Prédiction théorique des structures localisées à une et à deux dimensions dans des cavité passives soumis à une injection optique. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les travaux de cette thèse portent sur la conception et la réalisation de nanopinces optiques intégrées basées sur l’utilisation du champ proche pour piéger des nanoparticules de taille inférieure à 1 µm.Le dispositif proposé exploite l’existence d’un couplage fort entre un guide d'onde SOI et une chaîne d’ellipses d’or afin d’exciter efficacement des plasmons de surface localisés et ainsi créer une énergie potentielle suffisamment intense pour piéger des billes de polystyrène.Des simulations par la méthode FDTD permettent d’optimiser la géométrie de la structure et d’extraire des valeurs de constante de raideur et de potentiel d’énergie de piégeage. L’efficacité ainsi que la stabilité de piégeage du système sont évaluées en présence de particules de taille comprise entre 20 nm et 1 µm. Les travaux mettent en évidence qu’avec une simple ou une double chaîne plasmonique, des billes de polystyrène sont piégées de manière efficace lorsqu’elles ont une dimension comprise entre 50 et 250 nm de rayon avec une puissance incidente de 10 mW. Utiliser seulement deux ellipses d’or au-dessus d’un guide d’onde SOI localise mieux le champ électrique entre elle. Cette structure peut alors être utilisée comme capteurs et détecter le changement d’indice optique du milieu environnant ou encore la variation de la taille de la bille à piéger. Le piégeage de billes métalliques de dimension supérieure à 15 nm de rayon est également présenté. Il est aussi possible de concevoir des dispositifs permettant de contrôler la position d’une particule piégée le long d’une chaîne d’ellipses d’or en faisant varier la longueur d’onde de la lumière injectée dans le guide.Des dispositifs de piégeage sont fabriqués en salle blanche en exploitant les résultats obtenus par simulation et sont caractérisés sur un banc d'optique guidée. Des mesures de transmission optique détermine la longueur d'onde de résonance de la chaîne plasmonique, qui se traduit par une forte diminution de la transmission. Des expériences de piégeage optique mettent en évidence la possibilité de piéger de manière stable des nanoparticules diélectriques. Le suivi de la trajectoire des particules en fonction du temps permet de tracer des histogrammes de position et ainsi d’extraire les valeurs de l'énergie potentielle et de la constante de raideur du piège. Ces valeurs, déterminées expérimentalement, sont plus faibles que celles attendues par simulation. Cet écart peut être expliqué par la présence de vibrations mécaniques du banc de caractérisation optique.Ce dispositif de piégeage ouvre des perspectives d’applications dans le domaine des capteurs tout intégrés de taille nanométrique à faible puissance incidente. / This work is focused on the conception and the realisation of an integrated nano-tweezers based on the near field effect to trap nanoparticles smaller than 1 µm.The proposed device exploits the strong coupling between a SOI waveguide and a gold elliptic chain to excite the localized surface plasmon and to create a deep energy potential well to trap polystyrene beads.FDTD simulations are used to optimize the geometry of the structure and to extract the stiffness values and the potential energy. The efficiency and the trapping stability are evaluated with particles having size between 20 nm and 1 $upmu$m. This work shows that polystyrene beads with a radius between 50 and 250 nm are efficiently trapped thanks to single and double plasmonic chain with an injected power of 10 mW. The electric field is more localized when two gold elliptic nanocylinders on top of a SOI waveguide are considered. This structure can be used as a sensor to detect the shift of the optical index or the variation of the bead size. The tweezing of metallic beads having radius higher than 15 nm is also presented. It is also possible to control the position of the trap particle along a gold elliptic chain by varying the injected wavelength into the waveguide.Trapping device are fabricated in clean-room based on the simulations results of the geometry optimisation and are characterized on an optical bench. Optical measurements of transmission enable to determine the resonance wavelength of the plasmonic chain. Optical trapping experiment highlight the efficient tweezing of dielectric nanoparticles. With time resolved tracking method of the particle, position histograms can be plotted to extract potential energy and stiffness value. These experimentals results are not as good as the simulations results which can be explain by mechanic vibrations of the optical bench.This trapping device opens news applications in all integrated nanometric sensors with a small injected power.

