ’être facilement accessible, sa mesure est non invasive et sa réponse est presque immédiate à des phénomènes rapides comme la lumière. De plus, la relation établie entre température et vigilance pourrait être reflétée similairement avec les composantes très basses fréquences de la variabilité du rythme cardiaque, lesquelles caractérisent le phénomène de la thermorégulation. C’est dans cette perspective que nous chercherons à mettre en évidence, dans la variabilité du rythme cardiaque, un marqueur spécifique des effets d ’un signal photonique calibré. Nous introduirons aussi l’utilisation d’outils d’analyses spectrales que nous appliquerons sur des fenêtres temporelles glissantes d’une largeur contrôlée. La méthodologie arborée, avec la représentation spectrale de la variable du rythme cardiaque, a permis d ’identifier une sensibilité marquée, principalement des composantes de la thermorégulation (0,02 - 0,05 Hz), aux signaux photoniques combinant des ondes bleues et rouges. Le signal photonique bichromatique bleu rouge puisé (BR ) semblerait montrer une efficacité encore plus élevée comparée au signal bleu rouge continu (BR). Cette efficacité est interprétée indirectement par un accroissement de la vigilance, car l’énergie de la thermorégulation baisse avec l’augmentation de la température corporelle qui est elle-même corolaire à l’augmentation de la vigilance.

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder. / In recent years, silicon photonics has developed quickly. Modulators coming from this technology show potentially interesting characteristics for short reach communication systems. In fact, these modulators are expected to reach high transmission speeds, while limiting the fabrication cost and the systems power consumption. At the same time, pulse amplitude modulation (PAM) is promising for this type of systems. Thus, this work focuses on the development of silicon modulators for the transmission of PAM signals. In the first chapter, the necessary theoretical concepts to silicon modulators designing are presented. Mach-Zehnder modulators and Bragg grating modulators are the main focus of this section. Moreover, the theory surrounding electro-optical effects in silicon, PAM modulation, integrated electrodes and digital signal processing is detailed. In the second chapter, a segmented Mach-Zehnder modulator is presented. The electrodes segmentation enables optical PAM signals generation using binary signaling. This approach eliminates the need for an external digital-to-analog converter by integrating this function in the optical domain, in order to try to lower the communication system cost. This chapter contains a detailed modulator description, optical and electrical characterization results and system tests. Furthermore, the system tests include the application of pre-compensation and post-compensation to the signal by equalizing its frequency response for PAM-4 and PAM-8 modulation formats at different binary rates. A transmission speed of 30 Gb/s is demonstrated in both cases, despite the limited frequency response obtained after the RF circuit packaging was added (8 GHz 3 dB bandwidth). This is the first PAM-8 modulation demonstration using a segmented Mach-Zehnder modulator. Finally, the conclusions from this work have led to a second segmented Mach-Zehnder modulator design currently under test, whose performances are showing great potential. In the third chapter, a dual phase-shift Bragg grating modulator is presented. The use of Bragg gratings for modulation is an approach still largely unexplored. Indeed, the spectral response of these structures can be precisely controlled; an interesting characteristic for modulators. In this work, we propose to add two phase-shifts to a uniform Bragg grating to create a sensitive transmission peak in its reflection band. Thus, the transmission peak amplitude can be changed with the help of a pn junction. Similarly to the second chapter, this chapter includes a detailed modulator description, optical and electrical characterization results and system tests. Additionally, the pn junction characterization using the Bragg grating modulator is explained. Transmission speed up to 60 Gb/s PAM-4 and 55 Gb/s OOK are demonstrated after the compensation of the signal distortions. To our knowledge, this is the fastest Bragg grating modulator demonstrated to the day. urthermore, for the first time, the performances of a Bragg grating modulator are approaching those of the typically faster micro-ring or Mach-Zehnder silicon modulators.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / La moléculture végétale est une approche prometteuse pour la production de protéines d’intérêt médical ou industriel. Considérant les variations de rendement possibles dans une plante soumise à différentes conditions culturales, nos objectifs étaient : (i) de cartographier l’accumulation d’un antigène viral d’intérêt clinique dans les feuilles du tabac sauvage Nicotiana benthamiana utilisé comme bio-usine, et (ii) d’évaluer l’impact de la lumière en période de croissance sur le rendement total en antigène. Nous avons étudié les relations entre l’âge foliaire, le régime lumineux, l’expression du transgène et le rendement final en antigène dans les feuilles. Nos données confirment l’influence de l’âge sur les variations de rendement d’une feuille à l’autre, et l’impact positif de l’intensité lumineuse sur le