Les réseaux électriques sont sujets aux aléas divers pouvant éventuellement mettre en péril leur sûreté. Des évènements résultants de l’aléa météorologique ou de la défaillance stochastique des composants du réseau tels qu’une fluctuation de températures hors saison ou la perte d’une unité de production, peuvent causer des déséquilibres inattendus entre l’offre et la demande et entraîner des délestages. Pour faire face à ces aléas, des marges de puissance ou "réserve" sont ménagées par rapport au strict équilibrage de l’offre et de la demande prévisionnelle. Cependant, déterminer la quantité de réserve suffisante pour une opération fiable et rentable est un problème difficile à résoudre, particulièrement en présence d’incertitude croissante due à la libéralisation du marché de l’électricité et à la pénétration à grande échelle des éoliennes sur le réseau. L’approche déterministe considère un niveau de réserve statique du jour pour le lendemain. L’énergie éolienne étant faiblement prévisible, de la réserve supplémentaire est requise pour pallier l’intermittence du vent. Parce que les éoliennes ne sont pas distribuables, les générateurs conventionnels ont été laissés sous pression en répondant aux variations larges et rapides de la charge nette du réseau. Étant données les contraintes de rampe qui limitent leur flexibilité, le bon fonctionnement du marché de l’électricité peut être altéré parce que les transactions d’énergie qui y sont contractées risquent de ne pas être réalisées en temps réel comme convenu pour des raisons de sécurité. Dans ce contexte, l’utilisation de l’approche déterministe à elle seule comme c’est le cas aujourd’hui, pourrait ne pas être économique ou fiable pour contenir les risques encourus; d’où la nécessité des méthodes sophistiquées basées sur une représentation plus complexe de l’incertitude. Cette thèse propose des solutions viables et efficientes à l’incertitude croissante dans l’opération à court terme des réseaux électriques en présence d’éoliennes à grande échelle et dans un contexte de compétition. Le caractère conservatif de la méthode déterministe a été grandement amélioré par une génération de réserve supplémentaire, contrôlable, et qui tient en compte l’aspect stochastique des éoliennes. La mutualisation des capacités via l’interconnexion permet d’alléger la contrainte d’équilibrage du réseau et de réduire les secousses autour des générateurs conventionnels. Afin de faciliter les transactions d’énergie sur le marché, des règles ont été élaborées pour inciter la mise en disponibilité des générateurs à larges paliers de rampes. Un problème combiné de la programmation des centrales et de transit optimal de puissance incorporant tous les objectifs sus-cités a été formulé. Traduit en programmation mixte quadratique car générant des solutions faisables dont le niveau d’optimalité est connu, celui-ci a été utilisé pour investiguer divers effets de l’interconnexion sur la réduction des coûts d’exploitations associés à plus d’éoliennes sur le réseau. Enfin et surtout, la capacité de notre modèle à résister aux contingences a été validée avec un modèle qui tient compte de l’aspect aléatoire des composants du réseau à tomber en panne. Ce qui nous a permis d’ajuster notre stratégie du marché du jour pour le lendemain par rapport à celui du temps réel. Notre modèle se distingue par sa rapidité et sa capacité `a révéler les coûts cachés de l’intégration des éoliennes dans les réseaux électriques. / Power grids are subject to a variety of uncertainties that may expose them to potential safety issues. Interruptions in electricity supply for instance, may result from an unseasonable temperature fluctuations or a power station outage, which are events of stochastic nature involving the weather or the failure of a component in the grid. The result may be sudden imbalances in supply and demand, leading to load interruptions. To plan for such unforeseen events, the grid carries ’reserve’, i.e., additional capacity above that needed to meet actual demand. However, scheduling the appropriate amount of reserve needed for a reliable and cost-effective grid operation is very challenging, especially in the context of increased uncertainties due to liberalization and the large-scale wind electric generators (WEGs) penetration to grid. Traditional grids assume a fixed knowledge of system conditions for the next day. Wind power being very poor to predict, an extra reserve generation to accommodate its uncertainty is required. Because WEGs aren’t built around spinning turbines, conventional units have been left stressed while responding to large and fast variations in the system net load. Given the temporal operating restrictions that limit their flexibility, the properly functioning of the electricity market can be altered as the energy transactions may not be carried out in realtime, exactly as agreed for security reasons. In this context, the use of the deterministic criteria alone as is the case today, may not be economical or reliable in limiting the risk of uncertainty; calling for sophisticated methods based on more-complex characteristics of uncertainty. This thesis proposes reliable and sound solutions to the increased variability and uncertainty in short-term power grid operations emanating from increasing the share of WEGs in the generation mix and competition from electricity markets. The conservativeness of the deter ministic method has been greatly improved with an