Titre de l'écran-titre (visionné le 26 juin 2023) / L'étude du cerveau est cruciale à la compréhension de son fonctionnement et pour l'avancement en médecine. Il existe une multitude de techniques pour visualiser ou mesurer l'activité du cerveau afin d'étudier ses mécanismes. Pour étudier une population spécifique de neurones, la photométrie par fibre optique est souvent préférée puisqu'elle permet de mesurer l'activité de seulement un groupe de neurones spécifiquement marqué par des indicateurs calciques au choix. La photométrie par fibre optique est une technique d'imagerie souvent utilisée chez les rongeurs (habituellement des souris) pour mesurer l'activité neuronale d'un groupe spécifique de neurones lors d'expérimentations in vivo en attachant une fibre optique directement à la région du cerveau à l'étude. Le désavantage de la photométrie par fibre optique conventionnelle est que la fibre optique qui est branchée directement à la tête de la souris doit être acheminée à l'extérieur de l'environnement de test, ce qui limite les déplacements de la souris et lui cause un certain stress. Ce travail propose une preuve de concept d'un système de photométrie par fibre optique sans fil ayant des performances à la hauteur des systèmes commerciaux existants avec fibre reliée à l'extérieur de l'environnement de test. Le design de cette preuve de concept repose sur la conception de circuits analogiques ainsi que le développement d'algorithmes de traitement de signal. Le système conçu dans ce travail offre une lecture de signal avec une référence au point isosbestique avec une puissance équivalent de bruit de 5.39fW/√ Hz, un niveau de bruit équivalent, ou même plus bas que les systèmes commerciaux disponibles. Ce système est sans fil, rechargeable et peut prendre des mesures pendant une durée de 210 minutes (3 heures et 30 minutes). Il contient aussi un lock-in amplifier numérique permettant de réduire le poids et la dimension du système tout en augmentant de 30dB le SNR du signal de photométrie. Les éléments du système de photométrie de ce travail ont été testés sur des souris in vivo lors d'une expérimentation sur l'activité neuronale de l'hypothalamus latéral (LHA) en réponse à un stimulus aversif. / The study of the brain is crucial to its understanding and the pursuit of medical research. There exists a multitude of techniques used to visualize or measure brain activity in order to study its working mechanisms. To study a specific group of neurons, the preferred method is fiber photometry because it allows to monitor a specific group of neurons that have been marked by a chosen calcium indicator. Fiber photometry is an imaging technique often used on rodents (usually mice) to monitor neural activity in a specific type of neuron while performing in vivo experimentation by directly implanting a probing optical fiber to the brain region under study. The drawback of conventional fiber photometry is that the optical fiber implanted in the subject's head needs to be connected outside the test environment, which limits its movements and creates unnecessary stress on the mouse. This work proposes a proof of concept of a wireless fiber photometry system with performance worthy of current existing cabled commercial systems. The design of this proof of concept rests on the conception of analog circuits and the development of signal processing algorithms. The system designed in this work offers a reading with an isosbestic point reference with a noise equivalent power of 5.39fW/√ Hz, a noise level equivalent, or even lower than available commercial products. This system is wireless, rechargeable and can make measurements for a period of 210 minutes (3 hours and 30 minutes). It also contains a digital lock-in amplifier, allowing to reduce the size and weight of the system while still gaining a 30dB increase in SNR in the photometry reading. The various elements of this system have been tested in live mice during in vivo testing of the neural activity of the lateral hypothalamus (LHA) in response to an aversive stimulus.

Le développement des télécommunications optiques à haute capacité fait des multiplexeurs en longueur d'onde un sujet brûlant des récentes recherches. Dans cette thèse, nous proposons et démontrons des réseaux sélectifs planaires ou (Arrayed Waveguide Grating, AWG) basés sur une plateforme de Nitrure de silicium (SiN) comme multiplexeur ou démultiplexeur. Dans le premier chapitre, nous comparons les guides d'onde en silicium et en nitrure de silicium et confirmons que le SiN sera considéré comme la plateforme principale de ce travail. Nous présentons des simulations des guides d'onde de SiN qui forme les AWGs, incluant les guides d'onde planaires, les guides d'onde à bande, les guides d'onde courbés et les guides d'onde fuselée utilisant FDTD solution et Mode solution d'Ansys Lumerical. L'influence des paramètres de conceptions des AWGs en SiN tels que la longueur focale, la distance séparant les guides d'onde, l'espacement entre les ouvertures adjacentes et les pertes de propagation liées à la fabrication sur les performances est aussi étudié en utilisant sur un modèle semi-analytique. Les AWGs communs sont typiquement conçus pour les modes électriques transverses (TE). Pour améliorer la capacité de transmission des réseaux WDM, dans le second chapitre, nous présentons un AWG insensible à la polarisation conçus avec des guides d'onde en SiN. L'insensibilité à la polarisation des AWGs est obtenue lorsque l'espace intercanal et la longueur d'onde centrale des deux modes sont alignés pour un même AWG. L'alignement de l'espace intercanal entre les deux états de polarisations est obtenu en optimisant la géométrie du réseau de guide d'onde, alors que l'insensibilité