L’environnement lumineux de l’Océan Arctique est unique en raison d’interactions complexes entre la lumière et le couvert de glace de mer enneigé, et les oscillations de photopériodes extrêmes. Le succès des organismes photosynthétiques arctiques suggère donc des mécanismes de régulation flexibles qui permettent la survie lors de longues périodes d’obscurités, la capture de photons dans la pénombre sous la glace et la photoprotection rapide lors d’éclairements excessifs soudains. Les diatomées sont les producteurs primaires arctiques principaux. Elles exploitent le continuum de niches lumineuses induit par la transformation saisonnière de leur habitat au cours d’une succession de formes de vie sympagiques (glace) et planctoniques (eau). Lorsque la photosynthèse sature, les diatomées dissipent l’énergie lumineuse excessive en chaleur via le quenching non-photochimique (NPQ), principalement contrôlé par l’action du cycle des pigments xanthophylles (XC). Généralement, chez les diatomées, l’opération de ces mécanismes de photoprotection est finement adaptée à leur niche lumineuse. Cependant, peu d’études se sont intéressées aux souches arctiques, malgré les profonds contrastes de niches lumineuses qu’elles surmontent (glace, sous la glace, eaux de fontes, eaux libres). Ce manque de données entrave nos capacités à anticiper l’impact de l’intensification de l’environnement lumineux de l’océan Arctique, causée par la réduction de la superficie et de l’épaisseur du couvert neige-glace, sur l’intégrité écosystémique. Nous avons étudié les réponses à la lumière de cinq espèces de diatomées arctiques représentatives des différentes phases et habitats de leur succession saisonnière. Les espèces sympagiques ont exprimé une stratégie photoadaptative survivaliste, caractérisée par une croissance saturée à faible éclairement et un fort NPQ longuement maintenu à l’obscurité. Les espèces planctoniques ont montré une plus grande flexibilité d’exploitation de la lumière et une importante photoprotection activée par des éclairements intense et l’obscurité prolongée. Ces stratégies photoadaptatives divergentes gouverneront probablement des réponses hétérogènes à l’intensification de l’environnement lumineux arctique. / Over their highly productive seasonal succession, Arctic diatoms occupy shifting habitats and contrasted light climates defined by snow/ice cover dynamics and extreme photoperiod variations. These unique light environment features suggest Arctic diatoms are well adapted to survive prolonged darkness periods, exploit minimal light in snow-covered sea-ice and overcome spontaneous excessive, and potentially harmful, light exposures. Diatoms mitigate photooxidative damages by dissipating oversaturating light energy as heat via the non-photochemical quenching (NPQ), mainly regulated by the xanthophyll cycle (XC). How heterogeneous light niches influence Arctic diatoms photoadaptative traits remains largely unknown and a crucial missing link to apprehend Arctic Ocean’s response to shrinking sea-ice and increasing illumination. To address this question, we selected five Arctic diatoms species harbouring diverse life traits and representative of distinct phases across the seasonal light niche continuum: from snow-covered dimly lit bottom sea-ice to summer stratified waters. To access how Arctic diatoms cope with a heterogeneous light environment, we studied their acclimation to two light intensities and subsequent darkness incubations, and parametrized NPQ-XC induction upon light shifts. Our results highlight the sea-ice cover as a strong selective force shaping Arctic diatoms photoadaptative strategies. Ice-related species exhibited a survivalist photoadaptive strategy with growth saturating at low irradiance and strong photoprotective capabilities sustained even in darkness. Open-water species photophysiology was more dynamic, expressing flexible light utilisation capacities and great photoprotection capacities triggered by high light and darkness. Ice-edge species showed strong adaptation to light fluctuations and dark physiology fine-tuned depending upon light history. We argue that diverging photoadaptative strategies foster Arctic diatom success in their respective seasonal niches and will likely drive uneven responses to a transforming Arctic Ocean.