adjustable extra generation reserve that accounts for the stochastic feature of WEGs. An inherent flexibility–design that attempts to reduce the onus placed on conventional units to balance the system has been considered. In doing so, the jerkings around these units while responding to large and fast variations in the system net load have been considerably mitigated. Adequate market policies that incentivize flexible resources to make their units with higher ramp rates available to follow dispatch signals have been crafted, thereby avoiding potential reliability degradation or costly out-ofmarket actions. A combined Security Constrained Unit Commitment (SCUC) and Optimal Power Flow (OPF) optimization problem that encompasses all the above mentioned goals has been formulated. Translated into a Mixed Integer Quadratic Programming (MIQP) problem that can return a feasible solution with a known optimality level, the SCUC-OPF engine has been used to investigate various effects of grids integration on reducing the overall operating costs associated with more wind power in the system. Last but not least, the effectiveness of our model to withstand contingencies has been done with a probabilistic model benchmark that accounts for the random nature of grid failure. This allows the adjustment of the Day- Ahead Market (DAM) strategy with respect to the Real-Time Market (RTM). Our model is proven to be more acceptable as it is time-saving, and has particular implications for wind integration studies as it can reverse the hidden cost of integrating WEGs to grid.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / Le contrôle de flot d’information est une approche prometteuse permettant aux utilisateurs decontrôler comment une application utilise leurs informations confidentielles. Il reste toutefois plusieurs défis à relever avant que cette approche ne puisse être utilisée par le grand public. Plus spécifiquement, il faut que ce soit efficace, facile à utiliser, que ça introduise peu de surcharge à l’exécution, et que ça fonctionne sur des applications et langages réels. Les contributions présentées dans cette thèse nous rapprochent de ces buts. Nous montrons qu’une combinaison d’analyse statique et dynamique permet d’augmenter l’efficacité d’un mécanisme de contrôle de flot d’information tout en minimisant la surcharge introduite. Notre méthode consiste en trois étapes : (1) à l’aide d’analyse statique, vérifier que le programme ne contient pas de fuites d’information évidentes; (2) instrumenter l’application (c.-à-d., insérer des commandes) pour prévenir les fuites d’information confidentielles à l’exécution; (3) évaluer partiellement le programme pour diminuer l’impact de l’instrumentation sur le temps d’exécution. Pour aider les utilisateurs à identifier les applications qui sont les plus susceptibles de faire fuirde l’information confidentielle (c.à.d., les applications malicieuses), nous avons développé un outil de détection de maliciel pour Android. Il a une précision de 94% et prend moins d’une seconde pour effectuer son analyse.Pour permettre aux utilisateurs de prioriser l’utilisation de ressources pour protéger l’information provenant de certaines sources, nous introduisons le concept defading labels. Pour permettre aux chercheurs de développer plus facilement et rapidement des mécanismes de contrôle de flot d’informations fiables, nous avons développé un outil permettant de générer automatiquement la spécification d’un mécanisme à partir de la spécification d’un langage de programmation. Pour permettre aux chercheurs de plus facilement communiquer leurs preuves écrites en Coq, nous avons développé un outil permettant de générer des versions en langue naturelle de preuves Coq. / Information-flow control is a promising approach that enables users to track and control how applications use their sensitive information. However, there are still many challenges to be addressed before it can be used by mainstream users. Namely, it needs to be effective, easy to use, lightweight, and support real applications and languages. The contributions presented in this thesis aim to bring us closer to these goals. We show that a combination of static and dynamic analysis can increase the overall effectiveness of information-flow control without introducing too much overhead. Our method consists of three steps: (1) using static analysis, we verify that the program does not contain anyobvious information leaks; (2) we instrument the program to prevent less obvious leaks from occurring at runtime; (3) we partially evaluate the program to minimize the instrumentation’simpact on execution time. We present a static-based malware detection tool for Android that allows users to easily identify the applications that are most likely to leak sensitive information (i.e., maliciousapplications). It boasts an accuracy of 94% and takes less than a second to perform its analysis. We introduce the concept of fading-labels, which allows information-flow control mechanisms to prioritize the usage of resources to track information from certain sources. We present a tool that can, given a programming language’s specification, generate information-flow control mechanism specifications. This should allow researchers to more easily develop information-flow control mechanisms. Finally, we present a tool that can generate natural-language versions of Coq proofs so that researchers may more easily communicate their Coq proofs.

