Les capteurs distribués qui font appel à des réseaux de Bragg inscrits dans des fibres optiques multicœurs sont de plus en plus utilisés pour mesurer différents paramètres physiques délocalisés. En utilisant l'information qui provient de chacun des cœurs de la fibre, il est possible de reconstruire sa forme tridimensionnelle, ce qui trouve actuellement de nombreuses applications innovantes, notamment en robotique et dans le domaine médical. Dans le cadre du programme Sentinelle Nord, le principal objectif de mon projet de maîtrise était de développer de tels capteurs pour le suivi des impacts du dégel du pergélisol dans les régions nordiques. Deux applications avaient initialement été ciblées. La première application consistait à mesurer la vitesse (et la direction) des écoulements d'eau souterraine qui jouent un rôle important dans la transmission de chaleur et qui doivent être considérés dans la modélisation numérique des processus physiques pour simuler la dynamique du pergélisol. La deuxième application consistait à suivre les tassements au dégel du pergélisol en reconstruisant le profil 3D d'un capteur à fibre optique qui y serait enfouie. Un modèle théorique de leur sensibilité à un écoulement d'eau a été développé et a permis de conclure que la vitesse des écoulements d'eau souterraine typiques était beaucoup trop faible pour être mesurée. Afin de s'attaquer à la seconde application, nous avons développé une nouvelle technologie de fibre multicœur où 3 fibres optiques ont été assemblées dans une préforme microstructurée en polycarbonate en l'étirant directement sur une tour à fibre. La caractérisation des réseaux de Bragg de cette fibre hybride verre-polymère a montré qu'elle est 7 fois plus sensible que les fibres optiques multicœurs traditionnelles. Les développements réalisés pour cette seconde application ont fait l'objet d'une publication d'un article scientifique dans le journal Optics Express. Dans le cadre de ce projet, et en parallèle à ces travaux, une méthode flexible d'inscription de réseaux de Bragg distribués sur une fibre optique avec un seul masque de phase uniforme a été développée. Grâce à cette méthode, une accordabilité record de 70 nm, soit plus de 15 fois supérieure à tout ce qui a été obtenu auparavant, a été atteinte. / Fiber Bragg gratings distributed sensors in multicore fibers are gaining popularity for remote sensing of physical parameters. By measuring the information from each of its cores, its shape can be reconstructed which has numerous novel applications in robotic and the medical field. As part of the Sentinel North program, the principal goal of my research project was to develop such distributed sensors to monitor the impacts of permafrost degradation in Northern Quebec. Two applications were targeted : 1) the measurement of groundwater flow and its direction which play a major role in heat transfer and need to be considered in numerical modelling of permafrost dynamics and 2) the monitoring of thaw settlement of degrading ice rich permafrost using buried optical fiber with distributed fiber Bragg gratings. A theoretical model of the sensitivity of these sensors to measure groundwater flow was developed and led to the conclusion that the groundwater flow is too small to be detected with a multicore fiber. For the second application, a novel multicore fiber was developed where 3 optical fibers are assembled inside a microstructured polycarbonate preform by drawing it on a draw tower. The characterization of the resulting hybrid glass-polymer multicore fiber showed a sensitivity 7 times higher than standard multicore fibers. These findings were published in the journal Optics Express. In this research project, at the same time, a flexible method to write distributed arrays of fiber Bragg gratings with a single uniform phase mask was developed. A 70 nm accordability, which is more than 15 times higher than anything previously reported, was achieved with this method.

