Résumé : Les propriétés bio-optiques et bio-physiques du golfe et de l'estuaire du Saint-Laurent ont été évaluées au cours de 5 croisières multi-saisonnières menées entre 1997 et 2001. Les propriétés optiques intrinsèques (KM) mesurées comportaient des profils verticaux du coefficient d'absorption et d'atténuation et la fonction de diffusion volumétrique ainsi que te coefficient d'absorption par les particules (total), par les particules non-algales, par le phytoplancton et par la matière organique dissoute (CDOM). Les paramètres optiques apparents (POA) incluaient les profils verticaux de la luminance ascendante et de l'éclairement descendant. L'allure spectrale des principaux PO! comme l'absorption par le phytoplancton, le CDOM et les particules non-alguales comme la rétrodiffusion particulaire ont été paramétrisés en utilisant les modèles conventionnels mais aussi des adaptations de ces modèles. Les statistiques descriptives de chaque variable de cette collecte de données sont décrites. Les variations spatiales et temporelles observées dans les paramètres biophysiques et leurs allures spectrales sont également présentées. Les résultats indiquent que les taux mesurés de POI et de POA varient selon des proportions déjà observées dans des écosystèmes côtiers semblables. Les patrons de variation spatiale et temporelle étaient, en général, conformes aux variations attendues vis-à-vis des considérations théoriques et expérimentales pour cet écosystème particulier. D'ailleurs, les allures spectrales des POI et des POA se sont déclarées conformes avec la variation détectée dans les concentrations (visiblement significatives) des constituants mesurés. Une série complète des sections efficaces des POI a été calculée à partir des données acquises en mer. La variation des sections efficaces à été conforme aux taux de variation déjà décrits dans la littérature. Ces résultats nous permettent de conclure que le jeu de données que nous possédons pourrait être utilisé dans le calcul de la concentration des constituants bio-géochimiques à partir des POI associés. Une étude de concordance des données bio-optiques au niveau de transfert radiatif à été effectuée. Les paramètres optiques simulés correspondaient dans un même ordre de grandeur avec les paramètres optiques mesurés. Ce résultat nous a permis de confirmer la validité de notre jeu de données acquis en mer avec une approche théorique. Nous pouvons avancer le fait que cette campagne de collecte de données a permis de décrire à une large échelle le comportement des régions bio-optiques du Saint-Laurent dans le contexte des objectifs de la télédétection. Cet ensemble de données bio-optiques fournit une base solide pour le développement d'un modèle rigoureux d'inversion de la concentration de Chla à l'aide d'un algorithme satellitaire pour les eaux de type II du système du Saint-Laurent.||Asbract : In-water biogeochemical constituents and bio-optical properties of the St-Lawrence Gulf and Estuary were monitored during 5 cruises conducted between 1997-2001 accross different seasons. Measured inherent optical properties (IOPs) included vertical profiles of the absorption and attenuation coefficients and the volume scattering function as well as absorption by particles, non-algal particles, phytoplankton and coloured dissolved organic matter (CDOM). Apparent Optical parameters (AOPs) included vertical profiles of the upwelling radiance and downwelling irradiance. The spectral shape of the major IOPs like absorption by phytoplankton, CDOM and non-algal particles as well as the particulate backscattering were parameterized using conventional models and adaptations of conventional models. Descriptive statistics of each variable in the collected dataset were analysed and compared with previous findings in the literature. The optical coherence of the measurements was verified using a radiative transfer closure approach. A complete set of 10P cross-sections for optically significant biogeochemical variables were generated. The magnitude and the spatial, temporal and spectral variation exhibited by the optically significant inwater biogeochemical constituents as well as the bio-optical parameters was consistent with our current knowledge of the ecosystem. The variation of the bio-optical parameters throughout the seasons was also coherent with our expectations. All the measured and derived parameters were found to vary within the ranges reported in the literature. Evidence was presented wherein the Gulf waters, which are usually considered as case I waters could also behave like case II waters. Moreover, spectral signatures exhibited by the IOPs and AOPs were coherent with the variation detected in the concentrations of the measured (optically significant) constituents. The extracted 10P crosssections were consistent with the results of similar studies previously performed and could eventually be used in the estimation of the biogeochemical constituent concentrations given the related component IOPs. First-order radiative transfer closure was achieved; this underscored the validity of our experimental dataset based on considerations of higher level, integrative, physics. We argue that the current data collection campaign succeeded as a comprehensive framework for describing the behavior of the St-Lawrence bio-optical provinces within the context of remote sensing objectives. This bio-optical dataset should provide the basis for the development of a rigorous, satellite-based, remote sensing algorithm for the retrieval of near surface chlorophyll, fine-tuned to the local characteristics of the St-Lawrence system.