de la longueur d'onde centrale est obtenue en séparant les deux états de polarisations et en ajustant leur angle d'incidence à l'entrée du coupleur en étoile pour compenser la dispersion entre les modes dans l'AWG. Un multiplexeur de longueur d'onde 1 × 8 avec un espacement entre les canaux de 100 GHz et une diaphonie de −16 dB est démontré expérimentalement. Dans la conception d'un AWGs en SiN, un espacement d'une largeur supérieur à 10 µm entre des guides d'ondes identiques minimise le couplage parasite augmentant ainsi leur empreinte. Dans le troisième chapitre, nous présentons un AWG ultra-compact 1×8 ayant une séparation de 100 GHz entre les canax rendu possible grâce à des guides d'onde en super-réseaux supprimant le couplage entre les guides d'onde. Bénéficiant de la haute densité du super-réseau, cet AWG possède une empreinte compacte de 4.3mm × 0.6mm, ce qui est plus que 2 fois plus petit qu'un AWG conventionnel ayant des performances similaires à celui présenté dans le second chapitre. Le SL-AWG montre aussi une faible perte d'insertion de 3.4 dB et une faible diaphonie de −18 dB. À part le couplage entre les guides d'onde discuté dans le troisième chapitre, l'erreur de phase produite par les variations de fabrication a l'impact le plus important sur les performances de l'AWG. Il a été étudié que leurs performances sont liées à la longueur du réseau de guide d'onde déterminant l'erreur de phase. Toutefois, il existe encore un écart de quantification de l'impact de la longueur du réseau et les variations de fabrication sur les performances de l'AWG. Dans le quatrième chapitre, nous présentons une analyse statistique de l'AWG en présence d'erreurs de phase dans les guides d'onde. Des figures de mérites importantes pour la performance incluant les pertes d'insertion, la diaphonie et la non-uniformité sont paramétrées en fonction de la longueur de cohérence, un paramètre physique qui caractérise l'accumulation d'erreur de phase dans les guides d'ondes optique. Une longueur de cohérence de 23.7 mm au niveau de la matrice pour les guides d'onde de SiN peut être extraite en mesurant les variations dans la longueur d'onde de résonnance d'un interféromètre de Mach-Zhender. Au travers de simulations Monte-Carlo, nous examinons l'impact de l'erreur de phase sur les performances de l'AWG avec une espace entre les canaux de 100 GHz et 200 GHz. / The development of optical communications with high transmission capacity makes wavelength division multiplexing (WDM) systems a hot topic of recent research. In this thesis, we propose and demonstrate arrayed waveguide gratings (AWGs) based on a SiN platform as the multiplexers or demultiplexers. In the first chapter, we compare the material and waveguides between silicon and silicon nitride. We present numerical simulations of the SiN waveguides, including slab waveguides, strip waveguides, bent waveguides and tapered waveguides, using FDTD solutions and MODE solutions from Ansys Lumerical. These waveguides are used to form an AWG in this thesis. The influences of SiN AWGs designed parameters including focal length, separation of arrayed waveguides, gaps between adjacent apertures and propagation loss on the performances are studied based on a semi-analytical model. Common AWGs are typically designed in TE mode. In order to improve the transmission capacity in WDM system, in the second chapter, we present a polarization insensitive AWG built with SiN waveguides. The polarization insensitive AWGs are obtained when both the channel spacing and the center wavelength are aligned for TE and TM modes in a single AWG. The channel spacing polarization insensitivity is obtained by optimizing the geometry of the arrayed waveguides whereas the central wavelength polarization insensitivity is obtained by splitting the two polarization states and adjusting their angle of incidence at the input star coupler. A 100 GHz 1×8 AWG with crosstalk below −16 dB is demonstrated experimentally. In the design of SiN AWGs, the gaps of wider than 10 µm between adjacent identical waveguides are designed to minimize parasitic coupling. However, these gaps suppress further shrinking the footprint of AWGs. In the third chapter, we present an ultra-compact 100 GHz 1 × 8 SiN AWG enabled by a novel concept of the waveguide superlattice suppressing coupling between waveguides. Benefiting from the densely arrayed waveguides patterning with waveguide superlattice, this superlattice AWG has a compact footprint of 4.3 mm × 0.6 mm, which is more than two times smaller than a conventional AWG with similar performance. The SL-AWG also shows a low insertion loss of 3.4 dB and a low crosstalk level of −18 dB. Beside the coupling between waveguides discussed in the third chapter, the phase errors due to fabrication variations have a considerable impact on the performance of AWGs. It is shown that their performances are related to the length of arrayed waveguides determining the phase errors. However, there lacked a practical way to quantify the impact of arrayed waveguide length and fabrication variations on the performances of AWGs. In the fourth chapter, we present a statistical analysis of AWGs in presence of phase errors of arrayed waveguides. The important figures of merits including insertion loss, crosstalk and non-uniformity, are parameterized by the coherence length, a physical parameter that characterizes the accumulated phase errors in an optical waveguide. A die-level coherence length of 23.7 mm for the SiN waveguides is extracted by measuring variation of resonant wavelength of Mach-Zehnder interferometers. Through Monte Carlo simulations, we present the impacts of phase errors on performance of 1 × 4 AWGs with 200 GHz and 100 GHz channel spacings.