Un lien optique basé sur un multiplex de longueurs d'onde autour de 1,55μm est une alternative intéressante pour pallier la saturation des bandes radio-fréquences classiquement utilisées et pour répondre aux besoins de liens haut débit par satellite géostationnaire de la prochaine génération de télécommunication. Compte-tenu de la puissance limitée des lasers envisagés, la divergence du faisceau doit être considérablement réduite. Par conséquent, le pointage du faisceau devient un paramètre critique. Au cours de sa propagation entre la station sol et un satellite géostationnaire, le faisceau optique est dévié et éventuellement déformé par la turbulence atmosphérique. Cela induit de fortes fluctuations du signal de télécommunication détecté, réduisant le débit disponible. Un miroir de basculement est utilisé pour pré-compenser la déviation mesurée à partir d'un faisceau provenant du satellite. Du fait de l'angle de pointage en avant entre la liaison descendante et la liaison montante, les effets de turbulence subis par les deux faisceaux sont légèrement différents, ce qui induit une erreur dans la correction.Le critère de performance de la liaison est l’intensité minimale détectable 95% du temps. Un modèle rapide, nommé WPLOT, prenant en compte les erreurs de pointage et leur évolution temporelle, est proposé pour évaluer cette intensité minimale en fonction des paramètres de la station sol et de la qualité de la correction. Les résultats obtenus avec ce modèle sont comparés avec ceux obtenus par un modèle physique mais plus couteux en temps de calcul ; le code TURANDOT. Grâce à ce modèle, une étude de sensibilité a été réalisée et a permis de proposer un dimensionnement de la station sol. Ce modèle permet également de générer des séries temporelles afin d’optimiser les codes de correction d’erreur et optimiser le débit (1Terabit/s d'ici 2025). / An optical link based on a multiplex of wavelengths at 1.55µm is foreseen to be a valuable alternative to the conventional radio-frequencies for the feeder link of the next-generation of high throughput geostationary satellite. Considering the limited power of lasers envisioned for feeder links, the beam divergence has to be dramatically reduced. Consequently, the beam pointing becomes a key issue. During its propagation between the ground station and a geostationary satellite, the optical beam is deflected and possibly distorted by atmospheric turbulence. It induces strong fluctuations of the detected telecom signal, thus reducing the capacity. A steering mirror using a measurement from a beam coming from the satellite is used to pre-compensate the deflection. Because of the point-ahead angle between the downlink and the uplink, the turbulence effects experienced by both beams are slightly different, inducing an error in the correction. The performance criteria is the minimum detectable irradiance 95% of the time. A fast model, named WPLOT, taking into account pointing errors and their temporal evolution, is proposed to evaluate the minimum irradiance as a function of the ground station parameters and quality of the correction. The model’s results are compared to those obtained with a more physical but requiring more computation power: TURANDOT. A sensitivity study has been realized and led to a sizing of a ground station. The model also enables the generation of time series in order to optimize the forward error correction codes in order to be compliant with the targeted capacity (1Terabit/s by 2025).

La spectroscopie dans le moyen-infrarouge est une méthode universelle pour identifier les substances chimiques et biologiques, car la plupart des molécules ont leurs résonances de vibration et de rotation dans cette plage de longueurs d'onde. Les systèmes moyen infrarouge disponibles dans le commerce reposent sur des équipements volumineux et coûteux, tandis que de nombreux efforts sont maintenant consacrés à la réduction de leur taille et leur intégration sur circuits intégrés. L’utilisation de la technologie silicium pour la réalisation de circuits photoniques dans le moyen-infrarouge présente de nombreux avantages: fabrication fiable, à grand volume, et réalisation de circuits photoniques à hautes performances, compacts, légers et à faible consommation énergétique. Ces avantages sont particulièrement intéressant pour les systèmes de détection spectroscopique moyen infrarouge, qui besoin d'être portable et à faible coût. Parmi les différents matériaux disponibles en photonique silicium, les alliages silicium-germanium (SiGe) à forte concentration en Ge sont particulièrement intéressants en raison de la grande fenêtre de transparence du Ge, pouvant atteindre 15 µm. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier une nouvelle plate-forme SiGe à forte concentration en Ge, pour la démonstration de circuits photoniques moyen infra rouge. Cette nouvelle plate-forme devrait bénéficier d'une large gamme de transparence en longueurs d'onde de transparence et de la possibilité d’ajuster les propriétés des guides optiques (indice effectif, dispersion,…). Au cours de cette thèse, différentes plates-formes basées sur différents profils graduels du guide d’onde ont été étudiées. Tout d'abord, il a été démontré qu’il était possible d’obtenir des guides présentant de faibles pertes optiques inférieures à 3 dB/cm dans une large plage de longueurs d'onde, de 5,5 à 8,5 µm. Une preuve de concept de détection de molécules, basée sur l'absorption de la partie évanescent du mode optique a ensuite été démontrée. Ensuite, les composants formant les briques de base classiques de la photonique intégrée ont été étudiés. Les premières cavités intégrées ont été réalisées à 8 µm. Deux configurations ont été étudiées : des cavité Fabry-Perot utilisant des miroirs de Bragg intégrés dans les guides d’onde et