Les floraisons printanières phytoplanctoniques sont plus précoces dans environ 11% de l’océan Arctique dû à un retrait plus hâtif des glaces au printemps. Quelles conditions d’éclairement et de photopériode sont nécessaires à l’initiation de cette floraison ? L’étude présentée vise à quantifier l’effet de l’éclairement et de la durée du jour sur la croissance de la Thalassiosira gravida. La T.gravida a été cultivée en laboratoire sous quatre régimes lumineux représentant une fonte précoce de la banquise aux mois de mars, avril, mai et juin dans la baie de Baffin. La T.gravida a montré une capacité de photoacclimatation lui permettant de maintenir un taux de croissance plus élevé et constant d’avril à juin. Les propriétés photosynthétiques de cette diatomée permettent sa croissance si la fonte printanière de la banquise survient au mois de mars. Toutefois, les conditions environnementales favorables à une floraison plus importante seraient celles des mois d’avril et mai.

Durant l’hiver en Arctique, les algues de glace et le phytoplancton passent près de 6 mois à l’obscurité totale avant que les conditions pour la croissance soient optimales au printemps. Comment les algues polaires, composées principalement de diatomées, réussissent-elles à survivre à d’aussi longues périodes d’obscurité et à croître dès le retour de la lumière? Quels sont les mécanismes physiologiques impliqués? Les objectifs de l’étude présentée visent à caractériser l’état cellulaire d’une diatomée arctique, Fragilariopsis cylindrus, durant une période d’obscurité totale représentative de l’hiver polaire afin de mieux comprendre les mécanismes qui permettent la survie à l’obscurité prolongée et au retour de la lumière. Nous avons mesuré les mécanismes physiologiques impliqués en mesurant plusieurs paramètres à des intervalles précis: les premiers jours, les premières semaines et les trois premiers mois d’obscurité ainsi que les premières heures et les premiers jours des retours à la lumière après 1,5 et 3 mois d’obscurité. Les paramètres mesurés comprenaient le nombre et la taille des cellules, le carbone et l’azote particulaire, les lipides, la composition en pigments, la flurorescence variable, les protéines photosynthétiques (D1, RUBISCO), les paramètres photosynthétiques et le quenching non-photochimique (NPQ). Quelques jours après la transition à l’obscurité, Fragilariopsis cylindrus s’est acclimatée à un état stable qui s’est maintenu jusqu’au retour de la lumière. Cet état est caractérisé par un nombre et une taille des cellules stables, une faible consommation des réserves d’énergie, une faible diminution des pigments photosynthétiques et de très faibles capacités photosynthétiques. Après 1,5 mois d’obscurité, la réexposition à la lumière a déclenché une forte réponse du NPQ et un réassemblement de l’appareil photosynthétique, suivi d’une reprise des activités métaboliques et de la croissance cellulaire. La réexposition après 3 mois s’est caractérisée par une reprise des activités beaucoup plus lente, probablement causée par une mortalité plus importante. / Polar winter in the Arctic can last as long as 6 months each year at high latitude. During this period, no light is available for photoautotrophic growth. Nevertheless, when light returns in spring, a sea-ice algae and phytoplankton bloom develops in the surface ocean layers. Therefore, the following questions can be asked: How do photoautotrophic communities (mainly diatoms) survive through winter darkness until light returns in spring? What are the physiological mechanisms underlying such survival? Our goal was to understand the acclimation processes at stake in both darkness and during the return to light by closely looking at the changes in intra-cellular content and functional capacity of a polar sea-ice diatom, Fragilariopsis cylindrus. We measured a set of parameters at specific time-points: the first days and first weeks up to 3 months of darkness, and the first hours up to 6 days upon return to light. This set included cell number and cytometry, cellular carbon and nitrogen quotas, lipid and pigment contents, fluorescence determinations, photosynthetic proteins (D1, RUBISCO), photosynthetic parameters and non-photochemical quenching (NPQ). A rather stable state was reached few days following transition to dark and was maintained throughout until the return of light: stable cell size and number, low energy reserve consumption, slow decrease of photosynthetic pigments and very low photosynthetic capacities. Subsequent transition to light after 1.5 months induced strong NPQ activity and reassembly/renewal of photosynthetic components, followed by metabolic recovery and cell growth. Transition after 3 months showed a much slower recovery and no cell growth, highlighting the increase of potential mortality with longer periods of darkness.

"Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Télécom ParisTech, Paris, France" / L’échange d’informations est devenu une question de première importance et les systèmes optiques leur réponse. En effet, ils permettent de proposer des liens de communication pouvant contenir un flux toujours grandissant de données. Si le développement des liaisons intercontinentales reste au centre de toutes les attentions, la question de la connexion de réseaux plus modestes n’est pas à négliger, tant les notions de centre de données ou de stockage sur le « nuage » prennent de l’ampleur. En particulier, la longueur du lien de transmission joue un rôle central dans la question du coût énergétique. En effet, si pour couvrir de grandes distances, les réseaux optiques doivent se munir de structures robustes, capables de juguler ce flot, les liens courte distance peuvent quant à eux se dispenser de ces éléments onéreux. Pour répondre à ces besoins, cette thèse aborde la problématique des diodes lasers à modulation directe (DML) lesquelles figurent parmi les concurrents les plus incontournables pour les liens courte distance. Ces émetteurs de petite taille brillent notamment par leur faible coût ainsi que par leur facilité d’implémentation dans une chaine de transmission optique et une consommation énergétique - par bits transmis – plus faible que les transmetteurs exploitant la modulation externe. Néanmoins, la modulation directe de la lumière impacte fortement la bande passante de transmission et par conséquent le débit binaire maximal atteignable. Dans cette thèse, nous proposons d’explorer de nouvelles architectures de DMLs à capacité de transmission augmentée compatibles avec des débits supérieurs à 50 Gbps. Dans ce but, deux axes d’étude ont été privilégiés. Le premier repose sur une nouvelle structure DML exploitant des effets non-linéaires combinés comme le levier de gain et l’injection optique. Les simulations révèlent d’excellents résultats avec des bandes passantes prometteuses > 85 GHz et un diagramme de l’œil toujours ouvert à 40 Gbps. De plus, il est démontré que l’utilisation conjointe du levier de gain et de l’injection optique renforce la résistance aux phénomènes de compression du gain et de dérive de fréquence (chirp) garantissant ainsi une utilisation stable du DML dans un système de transmission. Le deuxième axe de la thèse se polarise sur l’étude de transmetteurs dont le volume de cavité se rapproche de la limite de diffraction. Les résultats montrent que le contrôle de l’émission spontanée est un élément vital pour diminuer substantiellement les puissances consommées tout en conservant une bonne dynamique de modulation. Le seuil optique étant atteint avant que le milieu ne soit totalement inversé (seuil électrique), les niveaux de courants de polarisation utilisés sont très faibles, typiquement <1 mA. Pour des dimensions de cavités proches de celles des structures verticales à émission par la surface (VCSELs), des bandes passantes de plus de 60 GHz sont obtenues. En transmission, les mésolasers apparaîssent comme les meilleurs candidats pour la modulation directe avec des diagrammes de l’œil permettant une décision à plus de 50 Gbps pour un courant de 6 mA. Lorsque le volume de cavité devient inférieur à la limite de diffraction (nanolaser), l’émetteur optique ne permet plus de conserver une dynamique de modulation efficace et une transmission compétitive. Couplés aux techniques de traitement de signal déjà employées pour la modulation directe, ce travail montre que les nouveaux composants DML susmentionnés possèdent des capacités d’opération exaltées (> 50 Gbps) ce qui en font d’excellents candidats pour les liens courte distance. / Development of ultrafast chips operating at speeds exceeding 100 Gbps is of paramount importance for increasing the transmission capacity of fiber-based networks, directly impacting G5 wireless networks, internet, local area networks, metropolitan area networks, and long-haul backbones, thus bringing closer the concept of networked society. Although complex modulation formats combined with digital signal post-processing are usually preferred to reach ultra-high modulation bandwidth, the long latency introduced by electronic processing results in a severe communication bottleneck. To this end, direct-detection systems implemented with directly modulated semiconductor lasers remain promising candidates as sources of high-speed intensity modulated signals thanks to their low-cost, well-established fabrication, compactness and most importantly their low energy consumption - by transmitted bits – much lower than transmitters using external modulation of light. In order to improve the performance and capacity of optical networks, it is necessary to enhance the modulation efficiency and 3-dB electro-optical bandwidth of optical transmitters without increasing their intensity noise and inducing excessive frequency chirp as well as intrinsic parasitic effects driven by nonlinear gain suppression or carrier transport delay. In order