Le système proposé dans le cadre de ce travail est une plate-forme de capteurs sans fil permettant de mesurer la croissance de cultures de micro-organismes dans leur habitat naturel tout en effectuant diverses mesures environnementales. L’évaluation de la croissance des micro-organismes dans les 96 puits individuels du système est réalisée à l’aide d’un système de mesure d’impédance puisqu’il est possible de relier l’impédance d’une colonie de microorganismes à sa population en fonction du temps. Ces différentes informations sont très utiles afin d’évaluer l’état de santé d’un milieu donné et en particulier d’un milieu nordique pour ce projet. Les mesures d’impédance effectuées permettent d’identifier les puits où une croissance s’est produit et donc de les isoler plus facilement pour analyse future, ce qui simplifie le processus. Ce système effectue des mesures à intervalles régulier et peut transmettre ces mesures par un système de communication sans fil à un récepteur proche en plus de sauvegarder localement les données. Le système présente une consommation électrique très faible ce qui lui permet une autonomie de plusieurs mois avec une batterie dans des régions isolées. La conception en plusieurs puits de culture permet d’isoler plusieurs échantillons et de prendre des mesures séparées sur chacun de ceux-ci. Le projet est effectué dans le cadre de la stratégie Sentinelle Nord de l’Université Laval qui vise à améliorer la compréhension de l’environnement nordique. Le système proposé est unique en son genre au moment d’écrire ce mémoire puisqu’il permet simultanément la culture de micro-organismes in situ et l’évaluation de la croissance de ces derniers. La plate-forme proposée offre ainsi plusieurs opportunités pour les chercheurs en biologie et en microbiologie d’obtenir des informations sur ces milieux isolés. Des essais sur le terrain dans la région du Nord-du-Québec à Kuujjuarapik et au Lac à l’Eau Claire ont d’ailleurs permis de valider le fonctionnement du dispositif dans les conditions d’utilisations désirées en plus de démontrer, suite à une analyse du contenu des puits de culture, qu’il est possible de faire prospérer des micro-organismes dans ces derniers. / The proposed system consist of a wireless multi-sensors platform that can measure the growth of multiples microorganism populations inside their natural habitat while also measuring various environmental parameters. An impedance measuring circuit is used to evaluate the growth of the microorganisms inside the 96 culture wells of the EcoChip. This method is used since the impedance of these colonies is directly related to the number of microorganisms in the growth medium. These impedance measurements over time are then used to evaluate if microbial growth is normal and this can be used to give an idea of the overall health state of a given environment, which for this project is a nordic one. These impedance measurements are also used to produce growth curves that can be used to isolate wells inside which there was an increase in microorganism concentration and then easily screen them for further analyses. The designed system is programmed to scan the culture wells at regular intervals and to transmit the results to a nearby base station via a wireless link. These data are also saved on the on-board memory to ensure that they can be recovered later when there are no nearby receivers. The multi-well conception of the system also allows to isolate multiple samples and to conduct individual measurements on each of them. Since the platform is autonomous and is powered with a battery, it is designed to have a very low power consumption which allows for a long lifetime while in an isolated location. This project is done as part of the Sentinel Nord Strategy of Université Laval which aims to improve our understanding of the northern environment. At the time of the redaction of this thesis, the proposed system is unique in its kind since it allows the culture of microorganisms in situ and the evaluation of the culture growth with an electronic system while in the wild. The platform offers many opportunities for scientists in biology and microbiology since it enables them to obtain information on various isolated places where environmental data and microorganism samples can be hard to get. Field tests at Kuujjuarapik and Clearwater Lake (Nord-du-Québec) with the device have proven that the system allows the growth of microorganism colonies in its wells while conducting successful impedance analyses.

