Un biocapteur à base de fibre optique en verre de chalcogénures, transparente dans un large domaine du moyen infrarouge (MIR), a été développé. Il permet l'enregistrement de spectres MIR par spectroscopie déportée. Le principe de la mesure est basé sur le concept de la spectroscopie par ondes évanescentes. Pour améliorer la sensibilité, les fibres utilisées sont effilées sur quelques centimètres et ont un profil en diamètre de 450-100-450 µm. La zone effilée sera mise en contact avec l'échantillon à analyser. Différents états métaboliques (physiologique ou pathologique) dans le foie et le sérum ont été analysés. Les coupes de foies et les sérums ont été mis directement en contact avec la partie senseur de la fibre, et des spectres MIR ont ainsi été collectés. L'objectif de ces études est d'identifier deux états métaboliques différents (sain et pathologique) d'un même échantillon. Des modifications spectrales peuvent être mises en évidence et reliées à une ou des altération(s) du métabolisme des lipides, glucides et/ou protides. Ces modifications peuvent être des différences d'intensité et/ou des décalages en nombre d'onde de bandes d'absorption. Tous les résultats sont corrélés avec les dosages sanguins et les colorations histologiques des échantillons analysés. Le développement d'un biofilm bactérien a été suivi in situ et en temps réel. Proteus mirabilis est un micro-organisme pathogène, opportuniste des voies urinaires, qui a développé un comportement multi-cellulaires complexe, corrélé dans l'espace et le temps, ce qui lui permet de coloniser de nouvelles surfaces. Durant le processus de différenciation, le changement de l'état végétatif à celui migrant (pathogène) est accompagné par des modifications des constituants membranaires. Les spectres MIR, enregistrés pendant le développement d'un biofilm à P. mirabilis, permettent de détecter en temps réel une contamination de surface, mais aussi les modifications biochimiques des constituants de la membrane bactérienne. Tous les spectres ont été traités par Analyse en Composantes Principales (ACP), d'une part pour une reconnaissance non-supervisée d'une pathologie, et d'autre part, déterminer la distribution spatiale des phénotypes de P. mirabilis au sein du biofilm

La trame générale de ces travaux de recherche concerne la modélisation et l'implantation de systèmes d'interconnexions optiques à forte bande-passante spatiale et temporelle. Nous présenterons une suite de résultats au niveau des modèles, des applications et des réalisations prototypales. L'origine de ces travaux est une étude sur les connexions optiques en espace libre permettant de modéliser des opérations de calcul optique parallèle (telles que la multiplication matricielle), débouchant sur une classe d'opérations plus générale mettant en jeu un réseau d'interconnexions non-invariantes spatialement entre plans de données. Cette étape a permis d'évaluer, tant qualitativement que quantitativement, l'apport de la synergie entre la synthèse numérique d'éléments optiques diffractants (HSO) et les modulateurs spatiaux de lumière (MSL) à cristal liquide, dans le but de réaliser des dispositifs de traitement optique spatial dynamique de l'information. L'étape suivante traite des interconnexions dynamiques entre fibres optiques monomodes, débouchant naturellement sur la conception de dispositifs d'aiguillage et de commutation pour les réseaux de transmission optiques dorsaux multiplexés en longueur d'onde (WDM). A ce niveau, les contraintes principales portent sur les temps de commutation requis −inférieurs à la milliseconde− et les capacités de plusieurs dizaines de voies spatiales indépendantes. Au niveau de l'implantation prototypale, nous avons poussé le plus loin possible le concept d'holographie digitale dynamique sur MSL à cristal liquide, aboutissant à la conception et l'intégration de plusieurs générations d'aiguilleurs de bandes optiques performants (jusqu'à 64 voies spatiales). Par la suite, devant la nécessité de développer des règles d'ingénierie sur les anneaux et les réseaux maillés WDM, je me suis impliqué dans l'évaluation et le développement d'outils de simulation photonique concernant les dispositifs de commutation et de brassage transparent de canaux optiques. Je présente enfin les axes de recherche ayant émergé plus récemment, centrés sur le dimensionnement et l'intégration de réseaux locaux utilisant l'optique comme canal de propagation sans fil à très haut débit et à impact sanitaire et environnemental réduit.