to improve the modulation characteristics, this PhD thesis explores new architectures of directly modulated lasers with increased transmission capacities compatible with high-speed operations at 50 Gbps and beyond. For this purpose, we first study a new DML exploiting combined non-linear effects such as gain lever and optical injection. Simulations reveal excellent results with promising bandwidths> 85 GHz and an eye diagram still open at 40 Gbps. In addition, it is demonstrated that the joint use of the gain lever and the optical injection greatly enhances the resistance to the gain compression and strongly lowers the frequency chirping making such a DML highly robust in a transmission system environment. The second axis of the thesis is focused on the modulation dynamics of optical transmitters whose cavity volume is closer to the diffraction limit. In such lasers in which the spontaneous emission rate is strongly enhanced, the optical threshold occurs before themedium is totally inverted (electrical threshold e.g. clamping condition). As a consequence, simulations show that nanolasers with cavity volumes below the diffraction limit can operate with extremely low injected currents (<<1 mA) which is desirable for reducing power consumption however without great performance at high-speeds. On the contrary, mesolasers with cavity sizes similar to that of surface-emitting vertical structures (VCSELs) are found to be the best candidates for high-speed operation with 3-dB electro-optics bandwidths as large as 60 GHz and an eye diagram allowing a decision at 50 Gbps for a current of 6 mA. Coupled with the signal processing techniques already employed for direct modulation, this work shows that the aforementioned directly modulated lasers have exalted operating capabilities (>50 Gbps) making them excellent candidates for short-reach communications.

L'objectif de ce mémoire est de développer des logiciels de simulation durables pour les chercheurs en biophotonique. En raison de l'absence de solutions logicielles adaptées aux applications biophotoniques, les chercheurs doivent consacrer beaucoup de temps soit à l'apprentissage de logiciels commerciaux complexes, souvent coûteux et difficiles à modifier, soit au développement de leur propre logiciel. Dans ce dernier cas, le produit est souvent difficile à entretenir ou à utiliser par d'autres chercheurs en raison de l'absence de bonnes pratiques de développement logiciel, comme les tests unitaires et la séparation des responsabilités, ce qui n'est pas prévu dans le programme d'études en biophotonique. En mettant l'accent sur la conception et l'architecture logicielle, ce travail présente comment des solutions de simulation extensibles et maintenables ont été développées en Python pour permettre de simuler facilement la propagation de la lumière dans les tissus et améliorer la qualité d'image d'un système d'imagerie. Un module PyTissueOptics est d'abord développé avec une librarie graphique 3D indépendante pour prendre en charge la propagation de la lumière selon la méthode de Monte Carlo dans des tissus et des environnements 3D complexes. Un module Polarization est ensuite développé pour simuler la propagation de la lumière polarisée dans les composants optiques et les tissus biréfringents. Ce module est ensuite utilisé pour générer des données synthétiques de tomographie à cohérence optique sensible à la polarisation (PS-OCT). Enfin, ces données synthétiques sont utilisées pour entraîner un nouveau modèle d'apprentissage profond, CLNet, afin de nettoyer les tomogrammes PS-OCT et d'obtenir une meilleure qualité d'image. / The goal of this memoir is to develop sustainable simulation software for biophotonics researchers. The lack of good and tailored software solutions for biophotonics applications results in researchers having to take a lot of time to either learn complex commercial software, which is also often expensive and hard to modify, or develop their own software. The latter often yields a product that is hard to maintain or use by other researchers because of a lack of good software development practices, like unit testing and separation of concerns, which is not included in the biophotonics curriculum. With a focus on software design and architecture, this work presents how extensible and maintainable simulation solutions were developed in Python to allow easy simulation of light propagation in tissues and improve the image quality of an imaging system. A PyTissueOptics module is first developed along with an independent 3D graphics framework to support Monte Carlo light propagation in complex 3D tissues and environments. A Polarization module is then developed to simulate polarized light propagation in optical components and birefringent tissues. This module is then used to generate synthetic data of polarization-sensitive optical coherence tomography (PS-OCT). Finally, this synthetic data is used to train a novel deep learning model, CLNet, to clean PS-OCT tomograms and yield an improved image quality.