Dans cette thèse, nous étudions les modifications optiques et structurales induites par des impulsions provenant d'un laser Ti:Saphir dans la silice et le ZBLAN. Nous avons réalisé une série d'expériences dans le but d'écrire des guides d'onde dans ces matériaux et d'en optimiser les conditions d'écriture. Les modifications induites via la focalisation d'impulsions femtosecondes à l'intérieur des matériaux ont ensuite été caractérisées. Dans la silice, les modifications observées sont, entre autres, le changement positif de l'indice de réfraction et la création de guides d'onde. Par contre, dans le ZBLAN, le changement de l'indice de réfraction peut être positif ou négatif selon la composition du verre. Nous avons ainsi étudié la création de guides d'onde et d'anti-guides d'onde dans ce matériau. Nos études nous ont permis d'établir les liens entre les phénomènes de fïlamentation, de claquage et de changement de l'indice de réfraction. Nous apportons aussi une meilleure compréhension aux mécanismes présents lors du changement d'indice de réfraction dans les verres, ce qui a permis d'optimiser le processus d'écriture des guides d'onde.

La thèse est consacrée au développement de la théorie quantique de l’intrication et de la statistique non classique des champs optiques multimodaux dans les interactions paramétriques. Nous étudions également des applications de ce type de champs dans les schémas de l’information quantique. Nous considérons deux types d’interactions paramétriques, appelées concurrents et consécutifs, entre cinq modes du champ électromagnétique avec des fréquences différentes. Le premier type d’interaction est le processus de conversion de fréquence connu comme « parametric down-conversion » accompagné par « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. Nous démontrons que ces deux processus concurrent produisent une intrication de trois modes du champ électromagnétique avec les trois fréquences différentes. Nous trouvons les conditions optimales pour la création de ce type d’intrication. Le deuxième processus considéré dans la thèse est celle du « parametric down-conversion » accompagné par deux « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. Nous avons trouvé l’intrication entres les deux modes de basses fréquences [Oméga]1 et [Oméga]2 et les deux modes de hautes fréquences [Oméga]3 et [Oméga]4 . En appliquant le critère basé sur les valeurs symplectiques nous avons quantifié ce type d’intrication. Nous avons étudié des propriétés de champs avec plusieurs modes spatiaux dans les deux configurations de l’imagerie quantiques : le champ proche et le champ lointain. Dans les deux cas nous avons calculé le rapport signal à bruits et étudié son comportement en fonction des paramètres physiques. Nous avons également proposé et étudié un schéma pour téléportation des images optiques classiques et non classiques (intriquées). Nous avons évalué la fidélité de téléportation en fonction des paramètres de notre système tels que la taille de pixel dans la caméra de détection et la longueur de cohérence de l’émission paramétrique. / The main goal of the thesis is to elaborate the quantum properties, such as entanglement and quantum statistics, of multi-frequency fields, both spatial single-mode and multimode, generated in coupled parametric wave interactions and consider some applications of these fields in quantum information schemes. In the thesis two coupled (also named as concurrent or consecutive) parametric interactions involving modes of five frequencies are considered. The first interactions are two parametric down-conversion processes accompanied by the up-conversion process: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. It has been shown that the resulting three-frequency optical field is in a three mode entangled state. We formulate the optimal conditions for creation of such type of entanglement. The other coupled interactions comprise one parametric down-conversion process with two up-conversion ones: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. The entanglement analysis, carried out for these interactions, suggests that the modes with frequencies [Oméga]1 and [Oméga]2 low-frequency modes) along with modes with frequencies [Oméga]3 and [Oméga]4 (high-frequency modes) exhibit two-mode entanglement. Moreover, the symplectic eigenvalue criterion has shown the presence of block entanglement between low-frequency and high-frequency modes. The properties of the spatially multimode fields, generated in the second type of interaction, were investigated for two configurations of quantum imaging schemes: the near-field and the far-field. For both configurations the signal-to-noise ratio and entanglement properties of the generated images have been studied in detail. The schemes for teleportation of entangled spatial single-mode states and entangled images using auxiliary quantum states obtained in the second interactions are proposed and thoroughly analyzed. The teleportation quality in dependence on the amount of entanglement in auxiliary fields and the states to be teleported has been studied. For the images teleportation scheme the influence of the detectors pixel size on the quality of teleportation has been analyzed.