L'émergence des amplificateurs à fibre et l'inévitable accroissement du débit ont drastiquement augmenté la complexité des systèmes de transmission optiques, imposant une évolution des composants photoniques. Des techniques de caractérisation fiables et précises sont alors indispensables pour mener une analyse appropriée des caractéristiques et des performances desdits composants. La réflectométrie à faible cohérence sensible à la phase est une technique bien adaptée à la détection, localisation et quantification des discontinuités d'indice dans les composants optiques et photoniques. Dans le cadre de cette thèse, elle a été appliquée à l'analyse de différents composants photoniques innovants, tels que les réseaux de Bragg à fibre, les fibres optiques spéciales et les lasers à semi-conducteurs soumis à une injection optique. Les résultats obtenus situent cette technique comme un véritable outil d'investigation qui s'avère très performant pour l'assistance et l'aide à la conception des nouvelles générations de composants photoniques.

Améliorer la sécurité routière passe par une meilleure compréhension des causes d'accidents. Il est nécessaire de développer des observatoires discrets pour étudier la manière de conduire de tous les automobilistes. Une partie de cette analyse implique l'utilisation de capteurs mesurant les trajectoires des véhicules sur une portion de route. Deux capteurs innovants ont été crées pour pallier au manque de capteurs suffisamment précis : le premier est un capteur à fibres optiques présentant une succession de réseaux de Bragg et le second, protégé par un brevet, est fondé sur une technologie résistive. Ils ont été soumis à une expérimentation sur une route départementale. Le capteur optique s'avère performant mais coûteux. Le deuxième n'est pas assez robuste mais présente des perspectives intéressantes.

La nécessité de prouver l'existence de nouvelles particules comme les quarks et le boson de Higgs a entrainé le développement de deux nouveaux pans de la recherche : la physique des hautes énergies ou physique des particules, dédiée à prouver expérimentalement l'existence de ces particules puis à étudier leurs propriétés et la physique des accélérateurs, dédiée au développement de nouveaux instruments pour la physique des hautes énergies.Dans ce contexte, des collisionneurs linéaires électrons/positrons polarisés de forte luminosité dont l'énergie serait connue et accordable pourrait permettre d'étudier plus finement des particules se situant dans des énergies autour du TeV telles que le Boson de Higgs. C'est dans ce sens que le projet International Linear Collider (ILC) est conçu et c'est dans le cadre du développement de ce collisionneur linéaire de particules que cette thèse de doctorat se situe. Un des points critiques de l'ILC est la source de positrons polarisés. Sans entrer dans des explications sur la physique du processus de création de positrons polarisés, nous précisons simplement que ceux-ci sont créés lorsque des rayons gamma polarisés circulairement interagissent avec la matière. Le point critique est donc la source de rayons gamma polarisés circulairement. Une alternative pour cette source est la diffusion Compton inverse et c'est finalement dans le cadre de la recherche et du développement de systèmes lasers de fortes puissances moyennes asservis à des cavités Fabry-Perot pour la production de rayons gamma polarisés par diffusion Compton inverse que se situe cette thèse.Dans un premier temps, nous posons plus précisément le contexte de cette thèse, le principe de la diffusion Compton inverse ainsi que le choix d'une architecture optique basée sur un laser fibré et une cavité Fabry-Perot. Nous finissons sur une énumération des différentes applications possibles de la diffusion Compton inverse montrant que les travaux présentés pourraient bénéficier de transfert technologique vers d'autres domaines. Dans un second temps, nous présentons les différentes architectures d'amplification laser fibrée étudiées ainsi que les résultats obtenus. Dans un troisième temps, nous faisons un rappel du principe de fonctionnement d'une cavité Fabry-Perot et présentons celle utilisée pour notre expérience ainsi que ses spécificités. Dans un quatrième temps, nous abordons l'expérience de diffusion Compton inverse qui nous a permis de présenter pour la première fois à notre connaissance l'utilisation conjointe d'un laser à fibre optique et d'une cavité Fabry-Perot dans le cadre d'un accélérateur de particules pour générer des rayons gamma. Le dispositif expérimental ainsi que les résultats obtenus sont alors présentés. Finalement, nous résumons les résultats présentés dans ce manuscrit et proposons différentes possibilités d'évolution pour le système dans une conclusion générale.