rendement par plante. Elles mettent aussi en relief l’importance des tiges secondaires sur le rendement et le rôle clé de la transcription du transgène sur la teneur en antigène à l’échelle cellulaire. / Plant molecular farming is a promising approach to produce proteins of medical or industrial interest. Considering possible variations of protein yield in plants exposed to different cultural conditions, our goals were : (i) to map the accumulation of a clinically useful viral antigen in leaves of the tobacco relative Nicotiana benthamiana used as protein biofactory, and (ii) to evaluate the impact of light conditions during plant growth on total antigen yield. We looked at eventual relations in planta between leaf age, light intensity, light quality, transgene expression and final protein yield in leaves. Our data confirmed the central influence of leaf age on antigen yield variation from one leaf to another, and the positive impact of light intensity on total yield per plant. They also highlight the importance of secondary stem growth on total yield, and the key role of transgene transcription on antigen content at the cell scale.

L'architecture des modèles de logement dans l'Arctique canadien doit être optimisée pour offrir aux occupants des liens positifs avec l'environnement extérieur, ce qui constitue le principal principe de conception biophilique. Les stratégies architecturales doivent également améliorer la performance énergétique des logements, la transition thermique et l'exposition à la lumière du jour lors des interactions intérieur-extérieur - lorsque l'on passe d'un environnement extérieur extrêmement froid à des espaces intérieurs climatisés. La biophilie est l'idée de relier les intérieurs à la nature extérieure pour améliorer le bien-être des occupants. Cependant, les modèles de logements arctiques existants n'offrent pas aux occupants des connexions positives et suffisantes avec l'environnement extérieur hostile. Les liens limités avec l'environnement extérieur et les éléments naturels ont eu un impact négatif sur le bien-être physique et psychologique des occupants de l'Arctique. Les espaces intermédiaires biophiliques se caractérisent par leur transparence et leur liberté de mouvement, c'est-à-dire des espaces non conditionnés situés entre l'environnement extérieur et le modèle de logement climatisé. L'intégration d'espaces intermédiaires biophiliques dans les modèles de logements arctiques peut créer une zone d'adaptation thermique qui assure des transitions thermiques efficaces et progressives avec l'environnement extérieur. La transparence des espaces intermédiaires peut maximiser l'accès à la lumière du jour, ce qui peut contribuer à la santé des occupants liée à la lumière et aux activités semi-extérieures. Les espaces intermédiaires à circulation libre peuvent optimiser l'efficacité énergétique globale du modèle de logement arctique en protégeant l'enveloppe du bâtiment et les ouvertures contre les pertes de chaleur. Cependant, les espaces intermédiaires biophiliques n'ont pas été adaptés aux modèles de logements arctiques canadiens. Les méthodologies de la thèse comprennent une revue de la littérature combinée à une analyse archétypale et à une observation in situ afin d'examiner de manière critique la conception des logements arctiques existants et les études de cas d'espaces intermédiaires reliant l'environnement intérieur à l'environnement extérieur. La thèse utilise également des méthodes numériques avec une simulation numérique paramétrique pour évaluer la performance thermique, l'éclairage et la performance énergétique des espaces intermédiaires libres pour un modèle de logement arctique au Nunavut, Canada. Grâce à la méthode paramétrique, les variables architecturales des espaces intermédiaires sont évaluées en termes (i) de variables de conception primaires, c'est-à-dire l'orientation, le volume de l'espace et le ratio de transparence, et (ii) de variables de conception secondaires, c'est-à-dire les matériaux et la contiguïté physique des espaces. La température (°C), le facteur de lumière du jour (FL) et l'intensité de la consummation d'énergie (ICE) sont considérés comme les principaux indicateurs de performance. 26 études de cas d'espaces intermédiaires ont été explorées en termes de performance optimale dans des conditions climatiques annuelles, hebdomadaires typiques (pour chaque saison) et quotidiennes. Les résultats de la thèse comprennent un cadre de bien-être biophilique établissant des connexions intérieures-extérieures positives en termes de performances thermiques, visuelles (liées à la lumière) et énergétiques. La thèse développe également un cadre de conception identifiant les principales variables architecturales et les indicateurs de performance pours intégrer les espaces intermédiaires biophiliques dans les modèles de logements arctiques. Les résultats suggèrent également la configuration architecturale optimale des espaces intermédiaires biophiliques pour l'habitat arctique, qui comprend des ratios de transparence de 50 à 80 % et une profondeur d'espace d'environ 6 mètres. Les modèles optimaux offrent une température intérieure moyenne comprise entre 13,5° C et 16° C et un facteur de lumière du jour supérieur à 30 % tout au long de l'année. Ces modèles optimaux d'espace intermédiaire biophilique et libre peuvent réduire la consommation d'énergie dans les logements arctiques d'environ 19 