Le besoin croissant de biocapteurs optiques compacts, sélectifs, ultrasensibles, rapides et bas coût dans les domaines médical et environnemental a engendré une émergence de solutions technologiques, notamment les capteurs à bases de microrésonateurs optiques. Ces types de biocapteurs sont capables de fournir une détection sélective de très faibles concentrations de biomolécules si leurs surfaces sont fonctionnalisées. En revanche, les deux méthodes optiques d'interrogation actuelles, balayage spectral et variation de l’intensité, ne peuvent ni fournir la sensibilité de la phase du signal optique propagé dans le capteur, ni les paramètres opto-géométriques (perte par propagation, l'indice effectif, coefficient de couplage, etc) nécessaires pour une modélisation de la réponse du capteur. Pour accéder à ces informations, nous avons proposé d’utiliser l'interféromètre optique à faible cohérence sensible à la phase comme une technique alternative d’interrogation et de caractérisation de microrésonateurs. La première partie des travaux de cette thèse est consacrée à l’étude de conception et de réalisation de microrésonateurs monomodes possédant un facteur de qualité supérieur à 20000 dans l'eau. Cette étude a été validée par la réalisation technologique, à l'aide des procédés de photolithographie classique et de gravure sèche au plasma d'oxygène, de microrésonateurs polymères possédant des facteurs de qualité allant jusqu'à 38 200. La deuxième partie des travaux de thèse est dédiée à l'adaptation du dispositif PS-OLCI, initialement développé au Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE) pour interroger les composants des télécommunications optiques, pour la caractérisation de microrésonateurs optiques. Les résultats obtenus en évaluant les performances spatiales et spectrales de différents microrésonateurs ont montré que le dispositif PS-OLCI n'est pas seulement un outil d'interrogation et de caractérisation mais aussi un véritable outil d’aide à la conception de microrésonateurs optiques. Une modélisation, validée par l'ajustement des mesures expérimentales, de la réponse PS-OLCI d'un microrésonateur, met en évidence la relation existant entre l'interférogramme et les intégrales de Fresnel. La dernière partie de nos travaux concerne l'association du dispositif PS-OLCI et d’un composant optofluidique, constitué de microrésonateurs et d’un circuit microfluidique en polymères, pour la détection d’espèces biologiques. A cet effet, la molécule de glucose a été choisie pour démontrer la détection homogène ou volumique en solution aqueuse en obtenant respectivement les limites de détection de l'ordre de 50 µg/ml et de 2 µg/ml en exploitant l’intensité ou la phase des mesures PS-OLCI. Ces performances démontrent la capacité de notre capteur à déceler des biomolécules en faible concentration ainsi que la pertinence de la mesure de la phase, d'où l'intérêt du dispositif PS-OLCI. Pour remédier au problème de sélectivité du capteur en détection homogène, la méthode de détection surfacique est utilisée. La problématique de chimie de surface des polymères, c'est à dire la fonctionnalisation des surfaces des guides polymères en vue d’une détection surfacique, a d'abord été effectuée. Les limites de détection obtenues en détection surfacique sont ensuite évaluées à leur tour pour différents types de molécules particulièrement les protéines telles que la streptavidine ou la biotine. Les performances de détection de streptavidine obtenues sont au moins 10 fois meilleures que celles obtenues à l’aide de la technique de Résonance de Plasmons de Surface considérée à ce jour comme la technique de référence en biodétection sans marqueur. Ces premiers résultats, présentant des marges importantes d’amélioration, contribuent à démontrer que les capteurs à base de microrésonateurs optiques sont des candidats potentiels très prometteurs pour la détection de très faibles concentrations de biomolécules pour l’analyse biochimique. / The increasing need for compact, selective, ultrasensitive, fast and affordable optical biosensors in the medical and environmental sectors gave rise to new technological solutions, especially regarding sensors based on optical microresonators. If their surfaces are functionalized, these biosensors can provide a selective detection of low concentrations of biomolecules. However, two common optical interrogation methods – spectral scanning and intensity variation – cannot provide the same sensitivity as the method using phase detection of the guided modes nor the opto-geometrical parameters (propagation loss, effective refractive index, coupling coefficient), needed for the modeling of the sensor response. To get this information, we proposed to use the Phase Sensitive-Optical Low Coherence Interferometer (PS-OLCI) as a new alternative technical solution for interrogation and characterization of microresonators. The first part of this thesis is dedicated to the conception and fabrication of single mode microresonators with a quality factor higher than 20 000 in water. This work was validated by the manufacture of polymer microresonators with a quality