Les fibres optiques dopées aux ions erbium sont utilisées pour réaliser des amplificateurs. Dans un objectif de contrôler et de modifier les propriétés spectroscopiques de l'erbium dans ces fibres optiques à base de silice, nous étudions une voie originale consistant à encapsuler ces ions dans des nanoparticules d'oxyde obtenues in-situ directement au cours du procédé MCVD. La modification de l'environnement local de l'erbium permet de modifier les propriétés spectroscopiques. Ces nanoparticules apparaissent au cours de la fabrication grâce à l'incorporation d'un agent nucléant. Les cycles thermiques nécessaires à la fabrication de la préforme permettent alors de déclencher une séparation de phases spontanée. Cette thèse a pour but d'étudier l'influence des différents paramètres de fabrication (concentration en agent nucléant dans la solution de dopage, phases de consolidation ou de rétreint, etc) sur les caractéristiques des nanoparticules et les propriétés spectroscopiques de l'erbium. L'étude des paramètres est regroupée dans ce manuscrit suivant deux axes : composition du matériau et cycles thermiques. Les nanoparticules ont été principalement caractérisées par Microscopie Électronique à Balayage (MEB). La spectroscopie de l'erbium a été analysée en réalisant des mesures de spectres d'émission et de temps de vie de la fluorescence à 1,5μm. Des modifications spectroscopiques (élargissement de 40 à 60% de la largeur à mi-hauteur du spectre d'émission) ont été obtenues seulement pour les fibres présentant des diamètres moyens de particule élevés ( 50nm). Les critères de transparence ne pourront donc être satisfaits qu'en jouant sur la densité de particules.

L'imagerie optique biomédicale est confrontée aux phénomènes d'absorption et de diffusion de la lumière par les tissus qui atténuent et brouillent le signal au cours de sa propagation. La Tomographie de Cohérence Optique (OCT) filtre les photons balistiques par interférométrie en lumière temporellement incohérente. En particulier, l'approche Plein Champ atteint une résolution de 1 µm, mais sa profondeur de pénétration ne dépasse pas 1 mm. Il est donc impossible d'imager les organes internes in vivo et in situ : il faut pour cela disposer d'un instrument doté d'un endoscope, ce qui n'avait pas été réalisé à ce jour. Nous proposons un système d'OCT Plein Champ avec endoscope flexible qui repose sur le couplage de deux interféromètres, l'un extérieur à la sonde et l'autre situé à l'extrémité de la sonde en contact avec le tissu. Ainsi la sonde est entièrement passive et le signal interférométrique qui la traverse n'est pas perturbé par l'environnement. Sa flexibilité lui permettrait d'imager des organes internes comme le colon. Cependant l'utilisation d'un faisceau de plusieurs milliers de fibres optiques fait apparaître un signal d'interférence parasite dû aux phénomènes de couplage inter-coeurs et inter-modes. Des solutions sont proposées pour s'en affranchir et permettre l'imagerie d'échantillons de tissus. En imagerie par endoscopie rigide deux systèmes sont comparés, avec un ou deux interféromètres, et une sonde composée de lentilles à gradient d'indice. Cette sonde peut imager directement au contact des zones comme la peau, ou en pénétrant l'organe à la manière d'une aiguille, par exemple dans le sein. Elle est assez performante pour être utilisée in vivo sur la peau.

De nos jours, les liaisons par fibres optiques monomode ou multimodes équipent de plus en plus de bâtiments, de lieux et sites de transports publics (gares, aéroports, autoroutes, ports ou plateformes multimodales). Ceci est dû au débit important qu'offre la fibre optique et à son atténuation très faible sur de longues distances. Afin de gérer au mieux la transmission au sein de la fibre optique, les performances de divers codes à une dimension 1D OOC et PC et deux dimensions 2D-MWOOC sur les récepteurs conventionnels ont été étudiées. Cependant, les performances obtenues restent limitées lorsque le nombre d'utilisateurs croit significativement. En ne tenant pas compte du bruit causé par les composants du système, la dégradation des performances est principalement due aux interférences d'accès multiples (IAM). De ce fait, nous proposons dans le cadre de cette thèse d'optimiser les performances du récepteur PIC en ajoutant un facteur de compensation qui permet de réduire au mieux les interférences d'accès multiples. Ceci est étudié avec les codes optiques à deux dimensions 2D-PC/PC que nous générons. Des expérimentations sur un banc d'essai optique en laboratoire sont effectuées pour illustrer la mise en oeuvre de multiservices. Une validation de certains résultats théoriques est également menée sur un simulateur dédié.

