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.

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.

Dans un monde où l'automatisation est de plus en plus présente, il va de soi que l'utilisation des appareils de mesure permettant d'assurer un contrôle et une surveillance précise en tout temps est nécessaire. Les sondes à la base de ces appareils étant en demande croissante, elles se doivent d'être fiables, robustes et à bas coûts. Plusieurs options de sondes existent pour la mesure de température, cependant celles basées sur le principe de variation de temps de vie de la fluorescence sont proéminentes. Leur conception actuelle ne permet cependant pas une mesure à haute température et elles n'ont pas une grande robustesse. Le but du projet est de créer une sonde de température basée sur la mesure de temps de vie de la fluorescence entièrement fibrée. Cette solution peut être possible grâce à l'utilisation d'une fibre optique de transport auquel un morceau de fibre spécialement dopée y serait fusionné en son bout. Ainsi, l'utilisation de fibre optique seulement permettrait une mesure jusqu'à au moins 500 °C et une meilleure robustesse générale. La sonde doit aussi répondre au critère de précision de ±1,0 °C. Le dopage de verre permettant la fluorescence et présentant une dépendance en température est donc au coeur de cette recherche. Bien que plusieurs dopants sont envisagés, l'utilisation du chrome est définie comme le dopant le plus prometteur en raison de sa forte intensité de fluorescence et de sa dépendance élevée en température. La mise en place d'une sonde à partir d'un mélange d'époxy et de Cr :YAG permet d'avoir des mesures de référence et de tester l'appareil de mesure qui fera la lecture des sondes. Les appareils actuellement disponibles utilisant les sondes époxy/Cr :YAG permettent la mesure de température de -20 °C à 150 °C à ±1,0 °C. Dans le cadre de la présente maîtrise industrielle, des tests de dopage du verre sont effectués à l'aide principalement du procédé de dopage en solution. Bien que tous les échantillons présentent de l'absorption dans les longueurs d'onde d'intérêts, c'est une tranche de préforme dopée aux ions de chrome hydraté recuite à 1200 °C pendant 60 minutes qui permet la plus forte intensité de fluorescence. Cette fluorescence émet à 700 nm, soit la longueur d'onde recherchée. La longueur d'onde d'excitation est alors de 430 nm. C'est avec une excitation de 630 nm que les mesures de temps de vie de cet échantillon montrent une meilleure dépendance à la température de 0, 84*µs/°C*. Le fibrage de cette préforme s'avère toutefois difficile et un dopage moins agressif doit être envisagé. La préforme suivante moins dopée montre des caractéristiques similaires, lorsqu'excitées à 430 nm. La caractérisation de la fibre optique en découlant ne permet cependant pas de retrouver les mêmes temps de vie, probablement en raison de sa petite dimension de coeur. Les travaux préliminaires réalisés dans cette maîtrise industrielle ont permis de faire la preuve de concept d'une sonde de température fibrée basée sur la mesure du temps de vie de fluorescence. Des travaux subséquents seront par contre nécessaires pour réaliser une sonde pleinement fonctionnelle. / In a world where automation is increasingly present, it goes without saying that the use of measuring devices to ensure precise control and monitoring at all times is necessary. The probes at the base of these devices being in increasing demand, they must be reliable, robust and low cost. Several probe options exist for temperature measurement, however those based on the fluorescence lifetime variation principle are prominent. Their current design does not allow measurement at high temperature and they are not very robust. The goal of the project is to create a fully fibered temperature probe based on fluorescence lifetime measurement. This solution may be possible with the use of a transport optical fiber to which a specially doped end of fiber would be fused at its end. Thus, the use of optical fiber only would allow a measurement up to at least 500 °C and a better general robustness. The probe must also meet the precision criteria of ±1,0 °C. Glass doping allowing fluorescence and exhibiting a temperature dependence is therefore at the heart of this research. Although several dopants are considered, the use of chromium is defined as the most promising dopant due to its strong fluorescence intensity and its good temperature dependence. The installation of a probe from a mixture of epoxy and Cr :YAG makes it possible to have reference measurements and to test the measuring device which will read the probes. Currently available devices using epoxy/Cr :YAG probes allow temperature measurement from -20 °C to 150 °C at ±1,0 °C. In the context of this industrial expertise, glass doping tests are carried out mainly using the solution doping process. Although all the samples show absorption at the wavelengths of interest, it is a preform slice doped with hydrated Chromium ions annealed at 1200 °C for 60 minutes that allows the strongest fluorescence intensity. This fluorescence emits at the desired wavelenght of 700 nm. The excitation wavelength is then 430 nm. It is with an excitation of 630 nm that the lifetime measurements of this sample show a better temperature dependence of 0, 84*µs/°C*. The fiber drawing of this preform nevertheless proves to be difficult and a less aggressive doping must be considered. The following less doped preform shows similar characteristics when excited at 430 nm. The resulting characterization of the optical fiber does not make it possible to find the same lifetimes, probably because of its small core size. The preliminary work carried out in this industrial master's degree made it possible to prove the concept of a fiber temperature probe based on the measurement of the fluorescence lifetime. However, further work will be necessary to produce a fully functional probe.