des résonateurs en anneau. Un spectromètre à transformée de Fourier fonctionnant sur une large bande spectrale, et pour les deux polarisations de la lumière a également été démontré. Tous ces résultats reposent sur la conception des matériaux et des composants, la fabrication en salle blanche et la caractérisation expérimentale. Ce travail a été effectué dans le cadre du projet européen INsPIRE en collaboration avec le Pr. Giovanni Isella de Politecnico Di Milano. / Mid-infrared (mid-IR) spectroscopy is a nearly universal way to identify chemical and biological substances, as most of the molecules have their vibrational and rotational resonances in the mid-IR wavelength range. Commercially available mid-IR systems are based on bulky and expensive equipment, while lots of efforts are now devoted to the reduction of their size down to chip-scale dimensions. The use of silicon photonics for the demonstration of mid-IR photonic circuits will benefit from reliable and high-volume fabrication to offer high performance, low cost, compact, lightweight and power consumption photonic circuits, which is particularly interesting for mid-IR spectroscopic sensing systems that need to be portable and low cost. Among the different materials available in silicon photonics, Germanium (Ge) and Silicon-Germanium (SiGe) alloys with a high Ge concentration are particularly interesting because of the wide transparency window of Ge up to 15 µm. In this context, the objective of this thesis is to investigate a new Ge-rich graded SiGe platform for mid-IR photonic circuits. Such new plateform was expected to benefit from a wide transparency wavelength range and a high versatility in terms of optical engineering (effective index, dispersion, …). During this thesis, different waveguides platforms based on different graded profiles have been investigated. First it has been shown that waveguides with low optical losses of less than 3 dB/cm can be obtained in a wide wavelength range, from 5.5 to 8.5 µm. A proof of concept of sensing based on the absorption of the evanescent component of the optical mode has then been demonstrated. Finally, elementary building blocs have been investigated. The first Bragg mirror-based Fabry Perot cavities and racetrack resonators have been demonstrated around 8 µm wavelength. A broadband dual-polarization MIR integrated spatial heterodyne Fourier-Transform spectrometer has also been obtained. All these results rely on material and device design, clean-room fabrication and experimental characterization. This work was done in the Framework of EU project INsPIRE in collaboration with Pr. Giovanni Isella from Politecnico Di Milano.

La technique Lidar Radar est couramment utilisée pour la détection de cibles immergées dans des eaux peu profondes inférieures à quelques dizaines de mètres. Cette technique repose sur l’envoi d’un signal modulé associé, à la réception avec un filtre passe bande autour de la fréquence de modulation. Cette technique requiert ainsi un signal optique bleu vert, intense, modulé à des fréquences radar. Nous présentons dans cette thèse de nouvelles architectures de modulateur parfaitement adaptées à cette technique. La 1ère architecture est constituée d’une cavité externe comportant un doubleur intracavité. Cette architecture est couplée à une source laser picoseconde infrarouge (1064 nm). Les résultats ont montré que ce modulateur permet de générer un signal vert (532 nm), intense (5 mJ) et stable en fréquence. Grâce à la source utilisée, le signal modulé en sortie de l’émetteur (source laser et modulateur) ne dure que quelques nanosecondes. Ceci permet d’utiliser la méthode de « range-gating » pour obtenir une précision sur la localisation de la cible. Néanmoins, ce dispositif présente l’inconvénient d’avoir une bande passante du signal émis fixe. Nous avons donc développé une deuxième architecture du modulateur, permettant d’accorder facilement la bande passante du signal émis. Cette configuration repose sur le comportement polarimétrique des composants optiques afin de changer la largeur de bande passante du signal. Nous avons montré que ce modulateur permet de délivrer, un signal intense (jusqu’à 2,9 mJ), court (quelques nanosecondes), à 532 nm, modulé à des fréquences radar, stable en fréquence et accordable en bande passante. / The Lidar Radar technique is commonly used for submerged target detection in shallow waters less than a few tens of meters. This technique is based on sending a modulated signal, associated with a bandpass filter around the modulation frequency after detection. This technique requires an intense blue-green optical signal modulated at radar frequencies. We present in this thesis new modulator architectures perfectly adapted to this technique. The first architecture consists of an external cavity with an intracavity SHG stage. This architecture is coupled to an infrared picosecond laser source (1064 nm). The results showed that this modulator makes it possible to generate a green signal (532 nm), intense (5 mJ) and stable in frequency. Thanks to the source used, the signal modulated at the output of the transmitter (laser source and modulator) lasts only a few nanoseconds. This makes it possible to use the "range-gating" method to precisely locate the target.Nevertheless, this device has the disadvantage of a fixed bandwidth. We have therefore developed a second architecture of the modulator, allowing to easily tune the bandwidth of the transmitted signal. This configuration is based on the polarimetric behavior of the optical components in order to change the bandwidth of the signal. We have shown that this modulator can deliver , an intense signal (up to 2.9 mJ), short (a few nanoseconds), at 532 nm, modulated at mirowave frequencies, stable in frequency and tunable in bandwidth.