kWh/m2 par an. Les résultats de la thèse révèlent que les configurations architecturales optimales des espaces intermédiaires biophiliques et libres peuvent établir des connexions intérieures-extérieures efficaces, répondant efficacement aux besoins de bien-être des occupants de l'Arctique, y compris sur le plan thermique et de l'éclairage. En tant que résultat principal de la thèse, les résultats peuvent éclairer les architectes et les décideurs sur les avantages des espaces intermédiaires biophiliques pour améliorer le bien-être des occupants de l'Arctique et optimiser l'efficacité énergétique des modèles de logement de l'Arctique. Les résultats de la recherche pourraient aider les décideurs politiques à promouvoir des conditions de vie plus saines et à améliorer le bien-être de la communauté. Les configurations optimales des espaces intermédiaires biophiliques peuvent profiter aux communautés inuites de l'Arctique canadien, en leur offrant la possibilité de se connecter à l'environnement extérieur et de promouvoir leur bien-être. / The architecture of Canadian Arctic housing models must be optimized to provide occupants with positive connections to the outdoor environment as the main biophilic design principle. Architectural strategies must also improve housing energy performance, thermal transition, and exposure to daylight during indoor-outdoor interactions - when moving from the extremely cold outdoor environment to air-conditioned indoor spaces. Biophilia is the idea of connecting indoors to the outdoor nature to improve occupants' well-being. However, existing Arctic housing models do not provide occupants with positive and sufficient connections to the harsh outdoor environment. Limited connections with the outdoor environment and natural elements have reportedly negatively impacted Arctic occupants' physical and psychological well-being. Biophilic intermediate spaces are characterized as transparent and free running, i.e., unconditioned spaces located between the outdoor environment and the air-conditioned housing model. Integrating biophilic intermediate spaces into Arctic housing models can create a thermal adaptation zone that provides efficient and gradual thermal transitions with the outdoor environment. The transparency of intermediate spaces can maximize access to daylight, that can contribute to occupants' light-related health and semi-outdoor activities. The free-running intermediate spaces can effectively optimize the overall energy efficiency of the Arctic housing model by protecting the building envelope and openings from heat loss. However, biophilic intermediate spaces have not been develop for Canadian arctic housing models. The thesis methodologies consist of a scoping literature review combined with archetypal analysis, and in-situ observation to critically review the design of existing Arctic housing and case studies of intermediate spaces connecting the indoor and the outdoor environment. The thesis also employs numerical methods with parametric digital simulation to evaluate the thermal, lighting, and energy performance of free running intermediate spaces for an Arctic housing model in Nunavut, Canada. Through the parametric method, architectural variables of intermediate spaces are evaluated in terms of (i) primary design variables, i.e., orientation, space volume, and transparency ratio, and (ii) secondary design variables, i.e., materials, and physical adjacency of spaces are evaluated. Temperature (°C), Daylight Factor (DF), and Energy Use Intensity (EUI) are considered as the main performance indicators. 26 case studies of intermediate spaces have been explored in terms of optimum performance under annual, typical weekly (for each season), and daily climatic conditions. The thesis results include a biophilic wellbeing framework establishing positive indoor-outdoor connections in terms of thermal, visual (light-related), and energy performance. The thesis also develops a design framework identifying main architectural variables and performance indicators to integrate biophilic intermediate spaces into Arctic housing models. Results also suggest the optimum architectural configuration of biophilic intermediate spaces for Arctic housing that includes 50% to 80% transparency ratios and approximately 6 meters space depth. The optimum models provide an average indoor temperature between 13.5° C to 16° C and a Daylight Factor above 30% around the year. Such optimum models of biophilic and free-running intermediate space can reduce energy in Arctic housing around 19 kWh/m² annually. The thesis result reveals that the optimum architectural configurations of biophilic and free-running intermediate spaces could establish efficient indoor-outdoor connections, effectively addressing the Arctic occupants' well-being needs including thermal and lighting. As the major thesis outcome, the findings can enlighten architects and decision-makers about the advantages of biophilic intermediate spaces to improve the well-being of Arctic occupants and optimize the energy efficiency of Arctic housing models. Research findings could help policymakers promote healthier living conditions and improve the well-being of the community. Optimum configurations of biophilic intermediate spaces can benefit Inuit communities of the Caadian Arctic, offering them the opportunity to connect with the outdoor environment and promote their well-being.