Les technologies d’assistance jouent un rôle important dans le quotidien des personnes en situation de handicap, notamment dans l’amélioration de leur autonomie de vie. Certaines d’entre elles à l’exemple des fauteuils roulants motorisés et autres bras robotiques articulés, requièrent une interaction au moyen d’interfaces dédiées capables de traduire l’intention de l’utilisateur. Les individus dont le niveau de paralysie confère de bonnes capacités résiduelles arrivent à interagir avec les interfaces de contrôle nécessitant une intervention mécanique et un certain niveau de dextérité (joysitck, boutons de contrôle, clavier, switch, souris etc). Cependant, certains types de handicap (lésion ou malformation médullaire, paralysie cérébrale, traumatismes à la suite d’un accident, absence congénital de membres du haut du corps, etc) peuvent entraîner une perte d’autonomie des doigts, des avant-bras ou des bras, rendant impossibles le recours à ces outils de contrôle. Dès lors, il est essentiel de concevoir des solutions alternatives capables de pallier ce manque. Partout à travers le monde, des chercheurs réalisent des prouesses technologiques et conçoivent des interfaces corps-machine adaptés à des handicaps spécifiques. Certaines d’entre elles utilisent les signaux bio-physiologiques (électromyoraphie (EMG), électroencéphalographie (EEG), électrocorticographie (ECoG), électrocculographie (EOG)), image de l’activité musculaire, cérébrale et occulographique du corps humain, qu’elles traduisent en moyens de contrôle relatifs à un mouvement, une intention formulée par le cerveau, etc. D’autres se servent de capteurs d’image capable d’être robuste dans un environnement donné, pour traduire la direction du regard, la position de la tête ou l’expression faciale en vecteurs de contrôle. Bien qu’ayant fait montre de leur efficacité, ces techniques sont parfois trop coûteuses, sensibles à l’environnement dans lequel elles sont utilisés, peuvent être encombrantes et contre-intuitives, ce qui explique le gap existant entre les besoins réels, la recherche et le marché des solutions de contrôle alternatives disponibles. Ce projet propose un “framework” embarqué, permettant d’interfacer différents types de modalités de mesure des capacités résiduelles des patients, au sein d’un réseau de capteurs corporels sans-fils multimodales. Son architecture est conçue de façon à pouvoir prendre en compte différents types de handicap et octroyer une large gamme de scénarios de contrôle pouvant s’adapter facilement aux aptitudes physiques de son utilisateur. In fine, l’interface corps-machine que ce projet propose, explore des approches nouvelles, se voulant pallier aux limitations des solutions existantes et favoriser l’autonomie de vie des individus en situation de handicap. / Assistive technologies play an important role in the day-to-day lives of people with disabilities, in particular in improving their autonomy. Tools such as motorized wheelchairs, assistive robotic arms, etc, require interaction through dedicated interfaces capable of translating the user’s intention. Individuals whose level of paralysis allows good residual abilities can interact with control interfaces requiring mechanical intervention and a good level of dexterity (joysitck, control buttons, keyboard, switch, mouse etc). However, certain types of disability (spinal cord injury or malformation, cerebral palsy, trauma following an accident, congenital absence of upper body limbs, etc.) may result in loss of autonomy of the fingers, forearms or arms, making it impossible to use these control tools. Therefore, it is essential to design alternative solutions to overcome this lack. Researchers around the world are realizing technological prowess by designing body-machine interfaces adapted to specific handicaps. Some of them use bio-physiological signals (electromyography (EMG), electroencephalography (EEG), electrocorticography (ECoG), electrocculography (EOG)), images of the muscular, cerebral and occulographic activity of the human body, for translation into means of control with respect to a movement, an intention formulated by the brain, etc. Others use image sensors that can be robust in a given environment, to translate the direction of gaze, the position of the head, or facials expressions, into control vectors. Although they were proved to be efficient, these techniques are sometimes too expensive, sensitive to the environment in which they are used, can be cumbersome and counter-intuitive, which explains the gap between existing needs, research and development, and the market of commercially available alternative control solutions. This project provides a "framework" that enables the design of flexible, modular, adaptive and wearable body-machine interfaces for the severely disabled. The proposed system, which implements a wireless and multimodal body sensor network, allows for different types of modalities the measure the residual capacities of individuals with severe disabilities for translation into intuitive control commands. The architecture is designed to accommodate different types of disabilities and provide a wide range of control scenarios. Ultimately, the body-machine interface that this project proposes, explores new approaches, aiming to overcome the limitations of existing solutions and to promote the autonomy of life of individuals with disabilities.