Les sources lasers femtosecondes sont utilisées dans grand nombre d’applications (industrielles, médicales, de recherche fondamentale) avec un besoin croissant d’impulsions très énergétiques à haut taux de répétition. Bien que la technologie Ti:Saphir fournisse des impulsions PetaWatt, son taux de répétition s’avère limité. Une alternative est l’utilisation de la technologie fibrée. Cependant, l’énergie extractible d’une seule fibre est intrinsèquement limitée.Une solution prometteuse est alors de réaliser une combinaison de fibres (jusqu’à plus de 10 000 fibres pour l’accélération de particules). La combinaison de fibres par méthode interférométrique (avec un record de 64 fibres combinées en régime continu) a prouvé qu’elle était un excellent candidat pour la combinaison d’un grand nombre de fibres.La collaboration XCAN entre l’Ecole Polytechnique et Thales, vise à réaliser un démonstrateur de combinaison cohérente de 61 fibres amplifiées en régime femtoseconde. Les travaux menés au cours de cette thèse s’inscrivent dans ce projet.Dans un premier temps, afin d’étudier les points durs inhérents au régime femtoseconde tout en s’affranchissant des difficultés liées à l’amplification, la méthode interférométique en régime femtoseconde a été étudiée sur un démonstrateur passif, c’est-à-dire sans amplification, de 19 fibres. Une fois la méthode de mise en phase validée celle-ci a pu être testée avec succès sur le démonstrateur avec amplification du projet XCAN.Nous présentons également les travaux menés afin d’augmenter un paramètre clé des systèmes de combinaison de faisceaux à savoir : l’efficacité de combinaison du système laser. Pour cela, nous avons réalisé une mise en forme de faisceaux issus des fibres de la tête optique. Cette mise en forme, gaussien vers super-gaussien, est réalisée à l’aide de deux réseaux de lames de phase dont nous présenterons le calcul des profils asphériques. Afin de valider expérimentalement nos simulations et après réalisation des lames de phase nous avons pu tester celles-ci sur le démonstrateur passif, démontrant une augmentation de 14 %.Les travaux présentés dans ce manuscrit présentent ainsi les premiers par vers la réalisation d’une nouvelle architecture laser massivement parallèle, capable de délivrer à la fois une haute puissance crête et une haute puissance moyenne. / Femtosecond fiber sources are used in a large number of applications (industrial, medical, fundamental physics) with a growing need in high energy pulses at high repetion rate. Although Ti: Saphirre technology provides energies up to PetaWatt, its repetion rate is low (up to 1 Hz). An alternative is to use an amplified fiber. However, the extractable energy of a single fiber is intrinsically limited.A solution is then to combine several fibers (up to 10 000 fibers for particle acceleration). Coherent beam combining of fibers with an interferometric method (with a record of 64 fibers combined in the cw regime) has proven to be an excellent candidate to combine a large number of fibers.The XCAN project, a collaboration between l'Ecole polytechnique and Thales, aims to realize a demonstrator of 61 fibers coherently combined in the femtosecond regime.The works presented in this thesis are part of this project.In order to study the hard points inherent to the femtosecond regime and to free from the amplification issues, the interferometric method has been implemented on a passive demonstrator, meaning without amplification, of 19 fibers. Once the interferometric method validated, it has been succesfully tested on the amplified XCAN demonstrator.We present also the works done to increase a key parameter of beam combining systems : the combining efficiency. To do this, we have realized a beam shaping of the fiber array output beams. This beam shaping, gaussian to super-gaussian, is done with two arrays of phase plates. The aspherical profiles calculation is described. In order to validate our simulations we have tested the phase plates on the passive demonstrator by getting an increase of 14 %.The works presented in this manuscript are the first steps towards a new massively parallel laser architecture, able to provide both high peak power and high average power.