La croissance constante et exponentielle de la demande de trafic de données Internet conduit nos réseaux de télécommunications optiques, principalement composés de liaisons de fibre monomode, à une pénurie imminente de capacité. La limite non linéaire de la fibre monomode, prédite par la théorie de l'information, ne laisse aucune place à l'amélioration de la capacité de communication par fibre optique. Dans ce contexte, la prochaine technologie de rupture dans les transmissions optiques à haute capacité devrait être le multiplexage par répartition spatiale (SDM). La base du SDM consiste à utiliser différents canaux spatiaux d'une seule fibre optique pour transmettre des données indépendantes. Le SDM fournit ainsi une augmentation de la capacité de transport de données d'un facteur qui dépend du nombre de chemins spatiaux qui sont établis. Une façon de réaliser le SDM consiste à utiliser des fibres faiblement multimodes (FMF) spécialisées, conçues pour présenter un couplage faible entre les modes guidés. Un traitement MIMO réduit peut alors être utilisé pour annuler le couplage résiduel des modes. Dans cette thèse, nous donnons tout d'abord un aperçu des progrès récents du multiplexage par répartition de modes (MDM). Les modes à polarisation linéaire (LP), les modes de moment angulaire orbital (OAM) et les modes vectoriels représentent différentes bases de modes orthogonaux possibles dans la fibre. Nous comparons les travaux utilisant ces modes en termes de conception de fibre proposée, nombre de modes, complexité MIMO et résultats expérimentaux de transmission de données. Ensuite, nous introduisons la modélisation de la fibre optique réalisée avec les solveurs numériques de COMSOL Multiphysics, et nous discutons de quelques travaux utilisant cette modélisation de fibre. Nous proposons une nouvelle FMF, composée d'un noyau hautement elliptique et d'une tranchée adjacente ajoutée pour réduire la perte de courbure des modes d'ordre supérieur. La fibre est conçue et optimisée pour prendre en charge cinq modes spatiaux avec une dégénérescence de polarisation double, pour un total de dix canaux. La fibre proposée montre une différence d'indice effectif entre les modes spatiaux supérieure à 1 × 10-3sur la bande C. Ensuite, nous fabriquons la fibre avec un procédé standard de dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD), et nous caractérisons la fibre en laboratoire. La caractérisation expérimentale a révélé que la fibre présente une propriété de maintien de polarisation. Ceci est obtenu grâce à la combinaison de la structure centrale asymétrique et de la contrainte thermique introduite lors de la fabrication. Nous mesurons la biréfringence avec une technique de réseau de Bragg inscrit dans la fibre (FBG). En incluant la contrainte thermique dans notre modélisation de fibre, un bon accord est obtenu entre la biréfringence simulée et mesurée. Nous avons réussi à effectuer la première transmission de données sur la fibre proposée, en transmettant deux signaux QPSK sur les deux polarisations de chaque mode spatial, sans utiliser de traitement MIMO. Enfin, nous présentons une amélioration d'une technique d'interférométrie hyperfréquence (MICT) précédemment proposée, afin de mesurer expérimentalement la perte en fonction du mode (MDL) des groupes de modes FMF. En conclusion, nous résumons les résultats et présentons les perspectives d'avenir de cette recherche. En résumé, de nouveaux FMF doivent être étudiés si nous voulons résoudre la pénurie imminente de capacité de nos technologies système. Les résultats de cette thèse indique que le FMF à maintien de polarisation proposée dans cette recherche représente une amélioration significative dans le domaine des systèmes de transmission MDM sans MIMO pour des liaisons de communication courtes ; c’est-à-dire distribuant des données sur une longueur inférieure à 10 km. Nous espérons que ce travail conduira au développement de nouveaux composants SD Mutilisant cette fibre, tels que de nouveaux amplificateurs à fibre, ou de nouveaux multiplexeurs/démultiplexeurs, comme par exemple des coupleurs en mode fibre fusionnée ou des dispositifs photoniques au silicium. / The constant and exponential growth of Internet data traffic demand is driving our optical telecommunication networks, mainly composed of single-mode fiber links, to an imminent capacity shortage. The nonlinear limit of the single-mode fiber, predicted by the information theory, leave no room for optical fiber communication capacity improvements. In this direction, the next disruptive technology in high-capacity communication transmissions is expected to be Space Division Multiplexing (SDM). The basic of SDM consists of using different spatial channels of a single optical fiber to transmit information data. SDM thus provides an increase in the data-carrying capacity by a factor that depends on the number of spatial paths that are established. A way to realize SDM is through the use of specialty few-mode fibers (FMFs), designed to have a weak coupling between the guided modes. A reduced MIMO processing can be used to undo