Les capteurs à fibre optique distribués (DFS) tirant parti des mécanismes de diffusion se produisant dans l’élément détecteur de fibre, à savoir la diffusion de Rayleigh, Raman et Brillouin, ont été un sujet de recherche intense au cours des trois dernières décennies. Ils offrent de nombreuses applications pratiques classées en raison des avantages inhérents, tels que la petite taille, le poids léger, la sensibilité élevée, les performances excellentes, la durabilité intrinsèque dans des environnements difficiles, l’immunité aux interférences électromagnétiques (EMI), etc. En particulier, le DFS basé sur le processus de diffusion stimulée de Brillouin (SBS), appelé analyse temporelle optique de domaine de Brillouin (BOTDA), présente la capacité potentielle de réaliser la télédétection sur de longues distances, typiquement des dizaines de kilomètres et des centaines de kilomètres récemment. La fibre optique servant non seulement d’élément de détection, mais également de moyen de guidage de la lumière, est capable de détecter divers paramètres physiques d’intérêt, tels que la température, les contraintes, les pressions et les champs acoustiques. Ces measurandes peuvent être détectés directement ou indirectement le long de la fibre entière. Les systèmes de pergélisol dans le Nord canadien sont fortement perturbés par les changements climatiques dus au réchauffement de la planète; le dégel du pergélisol affecte à son tour les environnements et les communautés. Afin de réaliser une surveillance en temps réel de la stabilité des infrastructures, un réseau de détection BOTDA doté d'un nouveau transducteur à fibre optique est proposé pour surveiller les modifications physiques, notamment les pressions interstitielles, la température et le déplacement dans le pergélisol. Le principal défi consiste à mesurer simultanément les pressions d’eau interstitielle positive et négative, et à faire la distinction entre ces measurandes au sein d’un même transducteur. Lors de la première tentative, un polymère d'hydrogel est utilisé pour construire le transducteur, qui peut se dilater ou se contracter du fait de l'absorption ou de la libération d'eau par le matériau afin de détecter les pressions positives et négatives dans la plage cible de -100 kPa à +100 kPa le long d'un pergélisol système. Une fibre multi-cœur (MCF) bien conçue, incorporée dans le transducteur polymère, sera développée dans le but ultime de disposer de fonctionnalités de détection simultanée de plusieurs paramètres. / Distributed optical fibre sensors (DOFS) taking advantage of the scattering mechanisms occurring within the fibre sensing element, i.e. Rayleigh, Raman and Brillouin scattering, have been an intense research subject over the last three decades. They offer widespread practical in-filed applications due to the inherent advantages possessed, such as small size, light weight, high sensitivity, excellent performance, intrinsic durability to harsh environment, immunity to electromagnetic interference (EMI), and so on. Particularly, the one based on stimulated Brillouin scattering (SBS) process, so-called Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA), presents the potential capability to perform remote sensing over long distance, typically tens of kilometres and extended to hundreds of kilometres recently. Optical fibre acting as not only a sensing element but also as a light guidance medium is able to detect a variety of physical parameters of interest, such as temperature, strain, pressure and acoustic fields to name a few. These measurands can be sensed either by directly or indirectly along the whole fibre. Permafrost systems in Northern Canada are strongly disturbed by the climate changes due to global warming; the thawing permafrost is in turn affecting the environments and communities. In order to achieve real-time surveillance of the stability of infrastructures, a BOTDA sensing network with novel fibre transducer is proposed to monitor the physical changes including positive/negative pore water pressures, temperature and displacement along permafrost environments. The main challenge is to measure simultaneously the positive and negative pore water pressures and to discriminate among those measurands within a single transducer. As an initial attempt, a hydrogel polymer is deployed to build the transducer, which can expand or shrink due to water absorption or release by the material to detect positive and negative pressures in the target range of -100 kPa to +100 kilopascal along a permafrost system. A well-designed multi-core fibre (MCF) incorporated into the polymer trans

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Le contrôle tumoral en radiothérapie nécessite une exposition des cellules cancéreuses au rayonnement ionisant tout en limitant l'exposition des cellules saines pour minimiser les effets secondaires indésirables. Pour atteindre cet objectif, des techniques sophistiquées telles que l'IMRT, le VMAT, le SRS et le SBRT ont été développées, utilisant plusieurs champs d'irradiation de forme variable et de petites tailles. Le succès de ces techniques repose sur la caractérisation des petits champs, pour lesquels il n'existe pas encore de norme établie quant au type de dosimètre à utiliser. En effet, aucun des dosimètres couramment utilisés en radiothérapie ne permet de mesurer la dose avec une précision inférieure à 2 % pour ces champs de petite taille. De façon générale, ce sont les détecteurs ayant une équivalence dosimétrique à l'eau ainsi qu'un petit volume de détection qui performent le mieux pour la dosimétrie des petits champs. Cette thèse vise donc à développer une nouvelle génération de calorimètres multi-point spécifiquement adapté à la dosimétrie des petits champs en radiothérapie possédant à la fois une équivalence dosimétrique à l'eau ainsi qu'un petit volume de détection. Ces calorimètres utilisent une fibre optique à réseaux de Bragg comme thermomètre, permettant des mesures de haute résolution pour les petits champs de traitement. Cette thèse se divise en 4 volets distincts, soit la caractérisation et la maximisation du changement de longueur d'onde de Bragg produit par la radiation ; la caractérisation des mécanismes menant à un changement de longueur d'onde de Bragg induit par la radiation ; la correction de la dépendance aux variations de température ambiante et finalement, la conception d'un dosimètre multi-point utilisant une fibre optique à réseaux de Bragg ayant une résolution spatiale adaptée à la dosimétrie standard et à la dosimétrie des petits champs. D'abord, la caractérisation a permis de déterminer que, pour une fibre à réseau de Bragg recouverte de polymère, la longueur d'onde de Bragg varie linéairement avec la dose et cette variation est indépendante du débit de dose (2.8-11.6 Gy/min) et de l'énergie du faisceau de photons ou d'électrons (6 MV, 18 MV, 6 MeV, 9 MeV, 12 MeV, 18 MeV). Les facteurs permettant de maximiser cette variation de longueur d'onde et de diminuer le bruit de mesure ont ensuite été identifiés. Le type de revêtement a été identifiée comme étant un paramètre important pour maximiser le signal, plus particulièrement ses propriété thermiques (coefficient d'expansion thermique, capacité thermique massique), son module de Young et sa solidité d'adhésion ainsi que le type de colle maximisant cette dernière. La taille du revêtement et de la fibre optique contribuent également à l'optimisation du détecteur. L'optimisation des paramètres de réseaux ont également permis de minimiser le bruit de mesure. En ce qui concerne les mécanismes menant à un changement de longueur d'onde de Bragg, il a d'abord été déterminé que la réponse du détecteur est indépendante du dopage du cœur de la fibre et provient du revêtement de polymère puisque sans ce dernier, aucun signal n'est mesuré. Il a ensuite été démontré que le détecteur développé est un calorimètre et non un détecteur de défauts radio-induits, contrairement aux dosimètres à réseaux de Bragg généralement utilisés dans le secteur de l'énergie nucléaire. Cette démonstration est réalisée en validant un modèle théorique basé sur la