Ce travail de thèse expérimentale a été consacré à la synthèse par des méthodes de chimie par voie humide de nanoparticules à base du multiferroïque BiFeO3 et à leur caractérisation, avec comme objectif finale des applications photocatalytiques. Ce matériau présente une bande interdite, avec un gap de 2.6eV, qui permet la photo-génération de porteurs de charges dans le visible faisant ainsi de BiFeO3 un système intéressant pour des processus photo-induits. Ce travail s’est en particulier focalisé à caractériser les propriétés de nanoparticules à base de BiFeO3 en vue de comprendre l’effet de ses propriétés sur leur potentiel dans des applications liées à la photocatalyse. Tout d’abord, l’étude des effets de taille sur les propriétés structurales, de transitions de phase, et physico-chimiques des particules a été réalisée, en gardant comme principal objectif de découpler les propriétés liées à la surface de celles du massif/cœur de la particule. Pour cela, une maîtrise et une optimisation des procédés de synthèse de particules aux échelles nano- et micro-micrométriques de BiFeO3 a été nécessaire pour obtenir des composés de taille variable et de très bonne qualité cristalline. Malgré la diminution de la taille des particules, on constate que, grâce au contrôle de paramètres de synthèse, nos nanoparticules présentent des propriétés très proches à celles du massif de BiFeO3, gardant la structure rhomboédrique R3c avec des faibles effets de contrainte. Afin de contrôler indirectement par le dopage les propriétés optiques des composés à base de BiFeO3, on a réussi à réaliser un dopage très homogène en La3+, et un dopage partiel en Ca2+, sur le site de Bi3+. Les propriétés optiques des nanoparticules et leurs applications dans les premières expériences photocatalytiques sur la dégradation du colorant rhodamine B ont montré la complexité de la physico-chimie de leur surface et du processus d’interaction lumière-particule. Après analyse des données d’absorbance optique en fonction de la taille de nanoparticules, on observe que la bande interdite déduite pour ces différentes particules n’est pas le facteur prédominant sur les performances photocatalytiques. D’autres facteurs ont pu être identifiés comme étant à l’origine de la localisation de charges photo-générées, tels que des états de surface liés à une fine couche de peau ou skin layer sur les nanoparticules, présentant des défauts structuraux, une réduction de l’état d’oxydation du Fe3+ vers le Fe2+ et la stabilisation d’autres adsorbats, tels que FeOOH ; tous ces facteurs peuvent contribuer au changement dans les performances photocatalytiques. Les résultats photocatalytiques restent très encourageants pour poursuivre les études de nanoparticules à base de BiFeO3, montrant une dégradation de la rhodamine B à 50% au bout de 4h de réaction photocatalytique pour certaines des nanoparticules étudiées. / This experimental PhD work has been dedicated to the synthesis, by wet chemistry methods, and characterization of nanoparticles based on multiferroic BiFeO3, with the aim of using them for photocatalytic applications. This material presents a bandgap of 2.6eV, which allows the charge carrier photoexcitation in the visible range, making BiFeO3 a very interesting system for photoinduced processes. This thesis has been particularly focused on characterizing the properties of BiFeO3 nanoparticles in view of understanding the relationship of their properties on their potential use for photocatalytic applications. First of all, the topic of the size effect on the structural properties, phase transitions, and physics and chemistry of the particles has been developed, keeping as first aim to separate the properties related to the surface from those arising from the bulk/core of the particle. To do so, the mastering and optimization of the synthesis processes of BiFeO3 particles at the nano and microscale were needed, to finally obtain different size compounds with high crystalline quality. Despite the size reduction of the particles, we notice that, thanks to the control of the synthesis process, our BiFeO3 nanoparticles present properties very close to those of the bulk BiFeO3 material, keeping the rhombohedral structure R3c with weak strain effects. In order to indirectly tune the optical properties exploiting the doping, we have succeeded in realizing a homogenous La3+ doping, and a partial Ca2+ doping, on the Bi3+ site. The optical properties of the nanoparticles and their use on the first photocatalytic experiments for degrading rhodamine B dye have shown the complexity of the physics and chemistry phenomena at their surface and of the light-particle processes. After analyzing optical absorbance data as a function of the particle size, we observe that the deduced bandgap for different particles is not the main parameter directing the photocatalytic performances. Other factors have been identified to be at the origin of the localization of the photoexcited charges, as the surface states linked to the skin layer of the nanoparticles, depicting structural defects, a reduction of the oxidation state of Fe3+ towards Fe2+ and the stabilization of other adsorbates, such as FeOOH; all these parameters may contribute to the change on the photocatalytic performances. The photocatalytic results are very encouraging, motivating to continue the study of BiFeO3 based nanoparticles, though depicting a 50% rhodamine B degradation after 4h of photocatalytic reaction using some of the present nanoparticles.