Récemment, beaucoup d’efforts ont été investis afin de développer des modulateurs sur silicium pour les télécommunications optiques et leurs domaines d’applications. Ces modulateurs sont utiles pour les centres de données à courte portée et à haut débit. Ainsi, ce travail porte sur la caractérisation de deux types de modulateurs à réseau de Bragg intégré sur silicium comportant une jonction PN entrelacée dont le but est de réaliser une modulation de la longueur d’onde de Bragg par le biais de l’application d’un tension de polarisation inverse réalisant une déplétion des porteurs au sein du guide d’onde. Pour le premier modulateur à réseau de Bragg, la période de la jonction PN est différente de celle du réseau de Bragg tandis que le deuxième modulateur à réseau de Bragg a la période de sa jonction PN en accord avec celle du réseau de Bragg. Ces différences apporteront un comportement différent du modulateur impliquant donc une transmission de données de qualité différente et c’est ce que nous cherchons à caractériser. L’avantage de ce modulateur à réseau de Bragg est qu’il est relativement simple à designer et possède un réseau de Bragg uniforme dont on connaît déjà très bien les caractéristiques. La première étape dans la caractérisation de ces modulateurs fut de réaliser des mesures optiques, uniquement, afin de constater la réponse spectrale en réflexion et en transmission. Par la suite, nous sommes passé par l’approche usuelle, c’est à dire en réalisant des mesures DC sur les modulateurs. Ce mémoire montre également les résultats pratiques sur le comportement des électrodes et de la jonction PN. Mais il rend compte également des résultats de la transmission de données de ces modulateurs par l’utilisation d’une modulation OOK et PAM-4 et permet de mettre en évidence les différences en terme d’efficacité de modulation de ces deux modulateurs. Nous discutons alors de la pertinence de ce choix de design par rapport à ce que l’on peut trouver actuellement dans la littérature. / Recently, much effort has been invested to develop silicon modulators for optical telecommunications and their application areas. These modulators are useful for data centers and short-range high capacity links. Thus, this work focuses on the characterization of two types of integrated Bragg grating modulators on silicon waveguide and having an interleaved PN junction whose goal is to achieve a modulation of the Bragg wavelength through the application of an reverse bias voltage creating a carrier depleted region in the waveguide. For the first integrated Bragg grating modulator, the period of the PN junction is not matched to the Bragg grating period while the second integrated Bragg grating modulator has the PN junction matched to the Bragg grating period. This difference brings a different behaviour of the modulator thus resulting in a different quality of data that we seek to characterize. The advantage of this Bragg grating modulator is that it is relatively simple to design and has a uniform Bragg grating which has well known characteristics. The first step in the characterization of these modulators was making optical measurements, only to see the spectral response in reflection and transmission. Afterwards, we went through the usual approach, i.e by making DC measurements on the modulators. This thesis shows the practical results on the behaviour of the electrodes and the PN junction. And it also reports the results of the data transmission of these modulators by using an OOK modulation and PAM-4 modulation highlighting the differences in terms of modulation efficiency of these two modulators. We then discuss the relevance of this design choice compared to what we can currently find in the literature.

Le présent travail est divisé en deux sections, chacune étant consacrée à une application particulière des structures de Fabry-Perot dans un domaine spécifique de l'optique moderne. La Section I traite du design de structures d'imagerie par superlentilles, qui servent essentiellement à la génération d'images de champ proche de structures dont les caractères sont plus petits que la demi-longueur d'onde, en utilisant des approches originales et performantes. Ces structures sont constituées de couches de matériaux très minces, dont l'épaisseur est de l'ordre de la dizaine de nanometres, et dont les interfaces font office de miroirs à réflectivité complexe de telle sorte qu'on peut les associer à une cascade de cavités Fabry-Perot. La théorie fondamentale des structures de super-lentilles, qu'elles soient constituées du cas idéal utilisant une couche de matériau d'indice négatif ou de métal, est exposée. Une méthode de design basée sur une étude modale de la super-lentille métallique ainsi qu'une approche de design numérique de super-lentille basée sur un modèle raffiné de la super-lentille qui inclut l'objet à imager sont ensuite proposées. Dans les deux cas, les designs obtenus se comparent avantageusement avec d'autres présentés dans la littérature. La Section II étudie le problème de la division de sauts de phase dans les réseaux de Bragg écrits à l'aide d'un masque de phase dans lequel les sauts de phase sont inscrits. Dans les réseaux comprenant un seul saut de phase de à mi-longueur qu'on appelle filtres Fabry-Perot (FP) basés sur réseaux, la division en deux du saut de phase se manifeste physiquement par l'écriture d'une section de réseau très petite entre chacun des deux demi-sauts de phase causant des erreurs d'asymétrie dans sa réponse spectrale. On modélise les filtres FP à saut de phase divisé comme une succession de trois miroirs à réflectivité complexe variant avec la longueur d'onde séparés par les deux demi-sauts de phase. On constate que pour des filtres FP longs de plus de quelques millimètres, l'effet de la division d'un saut de phase est négligeable.