théorie des calorimètres et en confirmant le comportement thermique suite à une irradiation à l'aide de simulations thermiques. Quatre techniques ont été comparées afin de corriger la dépendance aux variations de température ambiante, dont la technique standard utilisée en calorimétrie ainsi qu'une nouvelle technique de gradient de température interpolé pour effectuer une dosimétrie multi-point. Cette dernière technique se révèle la plus performante tout en permettant une correction de température en temps réel, réduisant les erreurs de mesure de 200% à environ 10% pour une irradiation de 20 Gy. Deux prototypes ont été développés : un ayant une résolution spatiale optimisée pour la dosimétrie standard et un ayant une résolution spatiale optimisée pour la dosimétrie des petits champs. Le premier détecteur est composé de vingt (20) réseaux d'environ 4 mm de long répartis sur 20 cm fixé à une plaque de PMMA de 5.5 x 107.5 x 205 mm³ permettant d'obtenir une erreur statistique de 0.03 pm sur les points de données limitant ainsi la dose détectable à 0.4 Gy. Le second détecteur se compose d'un fibre optique de 80 µm contenant trente (30) réseaux d'environ 1 mm de long fixés à l'intérieur d'un cylindre de PMMA de 0.63 cm de diamètre sur une longueur de 30 cm permettant d'obtenir la même erreur statistique et la même dose détectable que précédemment. Ce dernier prototype a également permis de mesurer un profil de dose d'un faisceau de 2 x 2 cm² ayant une énergie de 6 MV avec une différence relative moyenne de 1.8% (en excluant la région de pénombre) pour une irradiation de 12.37 Gy. Ainsi la thèse présente le premier calorimètre multi-point à réseaux de Bragg spécifiquement adapté à la dosimétrie des petits champs en radiothérapie. Ce type de détecteur pourrait s'avérer extrêmement bénéfique pour la dosimétrie des petits champs, et présenter également un fort potentiel pour des applications en IRM-LINAC et en radiothérapie FLASH, compte tenu de la grande résistance des fibres de silice aux radiations. / Radiotherapy relies on precise control of tumor exposure to ionizing radiation while limiting the dose to healthy tissues to minimize undesirable side effects. Sophisticated techniques such as IMRT, VMAT, SRS, and SBRT have been developed, utilizing multiple small and variableshaped radiation fields. The success of these techniques depends on the characterization of small fields, for which no standard dosimeter has been established. Commonly used dosimeters in radiotherapy do not provide dose measurements with accuracy below 2% for small fields. Generally, dosimeters with near water-equivalence and small detection volumes perform best for small-field dosimetry. This thesis focuses on developing a new generation of multi-point calorimeters specifically adapted to the dosimetry of small fields in radiotherapy, possessing both water dosimetric equivalence and a small detection volume. These calorimeters use fiber Bragg gratings as thermometers, enabling high-resolution dose measurements for small fields radiotherapy treatments. The thesis comprises four distinct aspects : characterizing and maximizing the Bragg wavelength change induced by radiation ; understanding the mechanisms causing the Bragg wavelength shift ; compensating for ambient temperature variations ; and designing a multipoint dosimeter using gratings with a suitable spatial resolution for standard and small field dosimetry. The characterization revealed that the Bragg wavelength of a polymer-embedded fiber Bragg grating varies linearly with the dose and this variation is independent of the dose rate (2.8-11.6 Gy/min) and the beam energy (6 MV, 18 MV, 6 MeV, 9 MeV, 12 MeV, 18 MeV). Factors optimizing this wavelength variation and reducing measurement noise were identified. The type of coating, particularly its thermal properties (thermal expansion coefficient, specific heat capacity), Young's modulus, and adhesive strength play a critical role in maximizing the signal. Additionally, optimizing the fiber and coating sizes contributes to detector optimization. The optimization of gratings parameters also allowed the minimization of measurement noise. Regarding the mechanisms leading to a Bragg wavelength shift, it was first determined that the detector's response is independent of the fiber core doping and originates from the polymer coating since no signal is measured without it. The developed detector was confirmed to be a calorimeter, rather than a radiation-induced defect detector like conventional fiber Bragg gratings dosimeters used in the nuclear industry. This was demonstrated by validating a theoretical model based on calorimeter theory and confirming the thermal behavior through thermal simulations after irradiation. Four temperature compensation techniques were compared to correct ambient temperature variations, including standard calorimetric techniques and a new interpolated temperature gradient technique for multi-point dosimetry. The interpolated technique proved most effective, providing real-time temperature correction and reducing measurement errors from 200% to approximately 10% for a 20 Gy irradiation. Two prototypes were developed : one with spatial resolution optimized for standard dosimetry and the other with spatial resolution optimized for small-field dosimetry. The first detector consists of twenty (20) gratings, each approximately 4 mm long, distributed over 20 cm and attached to a PMMA plate measuring 5.5 x 107.5 x 205 mm³ , achieving a statistical error of 0.03 pm on data points, limiting the detectable dose to 0.4 Gy. The second detector comprises a 80 µm optical fiber containing thirty (30) gratings, each approximately 1 mm long, fixed inside a PMMA cylinder measuring 0.63 cm in diameter and 30 cm in length, allowing for the same statistical error and detectable dose as the previous one. This latter prototype also enabled the measurement of a dose profile for a 2 x 2 cm² beam with a 6 MV energy, showing a mean relative difference of 1.8% (excluding the penumbra region) for an irradiation of 12.37 Gy.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La non-linéarité des photodétecteurs constitue un obstacle à l'élargissement des frontières en spectroscopie double-peigne. Cette limitation restreint la puissance qui peut être envoyée au photodétecteur, et par conséquent, entrave les performances des spectromètres jusqu'à un point où l'étude de phénomènes exigeant une courte durée de mesure et un rapport signal sur bruit élevé devient impossible. En limitant la puissance sur le détecteur, il devient nécessaire de moyenner le signal pour améliorer le rapport signal sur bruit et ce, jusqu'à plusieurs heures ce qui n'est simplement pas possible pour plusieurs applications. Alors que la non-linéarité est déjà reconnue comme problématique en interférométrie par transformée de Fourier, la communauté optique travaille sur les peigne de fréquence offrant des niveaux de puissance dix fois supérieurs à ce que peut accepter un photodétecteur en régime linéaire et la qualité des mesures révèle maintenant que la non-linéarité produit un niveau d'erreur systématique significatif. Il s'en suit donc un besoin de comprendre le phénomène, de gérer les erreurs systématiques et d'améliorer la chaine de détection pour tirer avantage du niveau de puissance disponible. Le problème de non-linearité des photodétecteurs est étudié en profondeur dans cette thèse. D'abord, le problème de la détection est abordé en étudiant la réaction du photodétecteur à une impulsion unique, ce qui permet de simplifier la situation. Ce faisant, il a été possible d'identifier l'amplificateur du détecteur comme une source majeure de non-linéarité pour plusieurs détecteurs couramment utilisés. La non-linéarité du photodétecteur altère les impulsions optiques qui dépendent de la puissance incidente sur le détecteur, entraînant ainsi une déformation de l'information interférométrique encodée dans l'amplitude des battements entre les deux sources pulsées. Il est d'ailleurs montré que les raies d'absorption encodées dans le signal subissent des déformations en raison de la