Les travaux de la présente thèse concernent l’étude théorique et la réalisation d’un Capteur réparti à Fibres Optiques fondé sur la réflectométrie fréquentielle et la rétrodiffusion de Rayleigh. La genèse de cette méthode remonte aux années 80 pour les mesures distribuées. Il y a un peu plus d’une dizaine d’années qu’elle a été mise en œuvre secrètement pour les meures réparties (continument sensibles) par la société américaine « Luna Innovations ». Cette approche permettant de réaliser des profils continus le long de la fibre des paramètres environnants (température et déformation principalement) offre une très bonne résolution spatiale ainsi qu’une résolution de mesure fine et présente donc un grand intérêt pour de nombreuses applications, venant ainsi en complément des techniques reposant sur la diffusion Raman ou Brillouin. L'aspect théorique de cette méthode dite OFDR Rayleigh a été analysé. Pour effectuer une mesure profilométrique il est nécessaire de déterminer simultanément deux informations : la distance physique allant de l’entrée de la fibre jusqu'au point où un paramètre physique à mesurer a été appliqué, et le paramètre physique proprement dit. Pour réaliser cette mesure un lien entre l'influence du paramètre d’influence et le changement d'indice du cœur de la fibre sous test doit être exploité. Il s’agit donc des sensibilités de mesure, mais aussi de l’influence de l’environnement sur le chemin optique parcouru, et donc sur la localisation précise des points de mesure. Ces différents aspects ont donc été analysés et rapportés dans le présent mémoire. Pour mettre en œuvre cette technique fréquentielle, et en particulier son traitement de signal, relativement complexe, deux méthodes différentes ont été proposées : la première dite « corrélationnelle » (mise en œuvre par « Luna Innovations » mais très peu documentée) et la méthode « tensorielle » proposée uniquement dans le cadre de la présente étude. Etant fondée sur les mesures répétitives des décalages spectraux induits par le paramètre physique à mesurer le long de la fibre, la méthode corrélationnelle est plus universelle, s’adressant à tous types de paramètres d’influence. Pourtant, elle s’avère moins précise du fait d'une erreur systématique dans le calcul des décalages spectraux. La méthode tensorielle, quant à elle, fournit un résultat plus précis, cependant elle n'est applicable que pour les mesures de déformations, puisque reposant sur l'effet élasto-optique dans le cœur de la fibre. Une procédure de traitement de signal a ensuite été élaborée pour les deux méthodes précitées, la corrélationnelle et la tensorielle. Les performances capacités de l'appareil dont nous disposons, Luna OBR 4600, ont également été montrées, tant en ce qui concerne les mesures de température que de déformations. Un banc expérimental mettant en œuvre cette méthode de mesure OFDR-Rayleigh a également été conçu est mis au point au laboratoire. Un logiciel de traitement des données a de fait été élaboré est réalisé. Ce programme a été testé à l'aide d'une simulation et grâce à l’utilisation des données brutes délivrées par l’appareil Luna OBR 4600. Plusieurs tests du programme de traitement des données brutes de cet instrument ont été réalisés. Les résultats de ces tests peuvent être considérés plutôt comme satisfaisants, étant globalement en bon accord avec les résultats fournis directement par l'instrument commercial OBR 4600. Au-delà, de nombreux exemples d'applications innovantes de la méthode Rayleigh OFDR ont été présentés et illustrés. Parmi ceux-ci, citons, le système de détection de fuites de sodium liquide pour la surveillance de fonctionnement des circuits de refroidissement des réacteurs de génération IV que nous avons élaboré, grâce à cette méthode Rayleigh OFDR, et un prototype industriel d'un tel système proposé. Enfin, l’analyse des points pouvant faire l’objet d’améliorations et/ou de marges de progrès a été menée, et est rapportée en fin de mémoire. / The present PhD thesis have been carried out at the Laboratoire de Mesures Optiques (Optical Measurement Laboratory) based at CEA Saclay Nuclear Research Center, France. It concerns theoretical analysis and experimental realizations of a “distributed Optical Fiber Sensor” based on Optical Frequency Domain Reflectometry using the Rayleigh backscattering phenomena. As the OFS community know, such technology has been developed by the US company Luna Innovations Inc., which keeps carefully secret any details of both the technology involved and the signal processing of such instruments, named OBR (Optical Backscattered Reflectometer). Advantageously, the