Le trouble affectif saisonnier (TAS) est une pathologie fréquemment retrouvée dans les latitudes nordiques et se caractérise par une baisse de l'humeur à l'automne et à l'hiver avec rémission au printemps et à l'été. Bien qu'environ 2,6 % de la population canadienne serait touchée par le TAS, l'origine de ce syndrome demeure inconnue. Il existe toutefois un lien clair entre la diminution de la photopériode à l'automne et à l'hiver et l'apparition des symptômes. L'augmentation de la photopériode au printemps conespond également à la disparition de ces mêmes symptômes. En raison de ce lien étroit avec la lumière, il n'est pas surprenant qu'un éventuel défaut au niveau de la rétine ait été suspecté puisqu'elle représente la première interface à entrer en jeu dans la transmission de l'information lumineuse au cerveau. Les objectifs généraux de cette thèse sont principalement d'étudier si des altérations des mécanismes rétiniens sont présentes chez les TAS, mais aussi de vérifier l'impact de certains contextes lumineux et de la mélatonine sur la rétine normale. Toutes les expérimentations ont été effectuées avec la technique d'électrorétinogramme (ERG).

La laitue étant une plante dite ±annuelle de jours longs¿, la floraison est normalement induite durant l'été. Grâce aux nouvelles variétés de laitue plus résistantes à la montaison, ce problème est moins important aujourd'hui que dans le passé. Toutefois, durant l'été très chaud de 2005, on a observé de nombreux champs de laitues dont les coeurs étaient très longs, avant même que la plante ait atteint un poids souhaitable pour le marché. Dans cette étude, nous avons 1) quantifié les effets de la photopériode et de la température nocturne sur la croissance des transplants en serre, 2) déterminé les conditions de photopériode et de température favorables à la croissance végétative de la laitue de type Iceberg et Romaine au champ et 3) développé une méthode de culture de transplants en serre permettant d'inhiber la montaison au champ. Cette étude montre que la longueur de la tige ainsi que l'indice de résistance à la montaison des laitues Romaine et Iceberg à la récolte est significativement réduite par les courtes photopériodes durant la phase transplant. De plus, une température nocturne élevée (22°C) pendant le stade transplant diminue l'indice de résistance à la montaison des laitues Romaine à la récolte

D'abord, nous présentons les principes physiques nous permettant de modéliser et comprendre le phénomène de propagation linéaire des impulsions lumineuses dans un milieu homogène, dans les guides d'ondes planaires et enfin dans les fibres optiques microstructurées. Ensuite, nous faisons une analyse mathématique rigoureuse des équations linéaires de propagation et posons le problème comme celui de la recherche de valeurs propres d'opérateurs auto-adjoints dans un espace de Hilbert. On verra que ces résultats théoriques s'appliquent aux équations simulées dans le logiciel Comsol Multiphysics. Enfin, nous recensons et proposons différentes façons de prédire les valeurs de dispersion chromatique et d'atténuation dans les fibres microstructurées à coeur suspendu en utilisant les notions et équations discutés dans les deux premiers chapitres. Le choix de la géométrie, du matériau et de la longueur d'onde de la lumière transmise sont parmi les variables étudiées numériquement. Nous ferons également un exemple détaillé d'utilisation du logiciel Comsol Multiphysics pour construire un modèle de fibre optique microstructurée.