Le présent mémoire vise le domaine des télécommunications optiques et de la radio sur fibre (RoF). Il a pour objectif de proposer une technique de réutilisation de longueur d’onde optique afin de transmettre un signal sans-fil 802.11a en amont et un signal numérique OOK en aval dans la même bande passante. Cette technique se base sur les amplificateurs à semiconducteur réfléchissant (RSOA). Ce composant permet l’effacement du signal numérique arrivant par la saturation de son amplificateur qui sera ensuite réutilisé comme modulateur de fréquence radio (RF) pour retourner un signal sans-fil 802.11a dans une bande pouvant chevaucher le signal effacé. Par l’entremise des articles qui sont publiés et relatés dans ce mémoire, une étude exhaustive de la technique de saturation du RSOA aux fins de re-modulation ainsi que des performances obtenues en laboratoire y est présentée. Trois formats de modulations QPSK, 16QAM et 64QAM y seront testés. L’évaluation des performances sera réalisée à l’aide des paramètres suivants : le taux d’erreur binaire (BER), le facteur de qualité (Q), la norme du vecteur d’erreur (EVM), la distance de propagation atteinte dans la fibre, la vitesse de transmission et l’indice de modulation (MI). Cette technique peut être utilisée pour un signal sans-fil 802.11a d’une antenne jusqu’à une centrale par fibre optique, et ce, jusqu’à 80 km avec un format de modulation QPSK. Il est également possible de transmettre du 64QAM jusqu’à 40 km tout en gardant une bonne performance en sens opposé. Il a été également possible de conclure expérimentalement qu’il est possible de multiplexer plusieurs signaux sans-fil sur 20 km dans la bande RF du RSOA en coexistence avec un signal numérique en sens opposé. Cela ouvre des portes sur de nouvelles recherches d’architectures où les coûts, la consommation de puissance et le traitement de signaux sont plus centralisés et à bas prix.

La biophotométrie sur fibre est une technique puissante utilisée en neuroscience pour surveiller les fluctuations dynamiques des niveaux de calcium en corrélation avec des événements neuronaux, tels que la génération de potentiel d’action, l’exocytose de neurotransmetteurs, des modifications de la plasticité synaptique et la transcription de gènes dans les structures cérébrales profondes d’animaux de laboratoire vivants. Cette approche permet également d’étudier la corrélation entre les processus neuronaux et le comportement de modèles animaux vivants afin de percer les mystéres du cerveaux et de nombreuses maladies comme la maladie d’Alzheimer. Les appareils de biophotométrie sur fibre de table classiques utilisent une fibre optique attachée pour émettre de la lumière et récupérer les signaux de fluorescence, ce qui présente un risque de rupture, de contrainte et de blessure potentielle. Ces systèmes sont également encombrants et nécessitent des tensions de fonctionnement élevées. Par conséquent, leur utilité dans les études sur des animaux vivants est limitée. Le but de ce projet est de mettre en place une interface neuronale optique sans fil pour effectuer la détection de fluorescence avec des modèles animaux vivants sans restreindre leurs mouvements ni induire de stress dû au câble. Nous avons conçu un système de biophotométrie par fibre optique sans fil légère et compacte pour une utilisation chronique basée sur un capteur de fluorescence CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) intégré offrant une sensibilité élevée, une plage dynamique élevée et une consommation d’énergie très faible. Le système de biophotométrie à fibre présenté incorpore tous les aspects d’un système de biophotométrie à fibres englobé dans un sans fil. Les principales contributions de ce travail ont été rapportées dans neuf conférences et trois articles de journaux publiés ou soumis, ainsi que dans une divulgation d’invention. Les mesures de biophotométrie en fluorescence nécessitent un appareil de laboratoire à large plage dynamique (DR) et à haute sensibilité. Cependant, il est souvent très difficile de mesurer avec précision les petites variations de fluorescence en présence de bruit et d’autofluorescence de tissu de fond élevée. Une contribution importante de ce travail concerne le développement de biocapteurs optoélectroniques CMOS intégrés sur mesure et de circuits de traitement permettant de détecter les signaux de fluorescence très faibles et de les convertir en codes numériques de haute précision, afin de construire des dispositifs de détection du cerveau montables sur la tête de souris de laboratoire, très compacts et légers. Nous avons