present Rayleigh-OFDR method provides a very high spatial resolution (in comparison with other methods based on reflectometry, i.e. OTDR, DTS Raman, Brillouin BOTDR and BOTDA…) and so remains extremely sought for many applications, especially for Structural Health Monitoring. In the present PhD thesis the theoretical aspects of the Rayleigh OFDR method has been presented. As a reminder, in order to measure a physical parameter profile along the fiber, it is required to determine two subjects simultaneously: the distance at which the physical parameter is applied (i.e. the sensor address) to the fiber under test, and the amplitude of this parameter (i.e. “the measurement” itself). A relation between the influence of any environment parameter (temperature, strain, etc.) and the fiber core refractive index changes has to be used. These relations have been shown, as far as the hypothesis linked to the theoretical aspects. Two different methods for such measurement have been proposed: first of all the “correlation method” (used by Luna) and second “a tensor-based method”, fully innovative as developed during the present PhD thesis. The correlation method may be considered as more “universal” as based on the measurement of spectral shifts caused by the physical parameter to measure. But, in the same time, we consider it is less accurate, as a systematic error may somehow fail the spectral shift calculation algorithm. The tensor method do not suffer of such systematic error, but it remains only applicable to strain sensing, as based on the elasto-optic effect. Signal processing procedure has been elaborated and tested for both methods, and of course discussed in the manuscript. In the same time, performances of the existing Luna OBR 4600 reflectometer has been tested at Lab. and are reported for both temperature and strain measurements. An optical mock-up for Rayleigh OFDR method has also been developed. A software, dedicated to signal processing has been fully developed either. This program has been tested for simulated sensing signals and for raw data delivered by the Luna OBR 4600 reflectometer. Results of such tests could be considered as satisfactory, even some questions to be solved remains. Finally, some practical examples of Rayleigh OFDR industrial applications have been shown and detailed. Moreover, in such context of real applications on field, an innovative Rayleigh OFDR system devoted to liquid sodium leakage detection around secondary cooling circuitry of generation IV nuclear reactors has been developed and tested on a nuclear installation. An industrial prototype of such measurement system has been elaborated. Finally, way of progress are analyzed and discussed for future R&D activities.

La communication ultra large bande (UWB) a attiré une énorme quantité de recherches ces dernières années, surtout après la présentation du masque spectral de US Federal Communications Commission (FCC). Les impulsions ultra-courtes permettent de très hauts débits de faible puissance tout en éliminant les interférences avec les systèmes existants à bande étroite. La faible puissance, cependant, limite la portée de propagation des radios UWB à quelques mètres pour la transmission sans fil à l’intérieur d’une pièce. En outre, des signaux UWB reçu sont étendus dans le temps en raison de la propagation par trajet multiple qui résulte en beaucoup d’interférence inter-symbole (ISI) à haut débit. Le monocycle Gaussien, l’impulsion la plus commune dans UWB, a une mauvaise couverture sous le masque de la FCC. Dans cette thèse, nous démontrons des transmet- teurs qui sont capables de générer des impulsions UWB avec une efficacité de puissance élevée. Une impulsion efficace résulte dans un rapport de signal à bruit (SNR) supérieur au récepteur en utilisant plus de la puissance disponible sous le masque spectral de la FCC. On produit les impulsions dans le domaine optique et utilise la fibre optique pour les transporter sur plusieurs kilomètres pour la distribution dans un réseau optique pas- sif. La fibre optique est très fiable pour le transport des signaux radio avec une faible consommation de puissance. On utilise les éléments simples comme un modulateur Mach-Zehnder ou un résonateur en anneau pour générer des impulsions, ce qui permet l’intégration dans le silicium. Compatible avec la technologie CMOS, la photonique sur silicium a un potentiel énorme pour abaisser le coût et l’encombrement des systèmes optiques. La photodétection convertit les impulsions optiques en impulsions électriques avant la transmission sur l’antenne du côté de l’utilisateur. La réponse fréquentielle