L'impact sur la perception de la qualité de la lumière du jour de trois vitrages de couleur différente (bleu, neutre, bronze) mais de transmission visuelle similaire a été étudié. Les participants (n= 36, âge moyen 23,8 ans) étaient assis avec le haut du corps dans une maquette à l'échelle 1:4, reproduisant un bureau composé de quatre murs et une fenêtre orientée sud-est. Lors des sessions d'évaluation, les participants devaient évaluer les conditions lumineuses de la pièce avec un questionnaire portant sur les facteurs suivants: le confort visuel; la naturalité; l'agréabilité; le niveau de précision des détails et textures; et le niveau de lumière. Les participants devaient également évaluer leur état d'éveil à l'aide d'une échelle de somnolence (KSS) au début et à la fin de chaque session. Les analyses par modèle mixte ont révélé des résultats significatifs pour les facteurs suivants: confort visuel (p= 0,015), agréabilité (p= 0,003 et p= 0,017 lorsque les résultats des questions écrites et orales étaient combinés), et le niveau de lumière (p= 0,044) en faveur du verre bronze par rapport au vitrage bleu et au neutre. Le vitrage neutre a également été préféré au bleu pour le facteur agréabilité (p= 0,021). Des test-t appariés réalisés à partir des évaluations de l'éveil des participants (KSS) indiquent une légère baisse du niveau d'éveil en présence du vitrage bleu. Généralement, il semble y avoir une nette préférence pour la lumière ambiante filtrée par un vitrage bronze, lorsque comparé à un vitrage bleu. / The impact on daylight quality perception, of three windows of similar visual transmittance but different colour (blue, neutral, bronze) was investigated. Participants (n=36, mean age 23.8 years) were seated with their upper body immersed in a scale model (1:4) replicating an office room composed of four walls and a changeable window (blue, neutral or bronze) oriented towards the south-east direction. On separate sessions (one for each window glazing), participants were asked to evaluate the luminous conditions in the room according to the following qualitative factors: visual comfort; naturality; pleasantness; precision (of details and textures); light level. Participants were also asked to evaluate their level of arousal using a sleepiness scale (KSS) at the beginning and end of each session. Mixed model analyses revealed statistically significant higher scores for the factors pleasantness (p=0,003 and p=0,017 when results from the oral and written questions were combined), comfort (p=0,015) and daylight quality (p=0,044) for the bronze window glazing compared to the blue and neutral glazing. The neutral glazing was also preferred over blue for pleasantness (p=0,021). Paired t-test analysis from the KSS results indicated a slight decrease in the level of arousal in presence of the blue glazing. Overall, the thesis shows that there appears to be a clear preference for ambient light filtered through bronze window glazing compared to blue window glazing.

Dans le but d'évaluer les effets d'une préparation photopériodique des béliers sur leurs performances de reproduction en contre-saison (printemps) et en saison sexuelle (automne), quatorze béliers Suffolk ont été répartis, en novembre, dans l'un des traitements suivants : LN) groupe témoin en lumière naturelle durant toute l'expérimentation; Photo) photopériode alternant 1 mois de jours longs et 1 mois de jours courts de novembre à septembre; Photo/LN) comme Photo de novembre à mai et lumière naturelle de mai à octobre. La circonférence scrotale, la qualité de la semence et la concentration sanguine de testosterone ont été évaluées toutes les deux semaines. Les résultats montrent l'influence positive de la préparation photopériodique des béliers sur la circonférence scrotale, la fertilité, mais surtout sur la productivité en contre-saison. De plus, l'application du traitement photopériodique en contre-saison seulement ne nuirait pas à la fertilité des béliers l'automne suivant.