Cette thèse présente un cadre de visualisation immersif développé pour améliorer le bien-être des occupants dans les environnements bâtis de l'Arctique. La thèse préconise la biophilie dans les espaces arctiques par la visualisation des ambiances intérieures et le ratio d'accès à la vue extérieure dans le champ de vision de 360°. En outre, elle contribue au bien-être photobiologique en incorporant des techniques basées sur l'image pour analyser les conditions d'éclairage intégratives, tout en tenant compte de la distribution de la température sur les surfaces intérieures. Grâce au développement d'un processus de capture holistique et à la présentation d'informations multivariantes dans des vues immersives à 360°, la thèse aborde l'accessibilité à l'éloignement des régions arctiques pour les explorations multidisciplinaires des ambiances intérieures. Elle sert les communautés arctiques en facilitant l'interprétation des effets environnementaux pour les architectes et les décideurs du monde entier grâce à une visualisation complète. Dans l'architecture Arctique, une approche biophilique de la conception des fenêtres se heurte à des difficultés liées à des considérations climatiques telles que des hivers extrêmement froids et prolongés et des photopériodes arctiques variées. Ces conditions climatiques contribuent à générer des effets complexes liés à la lumière et à la chaleur dans les espaces intérieurs. Ces attributs intérieurs non visibles comprennent les effets d'éclairage intégrés sur les occupants et les variations de température sur les surfaces intérieures. La représentation de ces effets non visibles permet d'éclairer la prise de décision pour développer une conception biophilique dans les environnements arctiques. Cependant, l'applicabilité de la représentation des conditions d'éclairage et de température basée sur la simulation est limitée dans de tels environnements, étant donné la variabilité des paramètres influençant la perception des ambiances par rapport aux références humaines et architecturales. En outre, la réalisation d'évaluations environnementales in-situ dans les espaces intérieurs de l'Arctique présente plusieurs défis. Il s'agit notamment de l'accessibilité et de la complexité des techniques de mesure standard et, plus important encore, de l'interprétabilité des résultats concernant les causes et les effets architecturaux et environnementaux. Cette thèse aborde ces limitations en élargissant une méthodologie compréhensive, établissant des représentations environnementales à travers des évaluations in-situ dans des directions de vision à 360°. L'adaptabilité de la méthodologie aux technologies de visualisation immersive, telles que la réalité virtuelle, et sa compatibilité avec les techniques d'évaluation de la relation humain-environnement la rendent très pertinente pour le domaine plus large de l'architecture et des sciences de l'environnement. Des applications visées en architecture au-delà de l'amélioration de l'éclairage, englobant des considérations liées au confort et à l'efficacité énergétique, en particulier dans les conditions climatiques extrêmes de l'Arctique. La thèse présente un système de capture économique conçu pour les environnements immersifs à 360°, qui fournit des informations sur l'éclairage intégré, la température de surface et le ratio de l'accès à une vue sur extérieur. Explorant les possibilités d'application des paramètres photobiologiques dans les normes de bâtiment et leur représentation par des mesures basées sur l'image, la méthodologie aborde l'accessibilité et l'aspect pratique de la représentation de conditions environnementales non visibles dans des espaces intérieurs de l'Arctique situés dans des régions éloignées. La recherche développe une visualisation immersive holistique de la lumière et de la chaleur basée sur l'image pour une architecture Arctique biophilique, soulignant la nature informative de la méthode proposée à des fins de recherche et de pédagogie. La thèse présente une nouvelle approche de la visualisation des environnements architecturaux en ce quiconcerne la direction de la vue, l'amélioration de la détection de l'éclairage favourable à la santé et l'information sur les conditions thermiques à l'intérieur des espaces en fonction de la temporalité. Dans les phases finales de la thèse, l'attention se porte sur l'évolution de la technique de capture immersive aspect du design en co-création avec les communautés éloignées. En