non-linéarité, pouvant conduire à une mauvaise estimation de la concentration de gaz mesurée dans une expérience de détection de gaz. La distortion de l'information qui se produit lors du fonctionnement d'un détecteur en régime non linéaire soulève la question de savoir si de l'information a été perdue dans la détection ou si une correction a posteriori permet de retrouver l'information originale. Il est démontré qu'en respectant certaines conditions expérimentales, la non-linéarité peut être considérée statique et qu'il est possible de retrouver un spectre minimalement entaché par des erreurs systématiques dues à la non linéarité, et ce même si la chaine de détection est opérée en régime fortement non linéaire. Un algorithme de correction basé sur la minimisation des artéfacts spectraux hors bande permet de retrouver un spectre corrigé avec un fort rapport signal sur bruit pour une courte durée de mesure. Il est également démontré qu'il existe des conditions expérimentales qui minimisent les impacts de la non-linéarité. Une première solution consiste à utiliser un détecteur sans amplificateur qui sature. Il est montré que sans amplificateur, la réponse non linéaire de la photodiode en régime de haute puissance crête n'a aucun impact lorsque le signal est adéquatement filtré, ce qui permet de préserver la condition de linéarité sur les interférogrammes mesurés. Ceci est possible pour les détecteurs qui présentent une relation linéaire entre l'aire de leur réponse impulsionnelle et la puissance incidente. Lorsque la relation entre l'aire et la puissance d'un photodétecteur n'est pas linéaire, il est nécessaire d'avoir recours à l'algorithme de correction mentionné précédemment. Ayant géré et minimisé les impacts de la non-linéarité des photodétecteur, des signaux haute puissance peuvent être utilisés pour produire des mesures avec de forts rapports signal sur bruit pour de courtes durées de mesure, ce qui crée de nouvelles possibilités. Par exemple, il a été possible de mettre en évidence des formes de raies asymétriques suivant le modèle de Fano et dépendant de la puissance crête excitant le gas sous étude en spectroscopie moléculaire. L'expérience a permis de montrer que les conditions d'étirement temporel des impulsions influencent le niveau d'asymétrie des raies, puisque celui-ci est influencée par l'intensité crête des impulsions. Les deux premiers chapitres de la thèse s'attardent à la manifestation de la non-linéarité dans le contexte de la spectroscopie par double-peigne. L'impact de la non-linéarité est décrit pour des détecteurs commerciaux afin de montrer que les détecteurs sont utilisés dans un régime non linéaire bien avant la limite de puissance moyenne donnée par le fabricant. L'impact de la non-linéarité en spectroscopie double-peigne est comparé à celui en spectroscopie classique pour noter les similitudes et les différences. Une mesure d'absorption est réalisée dans un régime linéaire et non linéaire pour bien comprendre l'impact de la non-linéarité. Les chapitres trois et quatre donnent une vue d'ensemble sur la gestion de la non-linearité, que ce soit en la corrigeant par traitement numérique ou en la réduisant en respectant certaines conditions expérimentales. Le chapitre cinq présente l'observation d'un phénomène visible seulement avec un fort rapport signal sur bruit : la résonance de Fano. Finalement, le chapitre 6 dresse un portrait complet de la photodétection linéaire en spectroscopie double-peigne. / Photodetector nonlinearity (NL) is a substantial roadblock to expanding the frontiers of dual-comb spectroscopy (DCS). It restricts the power sent to a detector and ultimately limits the performances of spectrometers, reaching a point where it can hinder the study of phenomena that require both rapid measurement and a high signal-to-noise ratio (SNR). By limiting the power on a detector, experimentalists resort to averaging the signal to improve the SNR, but averaging for hours may become impractical for several applications. While detector NL has been known to be an issue in classical Fourier transform spectroscopy (FTS), the community has been using frequency combs with power levels more than ten times the amount a detector can tolerate in its linear operating regime, and the quality of measurement has reached a point where NL produces significant systematic errors. There is thus a need to understand what happens when a detector is over-illuminated, in order to provide adequate management of systematic NL errors and improvements to the detection chain to fully benefit from the information carried by the optical signal. This nonlinearity problem is thoroughly studied in this thesis. First, the photodetector's response to a dual-comb interferometric signal is analyzed by breaking it down into its reaction to a single optical pulse to gain insight into the core of the issue. This has enabled the identification of the amplifier as a main source of nonlinearity for several widely used detectors, marking a significant step towards addressing the nonlinearity problem. The nonlinearity of the photodetector creates optical pulse distortions that depend on the incident power on the detector, thus deforming the interferometric information encoded in the amplitude of the beatings between the two pulsed sources. It is demonstrated that absorption features are distorted and may lead to an incorrect estimation of gas concentration in a gas detection experiment. The distortion of information occurring under NL conditions raises a concern to know if any information is lost in the process, or if a posteriori correction is possible to retrieve the original information. It is shown that if experimental conditions are such that NL can be assumed static, the retrieval of a linear spectrum is possible. A correction algorithm based on the minimization of out-of-band spectral artifacts allowing to retrieve a high SNR spectrum acquired in a short measurement time is provided. It is also shown that there are experimental conditions that one can respect to minimize the impact of nonlinearity on a measurement. Having a detector without a saturating amplifier is a first solution. It is shown that without amplifier, the detector may still show nonlinear behaviour due to the photodiode's nonlinear response to an over-illumination, but it can be managed by proper filtering to preserve the linearity of the dual-comb signal. This is possible for detectors whose impulse response area present a linear relation with input power. If the area to power relation is not linear, the previously mentioned NL correction may be applied. With NL impacts on dual-comb interferometry properly handled and minimized, higher powers can be used to produce a useful signal and thus higher SNR measurement can be performed in short durations. This paves the way to new possibilities. As such, it has been possible to observe Fano resonances in molecular spectroscopy. This has been observed as asymmetric absorption lines in a transmission spectrum. It is demonstrated that temporal pulse broadening through chirping can reduce the impact if the pulses are sufficiently broadened to reduce the high intensity excitation of gas molecules. The first two chapters of this thesis focus on the manifestation of nonlinearity in the context of dual-comb spectroscopy. The impact of NL are described in commonly used photodetectors to show that the detectors reach a nonlinear regime well below the power threshold provided by the manufacturer. The impact of NL in DCS is then compared to its impact in FTS to highlight the similarities and differences. A spectroscopic measurement for linear and nonlinear signals is also demonstrated. The third and fourth chapters provide insights on how to manage nonlinearity whether it is necessary to correct for it or whether it is possible to avoid it by respecting given conditions. The fifth chapter presents an observation of a phenomenon in dual-comb spectroscopy that high SNR has allowed to see : Fano resonance. Finally, the sixth chapter draws a complete picture of the optimal photodetection in dual-comb interferometry.