the residual mode coupling. In this thesis, we firstly give an overview of the recent progress in mode division multiplexing (MDM). Linearly polarized (LP) modes, orbital angular momentum (OAM) modes and vector modes represent the possible orthogonal modes guided into the fiber. We compare works, making use of those modes, in terms of proposed fiber design, number of modes, MIMO complexity and data transmission experiments. After that, we introduce the optical fiber modelling performed with the numerical solvers of COMSOL Multiphysics, and we discuss some works making use of this fiber modelling. Next, we propose a novel FMF, composed of a highly elliptical core and a surrounding trench added to reduce the bending loss of the higher order modes. The fiber is designed and optimized to support five spatial modes with twofold polarization degeneracy, for a total of ten channels. The proposed fiber shows an effective index difference between the spatial modes higher than 1×10-3 over the C-band. Afterwards, we fabricate the fiber with standard modified chemical vapor deposition (MCVD) process, and we characterize the fiber in the laboratory. The experimental characterization revealed the polarization maintaining properties of the fiber. This is obtained with the combination of the asymmetric core structure and the thermal stress introduced during the fabrication. We measure the birefringence with a fiber Bragg grating (FBG) technique, and we included the thermal stress in our fiber modelling. A good agreement was found between the simulated and measured birefringence. We successfully demonstrate the first data transmission over the proposed fiber, by transmitting two QPSK signals over the two polarizations of each spatial mode, without the use of any MIMO processing. Lastly, we present an improvement of a previously proposed microwave interferometric technique (MICT), in order to experimentally measure the mode dependent loss (MDL) of FMF mode groups. Finally, we present the conclusions and the future perspectives of this research. To conclude, novel FMFs need to be investigated if we want to solve the imminent capacity shortage of our system technologies. We truly believe that the polarization-maintaining FMF proposed in this research represents a significant improvement to the field of MIMO-free MDM transmission systems for short communication links, distributing data over length less than 10 km. We hope that this work will drive the development of new SDM components making use of this fiber, such as new fiber amplifiers, or new mux/demux, as for example fused fiber mode couplers or silicon photonic devices.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les composés multimatériaux à base de verre connaissent aujourd’hui un intérêt croissant, en particulier sous la forme de fibres optique pour des applications dans l’infrarouge. Parmi les matériaux vitreux qui existent, les verres chalcogénures présentent de nombreux avantages, tel qu’un large domaine de transparence allant du visible à l’infrarougeou encore de bonne aptitude à pouvoir être étirer. Pour réaliser de nouvelles fibres multimatériaux, il est important d’avoir accès à un choix étendu de compositions vitreuses étirables pouvant servir de matrice hôte. Il peut être montré que les verres actuellement utilisés pour la réalisation de fibres multimatériaux couvrent deux plages de température de transition vitreuse différentes ; soit à basse température (100-250 °C), ou à haute température (1000 °C et plus). Le manque d’information sur des verres étirables couvrant un domaine intermédiaire de température entre 250 et 1000 °C, nous ont conduit à explorer les propriétés et les capacités d’étirement des verres des deux systèmes ternaires Ge-S-I et Ga-As-S. Il sera montré que ces systèmes vitreux ont en effet des Tg permettant de couvrir cette gamme intermédiaire de température et ont de larges domaines de formation vitreux. Un ensemble de caractérisations physiques et thermiques sur les verres au sein des systèmes ternaires Ge-S-I et Ge-As-S seront présentés et analysés. Il sera possible d’observer, comment notamment les résultats des mesures thermomécaniques et de viscosité des échantillons synthétisés ont permis d’aborder dans les meilleures conditions les tests d’étirement des verres. Ou encore comment l’analyse minutieuse des propriétés a pu permettre de définir un domaine de composition combinant à la fois des propriétés optimales en termes de Tg et de transparence dans le visible, avec une bonne capacité à pouvoir être étirées sous forme de fibres optiques. Pour la première fois les domaines de fibrage des deux ternaires à partir de l’étirement d’une préforme seront présentés dans ce manuscrit. Ce travail présente également une caractérisation structurale des verres Ge-S-I. Cette étude a été réalisé en combinant la spectroscopie Raman, la spectroscopie IR et des calculs de chimie théorique afin de proposer un nouveau modèle structural basé sur les avancés les plus récentes d'une part sur la structure du système binaire Ge-S, puis ternaire Ge-S-I.Enfin, les résultats