Les travaux réalisés dans ce manuscrit portent sur la fabrication de fibres optiques microstructurées (FOMs) à cœur suspendu en verre de tellurite pour la génération de supercontinuum au-delà de 2µm. Pour atteindre notre but nous avons tout d'abord réalisées les études des propriétés thermiques et optiques des verres TeO2-ZnO-R2O et TeO2-WO3-R2O (où R= Li, Na et K). La composition du verre 80TeO2-10ZnO-10Na2O (% molaire) a été sélectionnée pour la fabrication des FOMs destinées aux caractérisations du développement des effets non linéaires. La synthèse sous atmosphère sèche et oxydante nous a permis de réduire la concentration des groupements hydroxyles d'un facteur 30 par rapport à la fabrication du verre sous air. L'utilisation d'agents déshydratants (ZnF2 et TeCl4) permet d'abaisser encore la concentration des groupements OH jusqu'à quelques ppm. La composition du verre 80TeO2-5ZnO-5ZnF2-10Na2O donne une fibre transparente jusqu'à 4 µm laissant apparaître l'influence de l'absorption multiphonon. Utilisant les précurseurs commerciaux les plus purs nous avons pu réaliser une fibre de tellurite avec de très faibles pertes à 0,1 dB/m.Nous avons fabriqué des FOMs à cœurs suspendus avec des diamètres de cœurs variant de 2,7 µm à 3,5 µmet permettant de gérer la dispersion chromatique et de ramener la longueur d'onde du zéro dispersion entre 1500 nm et 1660 nm. Pour optimiser la génération du supercontinuum nous avons utilisé des sources laser pulsées pico- et femtosecondes pour pomper les fibres en régime de dispersion anormale. En parallèle aux mesures expérimentales, nous avons effectué des modélisations numériques basées sur la résolution de l'équation de Schrödinger non-linéaire généralisée. Les résultats expérimentaux, en bon accord avec les simulations, nous ont permis d'obtenir un élargissement spectral s'étalant de 850 nm à 2850 nm avec un niveau de puissance de sortie de 112 mW, dont l'extension à plus grandes longueurs d'ondes dans l'infrarouge est encore pour l'instant fortement limitée par l'absorption des groupements hydroxyles. Cependant la déshydratation du matériau, même si elle doit encore être améliorée a permis de montrer que lors de pompage à 2000-2200 nm le supercontinuum peut atteindre 4000-4500 nm, gamme de longueurs d'onde à partir de laquelle l'absorption multiphonon commence à être perceptible

La structuration et la fonctionnalisation de réseaux de fibres optiques ont été utilisées afin de réaliser différents capteurs électrochimiques et luminescents. Ce type de support permet de concevoir des capteurs capables de détecter à distance dans un milieu confiné, difficilement accessible ou dangereux. Deux capteurs pour la détection du mercure cationique (Hg2+) sont décrits dans cette thèse. Le premier utilise un dérivé de la rhodamine, qui est lié de façon covalente à la surface en verre du réseau, par silanisation. Le signal fluorescent de cette sonde est augmenté en présence de mercure ce qui permet de le quantifier. Le second capteur combine l'électrochimie sur ces réseaux de fibres optiques, grâce à une fine couche conductrice déposée à sa surface. Le réseau est ensuite modifié avec un complexe de Ruthénium(II), qui peut être électropolymérisé par l'intermédiaire de la fonction cyclopentadithiophène (CPDT). La détection du mercure est alors réalisée par électrochimiluminescence (ECL), qui est collectée à distance, grâce aux propriétés électro-modulables du film polymère. Les réseaux de fibres optiques nanostructurés ont également été utilisés pour la réalisation d'une sonde SECM, présentant un réseau dense de nanoélectrodes collectives. La réalisation d'un tel outil utilise le positionnement basé sur les forces de cisaillement et peut être utilisé pour la structuration de surfaces conductrices ou isolantes par SECM.