Les fibres optiques représentent une évolution technologique fantastique. Leur utilité n'est plus à prouver, que ce soit pour transmettre des signaux de télécommunications, produire des cavités laser de toutes sortes ou des capteurs permettant d'obtenir de l'information sur un système. Ces capteurs utilisent les capacités intrinsèques des fibres optiques telles que la passivité chimique et électrique, une petite taille, la polyvalence et la robustesse afin de produire une solution de détection généralement peu coûteuse et permettant une détection à une grande distance. De plus, l'interférométrie permet souvent d'obtenir d'incroyables valeurs de résolution avec des capteurs fibrés. Dans le cadre de ce projet, nous proposons un schéma de capteur fibré interférométrique actif. Le capteur utilise le battement de fréquences entre deux cavités laser DFBs (Distributed FeedBack) jumelles pour une mesure très sensible. Un DFB est une cavité laser fait d'un réseau de Bragg à saut de phase au centre, inscrit dans de la fibre dopée, ici du thulium. L'utilisation de deux cavités laser jumelles permet l'émission de deux signaux laser à une longueur d'onde presqu'identique. Lorsque ces signaux sont combinés sur un photodétecteur, le battement de fréquence entre ceux-ci est détecté dans le domaine des radio-fréquences. Toute variation de la longueur d'onde d'émission d'une des deux cavités produite par un paramètre, tel qu'une variation de la longueur ou de l'indice de réfraction de la cavité, entraîne une variation détectable de la fréquence du battement. Cette méthode interférométrique permet la production d'un capteur ponctuel sensible, à haute résolution, très polyvalent, simple et peu coûteux. C'est l'utilisation de deux DFBs distincts pour produire le capteur qui apporte ces excellentes qualités au capteur. Aux chapitres 1 et 2 seront abordés respectivement la théorie entourant les capteurs fibrés et plus précisément les capteurs interférométriques, ainsi qu'une revue de littérature de l'état de l'art dans ce domaine. Le chapitre 3 aborde la fabrication et la caractérisation de cavités laser qui serviront à former le capteur. Une preuve de concept du capteur utilisé pour la mesure d'une variation de température ou de tension est présentée au chapitre 4. Une résolution de 7x10⁻⁴ ° C en température et de 24nϵ en tension est obtenue. Finalement, au chapitre 5, une méthode permettant la mesure d'une variation d'indice de réfraction avec le capteur, ainsi que les performances attendues d'un tel capteur seront présentées. Ces travaux présentent donc une preuve de concept pour un capteur interférométrique actif sensible dont la polyvalence ouvre la porte à la détection d'une multitude de paramètres. / Optical fibers are a fantastic and useful technology. They can be used to transmit telecommunications signals, make various laser cavities or produce sensors allowing us to gather information on a system. These sensors use the intrinsic characteristics of optical fibers, such as low chemical and electrical reactivity, small size, versatility and robustness in order to produce remote detection solutions that are generally low cost. Using interferometry, great resolution values can be obtained with fibered sensors. With this project, we propose a scheme for an active interferometric fibered sensor. This sensor uses the beat frequency between two twin DFB (Distributed FeedBack) cavities to obtain a very sensitive measurement. The fiber DFB we use is a laser cavity made from a Pi-shifted Bragg grating, inscribed into thulium doped fiber. By using two twin lasers, the wavelength of both laser signals are almost identical. When these optical signals are combined on a photodector, the beat frequency between them is detected in the radio-frequency domain. A variation of the emission wavelength of one laser produced by a variation of length or refractive index of the cavity leads to a detectable variation of the beat frequency. This interferometric method allows the production of a sensitive point sensor, with high resolution, versatile, simple and at low cost. It is the use of two distinct twin DFBs to make the sensor that confers it these excellent qualities. In chapter 1 and 2, theory around fibered sensors and more precisely interferometric sensors will be covered, as well as a literarture review of the state of the art in this field. Chapter 3 will present the fabrication and characterisation of the laser cavities that make up the sensor. Measurements of temperature and strain variation will serve as a proof of concept in chapter 4. A resolution of 7x10⁻⁴ ° C in temperature and 24nϵ in strain is obtained. Finally, in chapter 5, a method allowing to measure a variation of refractive index with the sensor is presented, as well as the expected performances of such a sensor. This work therefore presents a proof of concept for a sensitive active interferometric fibered sensor whose versatility opens the door to the detection of a multitude of parameters.