préliminaires sur la réalisation de fibres multimatériaux à partir de verres Ge-S-I et Ge-As-S pour la réalisation de sources laser entre 3 et 5 µm, seront présentés. Le projet, la méthodologie et les résultats quant à la réalisation d’une fibre multimatériaux à base de verre chalcogénure avec un cœur cristallisé de ZnS à partir de deux techniques innovantes différentes, seront présentés. / Nowadays, the interest on multimaterials based on glass matrix growth constantly, in particular in the field of multimaterial optical fibers for IR applications. Among the glass materials that exist, chalcogenide glasses presents a lot of advantages as for instance large transparency windows, spanning from the visible to the infrared or also good capability to be drawn. In the aim to realize new multimaterials fibers, it is important to get a large choice of draw able glass compositions that can be used as host matrix. It can be shown that the glass used currently to make multimaterial fibers covers two glass transition temperature range ; low temperature (100-250 °C) and high temperature (1000 °C and more). The lack of information regarding the existence of glass compositions that can be drawn into fibers at intermediate temperature (between 250 and 1000 °C), has lead us to explore the properties and the draw ability of glasses into two ternary systems: Ge-As-S and Ge-S-I. It will be presented that these glass systems possess Tg that covers this intermediate range of temperature and have large glass forming regions. Some physical and thermal characterizations of Ge-As-S and Ge-S-I glasses will be presented and analyzed. It will be possible to observe how the thermomechanical and viscosity measurements made on the different samples enabled us to perform the drawing tests in the best conditions. It will be also possible to see how a careful analysis of the Ge-S-I glass properties gave us the possibility to define a glass region combining optimal properties as Tg and transparency in the visible, and good capability to be drawn. For the first time, the fiber drawing region of both systems will be presented in this thesis. This work present also a structural characterization of Ge-S-I glasses using IR and Raman spectroscopy as well as DFT calculations, in the aim to propose a new structural model based on recent development in the Ge-S network structure. Finally, preliminary results on the realization of Ge-S-I and Ge-As-S based multimaterial fibers for the production of IR laser sources between 3 and 5 µm, will be presented. The last chapter will present the project, the methodology and the results obtained to realize multimaterial fibers with ZnS core, using two different technics.

L'imagerie haute résolution a atteint une grande maturité ces dernières années et donne lieu aujourd'hui à de nombreuses publications scientifiques. Deux techniques sont utilisées : l'optique adaptative et la synthèse d'ouverture. Cette dernière technique est au point pour des bases de l'ordre de la centaine de mètres. Mais de nouvelles avancées sont encore possibles notamment en se tournant vers des instruments à très grandes bases et/ou utilisant de nouveaux guides optiques. Par ailleurs, le domaine de l'astronomie imposant de travailler avec de larges bandes spectrales pour collecter plus de lumière, la mise au point d'interféromètres large bande se révèle indispensable. Ce manuscrit présente le développement d'instruments fibrés et leur caractérisation sur de larges domaines spectraux.<br />Après une première partie consacrée à quelques rappels théoriques, le deuxième volet de ce document est consacré à l'étude des fibres optiques en silice pour le projet `OHANA. Ce projet, piloté par l'Observatoire de Meudon, vise à relier de manière cohérente les télescopes du Mauna Kea à Hawaii à l'aide des fibres optiques. La dispersion chromatique différentielle des fibres destinées à relier le CFHT et Gemini, d'une longueur de 300 m, a été caractérisée ce qui a permis de la minimiser. Une étude de l'évolution de cette dispersion a également été menée en tenant compte des variations différentielles de température. Des solutions utilisant une ligne à retard fibrée ou des lames de CaF2 ont été proposées et réalisées pour compenser la dispersion supplémentaire occasionnée par ces variations des contraintes thermiques. La troisième partie est dédiée à l'étude des propriétés des fibres à cristaux photoniques (PCFs) pour l'interférométrie large bande. Deux interféromètres respectivement à deux et trois voies ont été mis en oeuvre dans le but de tester les propriétés des PCFs. Il a été montré que les fibres microstructurées utilisées avaient la capacité de propager la lumière de façon cohérente sur une très large bande spectrale, allant typiquement de 670 nm et 1550 nm, ce qui n'est pas possible en utilisant des fibres en silice " conventionnelles ". Enfin, des mesures de clôture de phase ont été réalisées et font apparaître que ces PCFs n'apportent pas de biais sur ces mesures.

Thèse de doctorat : Electronique : Lille 1 : 2000. / Résumé en français et en anglais. Bibliogr.