outre, la thèse encourage la recherche future en menant des expériences qui explorent la pertinence de la méthode pour les évaluations dans un grand nombre d'espaces intérieurs. Elle ouvre la voie à des avancées dans l'évaluation environnementale post-occupation, en élargissant sa pertinence pour les rénovations biophiliques dans les contextes climatiques de l'Arctique. / This thesis introduces an immersive visualization framework designed to enhance the well-being of occupants in Arctic built environments. The thesis advocates for Biophilia in Arctic spaces through visualization of indoor ambiences, and the outdoor view access ratio within the 360° field of view. Additionally, it contributes to photobiological well-being by incorporating image-based techniques for analysing integrative lighting conditions, while considering temperature distributions on interior surfaces. Through the development of a holistic capturing process and the presentation of multivariant information in immersive 360° views, the thesis addresses accessibility to the remoteness of Arctic regions for multidisciplinary explorations of indoor ambiences. It serves Arctic communities by facilitating the interpretation of environmental effects for architects and decision-makers worldwide through comprehensive visualization. In Arctic architecture, a biophilic design approach in window design encounters challenges due to climate considerations such as prolonged extreme cold winters and diverse Arctic photoperiods. Such climate conditions contribute to complex effects related to light and heat experienced within indoor environments. These non-visible indoor attributes include integrative lighting effects on occupants, and temperature variation on interior surfaces. Representing these non-visible effects informs decision-making for developing a biophilic design in Arctic environments. However, the applicability of simulation-based representation of lighting and thermal conditions is limited in such environments, given the variability of parameters influencing the perception of ambiences in relation to human and architectural references. Additionally, conducting in-situ environmental assessments in Arctic interiors presents several challenges. These include the accessibility and complexity of standard measurement techniques, and, more importantly, the interpretability of results concerning the architectural and environmental causes and effects. This thesis addresses these limitations by developing a comprehensive methodology, establishing environmental representations through in-situ assessments in 360° viewing directions. The methodology's adaptability to immersive visualization technologies, such as virtual reality, and its compatibility with human-environment assessment techniques make it highly relevant to the broader field of architecture and environmental sciences. This extends beyond lighting enhancement, encompassing considerations related to comfort and energy efficiency, especially in critical environmental conditions of the Arctic. The thesis introduces a low-cost capturing system designed for 360° immersive environments, providing all-view-direction information regarding integrative lighting, surface temperature, and the ratio of view access to outdoors in 360 degrees. Exploring opportunities in the application of Photobiological thresholds in building standards and their representation through image-based measurements, the methodology addresses accessibility and practicality in representing non-visible ambiences in remote Arctic indoors. Underscoring the informative nature of the proposed method for research and pedagogic purposes, it offers a holistic image-based immersive visualization of light and heat for biophilic Arctic architecture. The thesis results in introducing a new approach in visualizing architectural environments regarding view direction, improving the detection of health-supportive lighting and informing thermal conditions within the spaces in daily timespan. In the concluding phases of this study, attention turns to the evolution of the immersive capturing technique as a key aspect. Additionally, the thesis propels future research by conducting experiments that probe into the method's suitability for evaluations across a large number of indoor spaces. It establishes pathways for advancements in post occupancy environmental assessment, expanding its relevance to biophilic retrofits in Arctic climate contexts.