Dans un contexte économique florissant, le développement des lasers à fibre de haute puissance permet de rendre cette technologie accessible et utile dans plusieurs domaines. Les manufacturiers de lasers doivent sans cesse trouver des méthodes pour améliorer les performances, la fiabilité et la productivité de leurs systèmes afin d’occuper une part importante du marché. L’inscription de réseaux de Bragg fibrés (FBG) dans un segment ininterrompu de fibre de gain permet de faire une cavité laser sans épissure, rendant une telle cavité plus robuste, plus rapide à réaliser et lui conférant une efficacité laser supérieure. Les expériences effectuées ont permis de démontrer qu’il est possible d’inscrire des FBG dans une fibre dopée à l’ytterbium d’une réflectivité assez grande et de pertes par échauffement suffisamment faibles pour assembler une cavité laser émettant une puissance de 538 W avec une efficacité de 77%, la puissance maximale étant limitée par la puissance de pompe disponible. Malgré tout, on trouve par extrapolation que les FBG peuvent avoir un échauffement assez faible pour supporter une émission laser de 1030 W. Par ailleurs, les différentes cavités lasers réalisées ont montré qu’il est difficile de faire une cavité sans épissure en fibre de haute luminosité puisque le filtrage modal par injection ne peut être utilisé. Toutefois, il est possible de faire une cavité laser monomode avec une fibre à large aire modale et le pompage en contra-propagation permet d’atteindre une efficacité laser très élevée de 77% (78% à basse puissance). Les simulations numériques ont permis de comprendre que la distribution de puissance dans la cavité laser génère un échauffement inégal des FBG, rendant nécessaire de prendre des considérations supplémentaires pour éviter le décalage spectral entre les FBG. Néanmoins, le projet a su montrer qu’il est envisageable de commercialiser un laser sans épissure émettant 1 kW dans un avenir rapproché et que la technologie en place permettrait une telle réalisation. / In a rapidly growing market, high power fiber laser development is key in making this technology available to a large number of industries. Laser manufacturers must constantly develop new methods to upgrade lasers performances and reliability if they want to keep a significant market share. Fiber Bragg gratings (FBG) inscription in a continuous doped fiber segment allows the possibility for a splice less laser cavity, such a laser cavity being more reliable, fasterto build and granting higher laser efficiencies.The experiments demonstrated the feasibility of FBG inscription in an ytterbium doped fiber with a sufficient reflectivity and low enough heating losses to withstand an emission power of 538 W with 77% laser efficiency, the maximum power being currently limited by the available pump power. By extrapolating the data, it is found that the gratings have a low enough heating slope to support a laser emission of 1030 W. The different laser cavities assembled showed that it is very difficult to make a splice less single mode laser cavity in a high brightness fiber, because the injection mode filtering technique cannot be used. However, it has been shown that by using a large mode area fiber (LMA), a splice less single mode laser cavity can be made and that counter-pumping yields the best efficiency. Numerical simulations allowed us to understand that the power distribution inside of the laser creates an uneven heating between the FBG, making extra considerations mandatory to avoid spectral shift between the gratings. The project has shown that it is conceivable to commercialise a splice less laser emitting 1 kW in a near future and that the current available technology would allow such a realisation.