factor up to 38 200, using UV photolithography and Reactive Ion Etching (RIE) processes. The second part of this work covers the adaptation of PS-OLCI setup, initially developed at Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE), to interrogate optical telecommunication devices, for the characterization of optical microresonators. The results, obtained through the analysis of spatial and spectral performances of various microresonators, showed that the PS-OLCI setup is not only an interrogation and characterization tool but also a real support tool for designing optical microresonators. The performed modelling of the PS-OLCI and microresonator association response, validated by the fitting of the experimental data, demonstrated the relation between PS-OLCI measurements and Fresnel integrals. The last part of this work is dedicated to label free biosensing experiments using PS-OLCI setup associated to an optofluidic component, made of polymer optical microresonators and polymer microfluidic circuit, to detect biological species. The glucose molecule was chosen to demonstrate the homogeneous sensing experiments in aqueous solution. The obtained detection limits are around 50 µg/ml when we exploited intensity and around 2 µg/ml when we exploited the PS-OLCI measurements phase. These results demonstrate the high sensitivity of the proposed biosensor as well as the value of the optical phase measurement, hence the interest of PS-OLCI set up. To address the problem of sensor selectivity in homogeneous sensing method, surface sensing experiences were performed. The first step of this method was the functionalization of the sensor surface, by binding adequate recognition molecular sites to the sensor surface in order to immobilize target molecules. Proteins were then chosen to perform this very same type of experiences. The preliminary results in the 0.02 pg/mm2 range clearly show that our sensors is ten times more sensitive than Surface Plasmon Resonance, which is actually considered among the most successful label free sensing methods. These first results, which can be improved, demonstrate that the sensors based on optical microresonators are promising candidates for the detection of low concentrations of biomolecules for biochemical investigation.

Cette thèse est dédiée à l’élaboration de fibres optiques microstructurées en verre de chalcogénure. Ces verres présentent un large domaine de transparence dans l’infrarouge et des propriétés optiques non-linéaires importantes. Les fibres optiques microstructurées sont composées d’un arrangement périodique de trous d’air s’étalant le long de l’axe de la fibre. Elles possèdent ainsi des propriétés de propagation originales qui suscitent un grand intérêt dans la communauté scientifique. La possibilité de mettre les verres de chalcogénure sous forme de MOFs offre de nombreuses applications potentielles en optique passive et en optique active. Nous nous sommes intéressés à plusieurs d’entres elles. Ces travaux s’articulent en effet autour de trois objectifs majeurs : le transport de puissance dans les fenêtres de transparence atmosphériques II et III, la réalisation d’un capteur chimique et la conversion de longueurs d’onde par des effets non-linéaires. Les compositions sélectionnées pour élaborées les fibres (As38Se62, As40S60, Te20As30Se50 et Ge10As22Se68) ont fait l’objet d’une recherche approfondie de manière à trouver des méthodes de purifications adéquates pour obtenir des fibres présentant de très faibles pertes optiques. Les MOFs obtenues à partir des verres purifiés présentent des pertes inférieures au dB/m sur une grande gamme de longueur d’onde. De tels résultats permettent d’assurer le transport de moyenne puissance dans les bandes II et ou III selon la fenêtre de transmission de ces verres. Concernant la réalisation d’un capteur dans l’infrarouge, une nouvelle géométrie de fibre a été élaborée. Elle consiste en une fibre dont le cœur est partiellement exposé à l’environnement extérieur grâce à la présence d’une fente le long de l’axe de la fibre. Les essais de détection de liquides réalisés sont concluants, les résultats montrent que la fibre à cœur exposé conçue est plus sensible qu’une fibre monoindice présentant un diamètre deux fois plus petit. Un petit diamètre de cœur est un paramètre recherché afin d’exacerber les effets non-linéaires. Ainsi deux géométries de fibres ont été sélectionnées pour fabriquer les fibres destinées à générer des effets non-linéaires : les fibres multimodes à cœur suspendu (Øc<3µm) et les fibres monomodes à trois couronnes de trous (Øc<5µm). Les propriétés non-linéaires des fibres élaborées ont été analysées à l’ONERA et au laboratoire FOTON. A la vue de l’ensemble des résultats, le caractère monomode permet d’obtenir des supercontinuums plus réguliers dans la fenêtre 3-5µm et semble indispensable pour les conversions de longueurs d’onde à 1,55µm. Les fibres réalisées ont permis d’obtenir des conversions de longueurs d’onde à un taux supérieur à 170Gb/s, de démultiplexer un signal à 170,8Gb/s et de réaliser un laser à fibre Brillouin présentant des seuils de déclenchement