Au milieu des années 90, un nouveau type de fibre optique présentant des propriétés de guidage inédites pour des fibres de silice est apparu : les fibres optiques à gaine trouée (FGT). Cette thèse présente nos travaux portant sur le développement de composants photoniques basés sur ce nouveau type de fibre. En particulier, trois fibres très différentes ont été fabriquées, modélisées et caractérisées dans le cadre de ces travaux de doctorat: une FGT infiniment monomode ayant une bonne compatibilité modale avec les fibres à saut d'indice monomodes conventionnelles, une FGT hautement non-linéaire et biréfringente ayant des propriétés de dispersion appropriées pour être utilisées en conjonction avec un laser à impulsion brèves Ti:Saphir et finalement une FGT double-gaine large-mode dopée Ytterbium. La méthode de fabrication que nous avons développée pour la réalisation des différents types de fibres est présentée de même que le principe de fonctionnement du logiciel de simulation basé sur la méthode des différences finies dans le domaine spectral qui nous a servi à modéliser les propriétés physiques de nos fibres. La possibilité offerte par la technologie des FGT de concevoir des fibres optiques infiniment monomodes de l'ultraviolet à l'infrarouge constitue une des propriétés les plus surprenantes des FGT. Une méthode permettant d'effectuer des épissures impliquant de telles fibres à l'aide d'une fusionneuse à arc électrique conventionnelle est expliquée et, pour la première fois, une étude quantitative portant sur la solidité de ces épissures et des pertes qui leur sont associées est présentée. La réalisation d'épissures entre une FGT infiniment monomode et une fibre monomode à saut d'indice conventionnelle de même qu'entre deux sections de FGT identiques a été investiguée. Les FGT peuvent aussi être conçues de manière à ce qu'elles aient une très petite aire effective et un zéro de dispersion décalé vers les courtes longueurs d'onde. Nous avons fabriqué une telle fibre hautement non-linéaire et biréfringente ayant un cœur de dimensions adéquates pour obtenir un zéro de dispersion située à 705 nm et 735 nm pour les axes rapide et lent respectivement. Cette fibre a été utilisée pour investiguer la génération de supercontinuum dans un contexte de pompage en régime de dispersion anomale par des impulsions brèves. Nos résultats expérimentaux démontrent de façon visuellement claire que le mécanisme responsable de l'élargissement spectral initial dans de telles conditions de pompage est la fission de solitons d'ordres supérieurs en solitons fondamentaux décalés vers le rouge accompagnés de radiation non-solitonique décalée vers le bleu. Une étude portant sur l'influence de l'intensité injectée ainsi que l'orientation de la polarisation de la pompe sur les caractéristiques du supercontinuum résultant est aussi présentée. Un domaine de recherche pour lequel les propriétés nouvelles des fibres à gaine trouée sont d'un intérêt considérable est sans contredit le développement de sources laser fibrées pour les applications haute-puissance. Nous présentons un design original de fibre active double-gaine large-mode dopée Ytterbium que nous avons fabriquée et caractérisée en configuration laser. Les performances de ce laser sont analysées et diverses avenues pour améliorer ses performances sont proposées. / A new kind of optical fiber presenting quite unusual guiding properties for silica-based fibers has appeared in the mid 1990's: the Photonic Crystal Fiber (PCF), also known as Holey Fibers. This thesis presents our work on the development of photonics components based on these new fibers. Three very different fiber designs have been fabricated, modeled and characterized in this research project: an endlessly singlemode PCF featuring a good modal compatibility with standard step-index singlemode fibers, a highly nonlinear and birefringent PCF whose dispersion characteristics are well suited for being pumped by a Ti:Sapphire femtosecond laser and finally, an Ytterbium-doped large mode area doubleclad PCF. The fabrication method for ail these fiber designs is presented as well as the operation principle of the modeling tool based on the finite-difference frequency-domain we developed to model the physical properties of these fibers. One of the most striking properties of the PCF technology is the fact that these fibers can be designed to be endlessly singlemode from the ultraviolet to the infrared. A splicing procedure adapted to splice such fibers by using standard electric-arc fusion splicers is demonstrated and, for the first time, a quantitative study on the strength of the resulting splices as well as their losses is presented. We have successfully achieved low-loss splices between our endlessly singlemode PCF and conventional step-index singlemode fiber as well as between two identical sections of PCF. Holey fibers can also be designed to have a very small effective area and a zero dispersion wavelength shifted toward shorter wavelengths. We have fabricated such a highly nonlinear and birefringent fiber whose core dimensions lead to zero dispersion wavelengths located at 705 nm and 735 nm for the fast and slow axes respectively. This fiber has been used to investigate supercontinuum generation by femtosecond pulses pumping in the anomalous dispersion regime. Our experimental results demonstrates in a visually clear fashion that the fundamental mechanism leading to the initial spectral broadening in this particular pumping scheme is the fission of higher-order solitons into multiple redshifted fundamental solitons along with blueshifted non-solitonic radiation. The influence of both the injected intensity and the input polarization orientation on the resulting supercontinuum is presented and discussed. A research field for which the novel properties achievable by holey fibers are of great interest is the field of fiber laser sources for high power applications. We present a new design of an Ytterbium-doped large-mode-area double-clad holey fiber we have fabricated and characterized in laser configuration. The performances achieved by this laser are analyzed and different modifications to the fiber design that would improve its performances are proposed.