Les développements technologiques et scientifiques des dernières années dans le domaine des lasers à impulsions ont permis l'essor d'une toute nouvelle méthode de détection multihétérodyne utilisant deux peignes de fréquence. Un petit nombre de groupes de recherche ont commencé à étudier diverses applications possibles avec ce que l'on appelle aujourd'hui l'interféromètre à peignes de fréquence. Ce mémoire présente différentes mesures de réflectométrie prises avec un interféro-mètre à peignes de fréquence. La première moitié est consacrée à la présentation de la théorie, de l'implémentation en laboratoire de l'instrument et comment il est utilisé en réflectométrie. Par la suite, des mesures d'échantillons montrent les performances épatantes de l'interféromètre à peignes de fréquence pour caractériser des composants optiques à fibre communs dans le domaine des télécommunications. De plus, une série de mesures consécutives montre la capacité de l'instrument de prendre des mesures instantanées permettant ainsi de suivre le profil de déformation mécanique d'un échantillon à fibre dans le temps. L'instrument est par la suite adapté afin de prendre des mesures de type tomographic sur une surface étendue d'un échantillon. Le premier résultat montre la capacité de l'instrument à prendre des mesures en profondeur tandis que le second présente une image en trois dimensions de la surface d'un échantillon. Pour terminer, une brève analyse des performances et limites du montage de l'interféromètre à peignes de fréquence permet d'introduire les améliorations futures de l'instrument.

L'étude couvre un nouveau type de laser dont la longueur d'onde d'émission est synthonisable, discrète et stabilisée. Le principe de fonctionnement de ce nouveau type de laser repose sur la combinaison de la rétroaction optique provenant d'un réseau de Bragg échantillonné et des réflexions parasites de la section semi-conducteur amplificatrice. Dans un premier temps, la démonstration du laser ainsi qu'une comparaison par rapport aux autres lasers accordables est présentée. Ensuite, une théorie de la rétroaction optique basée sur la fonction d'Airy appliquée aux lasers est développée. Des expériences visant à optimiser le laser sont menées et une analyse des principaux paramètres de conception est par la suite effectuée. Enfin, le laser proposé est utilisé dans le cadre des télécommunications et du routage optique.

Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Afin de rendre les télécommunications optiques disponibles au plus grand nombre, le rapport coût/fonctions entrainé par la production de composants photoniques doit être fortement réduit. Or, un procédé permet de repousser les limites des dispositifs classiques basés sur un seul matériau. Il s'agit de l'intégration hybride. Cette technique fait intervenir deux échantillons ou plus pour optimiser les composants. C'est pourquoi ce projet de maîtrise s'est concentré sur le développement de nouvelles technologies de fabrication pouvant appuyer l'hybridation. En fait, ce document aborde le sujet à partir des trois directions suivantes: Direction 1: Collage moléculaire basse température à base de titane oxydé par plasma. Dans ce premier cas, le but est d'obtenir des collages moléculaires dont la forte adhésion permet de faire de l'intégration hybride en dessous de 300 [degrés Celsius]. Pour y arriver, une couche intermédiaire de titane oxydé par plasma est utilisée. Cela rend possible le collage d'échantillons de petites tailles, de matériaux différents et possédants des microstructures. Direction 2: Intégration de réseaux de Bragg verticaux dans des circuits planaires optiques. Dans ce second cas, le but est d'intégrer des réseaux de Bragg verticaux sur des branches de jonctions"Y" grâce à une lithographie mixte (photolithographie et électrolithographie combinés). Cela rend possible l'étude de dispositifs non disponibles commercialement. Direction 3: Coupleur SU-8/Silicium à faibles pertes. Dans ce dernier cas, le but est de faire le prototypage rapide de coupleurs dont les simulations prédisent une grande efficacité de couplages (>75%). Ces composants tirent profit de la plateforme silicium-sur-isolant (SOI ) et d'une photorésine, la SU-8. Cela rend possible la fabrication et le test de la première génération de ces coupleurs. L'ensemble de ces travaux ouvre la voie à des projets de microfabrication de dispositifs photoniques hybride complets et fonctionnels à l'Université de Sherbrooke.