de puissance très bas. / The present works concern the elaboration of chalcogenide glass Microstructured Optical Fibers (MOFs). Chalcogenide glasses present a large transparency window in the infrared and high non-linear optical properties. MOFs are based on only one glass, the guidance of the light beam in the fiber core is possible thanks to the presence of a periodic holes arrangement defining the microstructure. This particular mode guidance combined with the original properties of chalcogenide glasses leads to numerous potential applications. In this thesis different applications have been investigated. Indeed, the works focus on three main aims: power transmission in the II and III atmospheric transparency windows, the fabrication of a sensor for chemical species and wavelength conversion thanks to non-linear effects. Whatever the application, it is needed to synthesize very high purity glasses in order to reach optical losses as low as possible. Thus, the glass compositions selected to carry out the fibers (As38Se62, As40S60, Te20As30Se50 and Ge10As22Se68) have been the subject of extensive researches to find the most appropriated purification processes. Thanks to the optimization of the purification methods, the elaborated fibers present optical losses as low as 1dB/m over a wide range of wavelengths. Such a result allows the transport of light power in the II or the III band depending on the glass composition. Regarding the development of a sensor in the infrared, a new fiber geometry has been performed. It consists in a fiber whose core is partially exposed to the external environment thanks to the presence of a slit along the fiber. Such a configuration was obtained by modifying the preform molding method. The detection tests carried out are promising. Indeed, the exposed core fiber is more sensitive than a single index fiber having a twice smaller external diameter. A small core diameter is needed to enhance non-linear effects. Thus, to generate such effects, two different fiber designs have been chosen: suspended-core multi-mode fibers (Øc<3µm) and three rings of holes single-mode fibers (Øc<5µm). The latter configuration was obtained by developing the Ge10As22Se68 glass composition, very stable against crystallization. Indeed, the optical properties of the glass do not change even after several thermal treatments needed for the casting steps. The non-linear optical properties of the fabricated fibers have been analyzed at thanks to a collaboration with ONERA and the FOTON laboratory. The results show that the single mode guidance allows to obtain more regular supercontinuums in the 3-5µm region and seems to be essential for wavelength conversions at 1.55 µm. Thus, the low-loss single-mode fibers presenting core diameters smaller than 5µm allowed the conversion and demultiplexing of a 170Gb/s signal and the realization of a Brillouin fiber laser with very low power threshold.

Depuis quelques années, le besoin de systèmes de communications plus rapides et plus sures se fait sentir. Le partage entre utilisateurs de la très grande bande passante des fibres optiques nécessite des techniques d'accès adaptées. Afin de répondre à ces besoins, un certain nombre de techniques de multiplexage, dont le CDMA, ont été développées. Cette technique d'accès multiple est déjà largement utilisée dans les systèmes de communications radio-mobiles, que ce soit dans les normes américaines (IS 95), japonaises ou, plus récemment, européenne (UMTS). Ce rapport de thèse traite du DS-CDMA appliqué aux communications optiques. Le premier chapitre permet une mise en contexte et décrit le fonctionnement des techniques de multiplexage utilisées dans les systèmes radiofréquences et les systèmes de transmissions optiques. Le second chapitre présentes les différents types de code utilisés dans les systèmes CDMA. Les codes bipolaires associés aux systèmes radiofréquences sont définis et une présentation des codes optiques est effectuée. Les caractéristiques et contraintes que doivent respecter ces codes optiques, pour être utilisable dans une liaison DS-CDMA optique, sont données. Dans le troisième chapitre, la transmission de signaux CDMA sur un canal optique, passif ou amplifié est abordée et les configurations de décodage électrique et optique, ainsi que les performances du système optique dans ces différentes configurations sont étudies La dernière partie de notre étude concernera l'utilisation de codeurs / décodeurs à réseaux de Bragg dans un système CDMA optique. Des simulations et des montages expérimentaux permettront d'étudier la faisabilité d'une telle implémentation.

Thèse de doctorat--Informatique et réseaux--Paris--ENST, 2005. / Bibliogr. p. 177-189. Glossaire. Index. Résumé en français et en anglais.

Thèse de doctorat--Électronique et communications--Paris--ENST, 2006. / Notes bibliogr. Résumé.

Thèse doctorat : Électronique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3436. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 107-110.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2001. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque chapitre.