conçu une première puce de biocapteur CMOS haute précision offrant une plage de tension de fonctionnement basse, une basse consommation, une haute sensibilité et une gamme dynamique élevée basée sur une architecture basse tension intégrant un circuit frontal à détection différentielle avec heure [sigma delta] modulation avec un amplificateur de transconductance capacitif différentiel (ATCCD). / Ce nouveau système offre une mise en oeuvre simplifiée ainsi qu’une architecture à faible consommation utilisant une stratégie de partage du matériel. La détection différentielle et les photodiodes factices avec le ATCCD permettent d’atteindre une sensibilité élevée en supprimant les dark current de la photodiode, en utilisant un petit condensateur d’intégration dans le ATCCD. Les résultats de mesure sont présentés pour le capteur de biophotométrie proposé, fabriqué avec une technologie CMOS de 0.18 mm, consommant 41 mWd’une tension d’alimentation de 1.8 V, tout en atteignant une gamme dynamique maximale de 86 dB, une bande passante de 50 Hz, une sensibilité de 24 mV/nW et un courant minimum détectable de 2.6-pArms à un taux d’échantillonnage de 20 kS/s. Un autre défi critique pour un système de photométrie à fibre pour petits animaux concerne la gestion de la consommation de courant importante nécessaire à la source de lumière d’excitation pour fournir une puissance de sortie de lumière suffisante au tissu afin de déclencher la fluorescence. Par conséquent, des impulsions lumineuses d’excitation courtes doivent être utilisées par rapport à la période d’échantillonnage du signal de fluorescence (>10 ms), afin de réduire la consommation de courant moyenne et d’allonger la durée de vie de la batterie. Pour répondre à cette exigence critique, nous avons amélioré notre conception avec un deuxième prototype de biocapteur utilisant de nouvelles techniques de circuit pour offrir une sensibilité élevée et une plage dynamique élevée avec un temps de conversion réduit permettant l’utilisation d’impulsions lumineuses à cycle de fonctionnement réduit et de consommation faible. Le biocapteur est basé sur un convertisseur analogique-numérique (CAN) à comptage étendu, et un convertisseur analogique-numérique de premier ordre SD, dont le fonctionnement est synchronisé avec les impulsions lumineuses d’excitation. Le biocapteur présente une gamme dynamique de 104 dB à un temps de conversion de 3 % de la période d’échantillonnage du signal de fluorescence et réduit la consommation électrique de la DEL de 97 %. Un dernier aspect critique concerne la flexibilité du biocapteur pour effectuer des tests fiables in vivo. Réaliser un test pratique in vivo nécessite d’ajuster la sensibilité du biocapteur et la puissance de sortie de la DEL du biocapteur afin de s’adapter à différents niveaux de fluorescence et différents environnements physiologiques à l’intérieur des tissus de l’animal vivant. Ainsi, nous avons conçu un troisième biocapteur incorporant une sensibilité et un temps de conversion programmables afin d’optimiser la consommation d’énergie de DEL et de permettre un très faible facteur de fonctionnement excitation/détection. Cette toute nouvelle architecture de capteurs utilise un CAN à temps discret [sigma delta] avec une technique de double échantillonnage numérique corrélée permettant la détection de photocourants inférieurs à 1 pArms. Cette conception a été utilisée comme module de base pour développer un prototype de headstage sans fil. Nous avons mis en place et testé in vitro avec succès ce système de biophotométrie à fibre, qui comprend la puce de biocapteur proposée, avec une tranche de cerveau de souris exprimant GCaMP6, un indicateur de calcium génétiquement codé. / Fiber biophotometry is a powerful technique in neuroscience to monitor the dynamic fluctuations in calcium levels correlated with neural events, such as action potential generation, exocytosis of neurotransmitters, changes in synaptic plasticity, and gene transcription in deep brain structures in live laboratory animals. This approach allows studying the correlation between neuronal processes and the behavior of live animal models in order to learn more about the brain function and its associated diseases. Conventional bench-top fiber biophotometry apparatus use a tethered optical fiber to deliver light and to retrieve fluorescence signals, which involves risk of breakage, stress, and potential injury. These systems are also bulky and require high operating voltages. Therefore, their usefulness to conduct studies with live animals is limited. The goal of this project is