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre des systèmes d'accès optiques haut débit où la bande passante de la fibre est partagée entre plusieurs utilisateurs. Principalement, nous considérons les sytèmes de comunication à accès multiple par répartition de codes optique (OCDMA: Optical Code Division Multiple Access). Cependant, ces systemes ont pour inconvénients d'être limitée en termes de capacité de multiplexage et de subir des interférences dues aux utilisateurs non désirés. Afin d'augmenter le nombre d'utilisateurs de ces systèmes, nous proposons deux architectures systèmes OCDMA. La première est une architecture système hybride WDM/OCDMA à encodage temporel integrant une source large bande découpée spectralment afin de multiplier le nombre d'utilisateurs multiplexés OCDMA par le nombre de canaux WDM générés. La seconde est une architecture système OCDMA à encodage spectral en phase qui permet d'implémenter des codes bipolaires. De même, nous avons réduit les interférences d'accès multiple (MAI : Multiple Access Interference) rencontrées dans ces systèmes OCDMA du fait des utilisateurs interférents, en utilisant un absorbant saturable après décodage des données de l'utilisateur désiré. Dans le cadre du projet ANR SUPERCODE, nous avons étudié la génération d'une source continuum optique et l'implémentation d'un absorbant saturable, basées sur l'exploitation d'effets d'optique non-linéaire dans des fibres spéciales ; conçu et implémenté des codeurs et décodeurs tout-optique via des réseaux de Bragg photo-inscrits dans des fibres optiques; puis réalisé l'intégration système des architectures proposées, ainsi que l'étude et l'evaluation des performances obtenues.

Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser de forte luminance pour le pompage des amplificateurs, à fibre dopée erbium (EDFA), en particulier dans le domaine des télécommunications. Actuellement, les EDFA sont pompés par des diodes laser monomodes spatiales émettant à 980 nm une puissance maximale continue d'environ 300 mW sur une surface émettrice de 1 mM par 3 mM. Les diodes laser de plus forte puissance ont une surface émettrice plus large, typiquement 1 mM sur 100 à 200 mM. Il en résulte une dégradation de la qualité spatiale du faisceau dans le plan parallèle à la fonction de la diode. Dans cette direction, le faisceau est 10 à 20 fois limité par la diffraction, ce qui est un problème pour les applications qui nécessitent une forte densité de puissance sur une petite surface (comme par exemple le pompage des EDFA ou le pompage longitudinal des lasers solides). L'enjeu est de disposer d'une source laser monomode spatiale délivrant une puissance continue de l'ordre du watt à 980 nm. Lors de cette thèse, nous avons étudié deux voies. La première solution consiste à améliorer la qualité spatiale d'un faisceau de diode laser en effectuant un filtrage angulaire du faisceau. La technique utilisée est la mise en cavité externe d'une diode laser de puissance. Le filtrage angulaire est réalisé par un réseau de Bragg que nous avons conçu. La seconde solution pour obtenir une émission vers 980 nm dans un faisceau monomode spatial est d'utiliser le faisceau fortement multimode d'une diode laser de puissance pour pomper un cristal massif. Les cristaux dopés avec des ions ytterbium sont intéressants car ils peuvent présenter une raie d'émission vers 980 nm. Le problème est qu'il s'agit alors d'une vraie transition laser à 3 niveaux. Nous avons montré que par un bon choix de la matrice d'accueil et des conditions de pompage, il est possible de réaliser un laser efficace émettant vers 980 nm en pompage continu.