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Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d’abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l’optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d’onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l’ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d’homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes. / This PhD thesis brings a theoretical and experimental contribution to the exploration of dispersive and polarization properties of graded photonic crystal (GPhC) structures. We first present a quantitative relationship between the deformations of the equi-frequency surfaces (EFSs) of different photonic crystals and the lattice parameters of the considered configurations. Considering the complexity of the possible GPhC structures made of a two-dimensional spatial chirp of at least one lattice parameter, we limit in this thesis our study to one particular type of GPhC structure based on a square lattice silicon on insulator (SOI) planar photonic crystal with a variable air hole filling factor profile. An analytical expression of the related EFSs as a function of the varied lattice parameter is extracted, and a GPhC “reference” structure is then proposed for the exploration of the dispersive and polarization properties of GPhCs using both Hamiltonian optic-assisted ray tracing as well as FDTD simulations. The clean room fabrication process of this GPhC structure family, which is based on electron beam lithography and reactive ion etching technologies, is reported. Fabricated samples are experimentally studied by far-field and near-field (SNOM) measurement techniques relying on a collaboration with a CNRS group of the Bourgogne university. Experimental results show an almost linear dispersive relationship of 0.25µm/nm in the 1470nm-1600nm spectral range. The fabricated samples also present the possibility for two-wavelength demultiplexing with low insertion loss (below 2dB) and low crosstalk level (around -20dB), and a polarization beam splitting effect with a crosstalk of -27dB in a 70nm bandwidth. Beyond these optical metrics obtained in one particular GPhC configuration, the works presented in this thesis have allowed the direct observation of the transition between the homogeneous and diffraction regimes of light propagation in an artificial optical all-dielectric material, and the presented and adopted methodology for the study of light propagation in GPhC structures has raised open perspectives for the realization of more complex optical functions in forthcoming works using low loss and flexible metamaterial-like photonic crystals.

L'intensification des activités industrielles et les besoins en énergie font des hydrocarbures pétroliers (HP) un enjeu majeur mondial mais augmentent aussi considérablement les risques environnementaux dans divers écosystèmes. La phytoremédiation est une phytotechnologie qui a fait ses preuves en tant que solution verte pour faire face aux contaminations des sols par des HP. La phytoremédiation des sols contaminés par les HP repose principalement sur l’activité des communautés microbiennes associées aux racines des plantes au niveau de la rhizosphère, qui peuvent non seulement favoriser la croissance des plantes hôtes mais aussi augmenter leur tolérance à divers stress biotiques et abiotiques. Parmi les défis majeurs de la phytoremédiation des sols contaminés par les HP, on compte la forte toxicité de certains composés des HP qui entravent la croissance des plantes et par conséquent l’efficacité de la phytoremédiation. Cependant, la croissance des plantes peut être positivement stimulée par la présence de rhizobactéries favorisant leur croissance (PGPR) qui sont capables d'atténuer le stress des plantes par divers mécanismes. Dans cette thèse, un total de 438 bactéries PGPR dégradant les hydrocarbures pétroliers, ont été isolées de la rhizosphère et du sol de deux espèces de plantes, Salix purpurea et Eleocharis obusta, dans un site d'une ancienne raffinerie pétrochimique à Varennes, QC, Canada. Les isolats bactériens ont été classés en 62 genres, appartenant aux phylums Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes et aux sous-groupes Alpha-, Beta- et Gamma-Proteobacteria. De plus, cette collection de cultures contient 438 isolats bactériens avec de multiples caractéristiques de dégradation et de stimulation de croissance (PGPR), représentant une diversité fonctionnelle de dégradation des HP et de caractéristiques PGPR qui pourraient être utilisées dans la phytoremédiation assistée par les bactéries, des sols contaminés par les HP. Parmi ces 438 isolats bactériens, 50 isolats représentant une large diversité taxonomique, ont été sélectionnées pour une caractérisation approfondie supplémentaire concernant leur capacité à favoriser la croissance des plantes en présence de différentes concentrations de n-hexadécane (0%, 1%, 2%, 3%) dans des conditions contrôlées. Les résultats ont indiqué que les isolats bactériens Nocardia sp. (WB46), Pseudomonas plecoglossicida (ET27), Stenotrophomonas pavanii (EB31), Bacillus megaterium (WT10) et Gordonia amicalis (WT12) ont significativement augmenté la croissance des plantes cultivées dans 3% de n-hexadécane par rapport au traitement témoin. De plus, ces isolats possèdent plusieurs traits favorisant la croissance des plantes (PGPR) tels que l'activité 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) désaminase (ACCD), la production d'acide indole-3-acétique (IAA) et la fixation de l'azote. De plus, ces isolats étaient capables d'utiliser le n-hexadécane comme seule source de carbone et possédaient des gènes cataboliques liés à la dégradation des hydrocarbures tels que le gène de l'alcane monooxygénase (alkB), le cytochrome P450 hydroxylase (CYP153) et le gène de la naphtalène dioxygénase (nah1). Nocardia sp. isolate WB46, a été sélectionné pour le séquençage de son génome afin de déterminer sa diversité génétique et fonctionnelle relatives à la dégradation des HP et les potentiels PGPR. Les résultats ont indiqué que, sur la base des analyses du gène de l'ARNr 16S, l'hybridation ADN-ADN in silico (DDH) et l'identité moyenne des nucléotides (ANI), Nocardia sp. isolate WB46 représente une nouvelle espèce bactérienne. De plus, l'annotation fonctionnelle de son génome révèle que celui-ci contient de nombreux gènes responsables de la dégradation des hydrocarbures pétroliers tels que l'alcane 1-monooxygénase (alkB) et la naphtalène dioxygénase (ndo) ainsi que d'autres gènes liés à ses potentiels PGPR. En conclusion, la rhizosphère des espèces S. purpurea et E. obusta poussant dans un site fortement pollué par les HP représente un biotope diversifié et comprenant des bactéries PGPR avec de multiples potentiels de dégradation des HP. De plus, plusieurs isolats bactériens tels que Nocardia sp. (WB46), Pseudomonas plecoglossicida (ET27) et Stenotrophomonas pavanii (EB31) démontrent un potentiel d'utilisation comme bioinoculants pour de futures études de phytoremédiation à grande échelle. / Petroleum hydrocarbons (PHCs), as a result of intensification of industrial activities, are a global environmental issue especially in soil environments. Phytoremediation represents an ideal solution to tackle this global crisis. Phytoremediation of PHC-contaminated soils proceeds mainly through the activities of microbial communities that colonize the plant rhizosphere which might promote host plants growth and increase its tolerance to various biotic and abiotic stresses. A main challenge in phytoremediation of PHC-contaminated soils is the high toxicity of PHCs which hinder plant growth and reduce the efficiency of phytoremediation. However, plant growth may be positively stimulated by the presence of plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) that are able to alleviate stresses in plants through various mechanisms. In this thesis, a total of 438 petroleum hydrocarbons degrading-PGPR bacterial isolates were recovered from the rhizosphere and the surrounding bulk soil of Salix purpurea and Eleocharis obusta plants from the site of a former petrochemical plant in Varennes, QC, Canada. Bacterial isolates were classified into 62 genera, belonging to the phyla Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes and the Alpha, Beta and Gamma-subgroups of Proteobacteria. Additionally, this culture collection holds 438 bacterial isolates with multiple degradative and PGP features, representing a rich reservoir of metabolically versatile PGPR-PHC degraders that could be used in holistic, bacterial-aided phytomanagement of PHC-contaminated soils. Among the above 438 bacterial isolates, 50 bacterial strains representing a wide phylogenetic range were selected for an additional in-depth characterization regarding their ability to promote plant growth under the presence of different concentrations of n-hexadecane (0%, 1%, 2%, 3%) under gnotobiotic conditions. Results indicated that bacterial isolates Nocardia sp. (WB46), Pseudomonas plecoglossicida (ET27), Stenotrophomonas pavanii (EB31), Bacillus megaterium (WT10) and Gordonia amicalis (WT12) significantly increased the growth of plants grown in 3% n-hexadecane compared with the control treatment. Additionally, these isolates possess several plant-growth-promoting (PGP) traits such as 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) deaminase (ACCD) activity, indole-3-acetic acid (IAA) production and nitrogen fixation. Also, these isolates were able to use n-hexadecane as sole source of carbon and have catabolic genes related to hydrocarbon degradation such alkane monooxygenase (alkB) gene, the cytochrome P450 hydroxylase (CYP153) and the naphthalene dioxygenase (nah1) gene. The isolate that showed the highest growth stimulation of plants grown in 3% n-hexadecane under gnotobiotic conditions, Nocardia sp. isolate WB46, was selected for de novo genome sequencing to unveil its genetic versatility and the mechanisms of PHCs biodegradation and PGP potentials. Results indicated that based on the 16S rRNA gene analyses, in silico DNA-DNA hybridization (DDH) and average nucleotide identity (ANI) Nocardia sp. isolate WB46 is a new species. Additionally, the functional annotation of the genome of Nocardia sp. isolate WB46 reveals that its genome contains many genes responsible for petroleum hydrocarbon degradation such as alkane 1-monooxygenase (alkB) and naphthalene dioxygenase (ndo) as well as other genes related to its PGP potentials. In conclusion, S. purpurea and E. obusta growing in a site highly polluted with PHCs are rich reservoir of diverse PGPR with multiple PHC-degradation and PGP potentials. In addition, several bacterial isolates such as Nocardia sp. (WB46), Pseudomonas plecoglossicida (ET27) and Stenotrophomonas pavanii (EB31) demonstrate potential for use as bioinoculants in future large-scale phytoremediation studies.