to implement a wireless optical neural interface to perform fluorescence sensing with live animal models without restraining their movement or inducing stress due to cable tethering. We designed a lightweight and compact size wireless fiber biophotometry headstage for chronic utilization based on a custom integrated Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) fluorescence sensor providing high-sensitivity, high-dynamic range, and very low-power consumption. The presented head-mountable fiber biophotometry system incorporates all aspects of a conventional tethered fiber-based biophotometry system encompassed into a wireless headstage. The main contributions of this work were reported in nine conferences and three journal papers published or submitted, and in one invention disclosure. Fluorescence biophotometry measurements require wide dynamic range (DR) and high-sensitivity laboratory apparatus. But, it is often very challenging to accurately resolve the small fluorescence variations in presence of noise and high background tissue autofluorescence. An important contribution of this work concerns the development of custom integrated CMOS optoelectronic biosensors and processing circuits to detect very weak fluorescence signals, and to convert them into high-precision digital codes, for building very compact and lightweight head-mountable brain sensing devices for laboratory mice. We first designed a high-precision CMOS biosensor chip providing low operating voltage, low-power, high-sensitivity, and high-dynamic range based on a low-voltage architecture that embeds a differential sensing front-end circuitry with a continuous-time [sigma delta] modulation with a differential capacitive transconductance amplifier (DCTIA). This novel system offers a simplified implementation as well as a low-power architecture leveraging a hardware sharing strategy. Differential sensing and dummy photodiodes with the DCTIA enables to achieve high-sensitivity by suppressing the photodiode dark currents and using a small integration capacitor in the DCTIA. Measurement results are presented for the proposed biophotometry sensor fabricated in a 0.18-mm CMOS technology, consuming 41 mW from a 1.8-V supply voltage, while achieving a peak dynamic range of 86 dB over a 50-Hz input bandwidth, a sensitivity of 24 mV/nW and a minimum detectable current of 2.46-pArms at a 20-kS/s sampling rate. / Another critical challenge for a head-mountable fiber photometry system is when handling the large current consumption needed for the excitation light source to provide sufficient light output power to the tissue in order to trigger fluorescence. Hence, short excitation light pulses must be used, relative to the sampling period of the fluorescence signal (>10 ms), in order to decrease the average current consumption, and extend the battery lifetime. To address this critical requirement, we improved our design with a second biosensor prototype using novel circuit techniques to provide high-sensitivity and a high-dynamic range with a short conversion time to allow the utilization of low-duty cycle light pulses and low-power consumption. The biosensor is based on an extended counting ADC, first-order [sigma delta] and single slope ADC, whose operation is synchronized with the excitation light pulses. The biosensor presents a high-dynamic range of 104 dB at a conversion time of 3 % of the fluorescence signal sampling period and decreases the power consumption of the excitation light source by 97%. A last critical aspect concerns the flexibility of the biosensor to perform reliable tests in-vivo. Performing a practical test in-vivo requires to adjust the biosensor sensitivity and the excitation light source output power of the biosensor to adapt to different fluorescence levels and different physiological environments inside the live animal tissues. Thus, we designed a third biosensor incorporating a programmable sensitivity and a programmable conversion time to optimize the excitation light power consumption, and to enable very low excitation/sensing duty cycle. This completely new sensor architecture utilizes a discrete time SD ADC with digital correlated double sampling technique enabling detection of low photocurrents as low as 1 pArms. This design was used as a core module to develop a wireless head-mountable optical headstage prototype. We have implemented and sucessfully tested this fiber photometry headstage, which includes the proposed biosensor chip, in-vitro with a mouse brain slice expressing GCaMP6, a genetically encoded calcium indicator.