Au laboratoire, cette thèse fait suite à des modélisations sur des fonctions passives intégrées optiques à base de micro-résonateurs en anneaux. Pour les réaliser, une étude de toutes les étapes de réalisation de circuits en polymère a été effectuée. Les objectifs sont l'obtention de guides arêtes, ridge monomodes avec des performances acceptables et la miniaturisation de fonctions avec les matériaux et technologies envisageables au CCLO. Des points bloquants ont été identifiés au départ, tels que le manque d'adhérence entre matériaux, les incompatibilités technologiques et optiques entre polymères, les phénomènes liés au procédé occasionnant des pertes optiques excessives. Après un état de l'art sur les polymères pour guides d'ondes optiques, le manuscrit présente les travaux spécifiques sur le choix des matériaux et l'évaluation de l'adhérence de polymères amorphes sur les substrats envisagés, ainsi que la qualité et la reproductibilité des dépôts et leur gravure sèche par plasma. L'analyse de l'apparition de défauts de surface des films et " ridge " ainsi que les solutions trouvées pour les éliminer, sont plus particulièrement développés. L'adaptation de la photolithographie classique en UV proche est détaillée pour atteindre des tailles de motifs submicroniques. Les résultats des méthodes d'analyse entreprises pour discriminer les différents facteurs de pertes optiques en propagation sont discutés. Enfin, les réalisations de guides monomodes à base de polymères méthacryliques pour le coeur ainsi que les premières structures de filtres et multiplexeurs en micro-résonateurs intégrés en anneaux et à faible intervalle spectral libre (1-3nm) sont présentées et analysées.

La migration d'un réseau optique en anneaux interconnectés vers un réseau arbitrairement maillé et d'un trafic statique vers un trafic dynamique nécessite l'introduction de plusieurs niveaux de granularité pour s'adapter à cette diversité spatiale et temporelle et réduire ainsi la complexité et la taille des brasseurs optiques. Cette taille peut être réduite en traitant en bloc un groupe de longueurs d'onde contiguës. Cette bande d'ondes sera éventuellement traitée comme une seule entité. Par contre, ce traitement en bloc complique l'opération de routage et d'allocation de longueurs d'onde. Quelques ports d'entrée/sortie du brasseur de bandes peuvent éventuellement être connectés à des démultiplexeurs/multiplexeurs pour passer à un brassage par longueurs d'onde. De cette manière, on résout la commutation en bloc et quelques bandes pourront sortir de la continuité des tunnels établis pour passer d'un tunnel à l'autre. Cette notion peut être étendue pour couvrir différentes granularités et différents niveaux de brassage à l'aide de brasseurs optiques hiérarchiques. La coexistence des différents concepts de groupage optique et électronique ainsi que la manipulation de plusieurs niveaux et différentes échelles d'agrégation forment l'idée de base derrière ce qu'on appelle "réseau optique à plusieurs niveaux de granularité". Dans cette thèse, On propose un nouveau modèle graphique adapté au réseau optique à plusieurs niveaux de granularité. Le modèle d'un composant optique est formé par l'interconnexion d'un nombre d'éléments de base (BNE). Chaque BNE est une représentation graphique des supports du trafic. On introduit la notion de "groupes" qui permet l'abstraction des agrégateurs/désagrégateurs et définit par suite la granularité de commutation de chaque côté du BNE. Étant modulable, ce modèle pourra servir au développement d'un outil d'aide à la conception de ce type de réseaux. On propose un nouveau modèle combinatoire du brasseur hiérarchique permettant de comparer différentes réalisations matérielles. Ceci nous a permis d'étudier la réduction de la complexité du matériel et l'augmentation de la complexité opérationnelle quand on remplace un brasseur optique simple par un brasseur optique hiérarchique. On propose le nouveau concept de modifier les canaux de longueurs d'onde sans modifier l'allocation logique des longueurs d'onde et par suite, permettre un réarrangement avec un minimum d'interruptions afin d'optimiser le brassage à plusieurs granularités. Ce réarrangement est réalisé sans changer la distribution du trafic résultant du routage et de l'attribution des longueurs d'onde. On montre l'importance de la gestion des granularités et on propose une nouvelle méthode de contrôler l'allocation des multiplexeurs/démultiplexeurs dans le contexte du trafic dynamique. Dans ce contexte et en utilisant le modèle graphique, on propose de construire une topologie logique multicouche dans le but d'avoir une base d'informations adaptée à la proposition d'ingénierie de trafic. Dans cette solution, on estime la diversité potentielle d'acheminement des tunnels établis par le brassages hiérarchique en considérant une distribution de charge donnant le flot maximal. cette distribution est considérée comme objectif à atteindre et est mise à jour après tout changement. On donne aux tunnels ayant la plus grande diversité potentielle d'acheminement la priorité de passer aux fines granularités. L'ensemble des propositions est renforcé par des analyses et simulations et plusieurs domaines à aborder en perspective sont présentés en conclusion.

Le principal objectif de cette thèse a été de mettre en œuvre des lasers solide à base de verre phosphate codopé Yb3+:Er3+ pompés par diode afin d'étudier leur comportement lorsqu'ils sont soumis à une rétroinjection optique. Ces lasers présentent comme principaux avantages par rapport à d'autres sources une très grande sensibilité à la rétroinjection compte tenu des propriétés de l'ion Er3+ favorisant les oscillations de relaxation du laser. D'autre part, la longueur d'onde d'émission 1,535 µm appartient au domaine de sécurité oculaire.<br /> En premier lieu, nous avons établi les équations d'évolution temporelle de l'inversion de population et du champ électrique d'un laser à 3 niveaux (Yb:Er) soumis à un retour optique décalé en fréquence. Nous avons ensuite réalisé une étude comparative de l'influence du milieu à gain (système à 3 niveaux Yb:Er ou à 4 niveaux LNA:Nd) et des paramètres de cavité sur la sensibilité à la rétroinjection optique. <br /> Les lasers réalisés ont été ensuite mis en œuvre dans divers expériences de rétroinjection optique permettant des mesures originales de vitesse, de distance ou de vibration pour la restitution d'un son. <br /> La quatrième partie de ce mémoire est consacrée à la mise en œuvre d'un laser bi-fréquence. Un tel laser oscille simultanément sur deux états propres de polarisation orthogonaux dont les fréquences optiques sont légèrement décalées. On peut alors utiliser le battement entre ces deux états propres en rétroinjection optique pour réaliser une détection hétérodyne ou self-hétérodyne.