de l’antenne déforme la forme d’onde de l’impulsion UWB. Nous proposons une technique d’optimisation non-linéaire qui prend en compte la distorsion d’antenne pour trouver des impulsions qui maximisent la puissance transmise, en respectant le masque spectral de la FCC. Nous travaillons avec trois antennes et concevons une impulsion unique pour chacune d’entre elle. L’amélioration de l’énergie des impulsions UWB améliore directement la SNR au récepteur. Les résultats de simulation montrent que les impulsions optimisées améliorent considérablement le taux d’erreur (BER) par rapport au monocycle Gaussien sous propagation par trajet multiple. Notre autre contribution est l’évaluation d’un filtre adapté pour recevoir efficacement des impulsions UWB. Le filtre adapté est synthétisé et fabriqué en technologie microstrip, en collaboration avec l’Université McGill comme un dispositif de bande interdite électromagnétique. La réponse fréquentielle du filtre adapté montre une ex- cellente concordance avec le spectre ciblé de l’impulsion UWB. Les mesures de BER confirment la performance supérieure du filtre adapté par rapport à un récepteur à conversion directe. Le canal UWB est très riche en trajet multiple conduisant à l’ISI à haut débit. Notre dernière contribution est l’étude de performance des récepteurs en simulant un système avec des conditions de canaux réalistes. Les résultats de la simulation montrent que la performance d’un tel système se dégrade de façon significative pour les hauts débits. Afin de compenser la forte ISI dans les taux de transfert de données en Gb/s, nous étudions l’algorithme de Viterbi (VA) avec un nombre limité d’états et un égaliseur DFE (decision feedback equalizer). Nous examinons le nombre d’états requis dans le VA, et le nombre de coefficients du filtre dans le DFE pour une transmission fiable de UWB en Gb/s dans les canaux en ligne de vue. L’évaluation par simulation de BER confirme que l’égalisation améliore considérablement les performances par rapport à la détection de symbole. La DFE a une meilleure performance par rapport à la VA en utilisant une complexité comparable. La DFE peut couvrir une plus grande mémoire de canal avec un niveau de complexité relativement réduit. / Ultra-wideband (UWB) communication has attracted an enormous amount of research in recent years, especially after the introduction of the US Federal Communications Commission (FCC) spectral mask. Ultra-short pulses allow for very high bit-rates while low power eliminates interference with existing narrowband systems. Low power, however, limits the propagation range of UWB radios to a few meters for indoors wireless transmission. Furthermore, received UWB signals are spread in time because of multipath propagation which results in high intersymbol interference at high data rates. Gaussian monocycle, the most commonly employed UWB pulse, has poor coverage under the FCC mask. In this thesis we demonstrate transmitters capable of generating UWB pulses with high power efficiency at Gb/s bit-rates. An efficient pulse results in higher signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver by utilizing most of the available power under the FCC spectral mask. We generate the pulses in the optical domain and use optical fiber to transport the pulses over several kilometers for distribution in a passive optical network. Optical fiber is very reliable for transporting radio signals with low power consumption. We use simple elements such as a Mach Zehnder modulator or a ring resonator for pulse shaping, allowing for integration in silicon. Being compatible with CMOS technology, silicon photonics has huge potential for lowering the cost and bulkiness of optical systems. Photodetection converts the pulses to the electrical domain before antenna transmission at the user side. The frequency response of UWB antennas distorts the UWB waveforms. We pro- pose a nonlinear optimization technique which takes into account antenna distortion to find pulses that maximize the transmitted power, while respecting the FCC spectral mask. We consider three antennas and design a unique pulse for each. The energy improvement in UWB pulses directly improves the receiver SNR. Simulation results show that optimized pulses have a significant bit error rate (BER) performance improvement compared to the Gaussian monocycle under multipath propagation. Our other contribution is evaluating a matched filter to receive efficiently designed UWB pulses. The matched filter is synthesized and fabricated in microstrip technology in collaboration with McGill University as an electromagnetic bandgap device. The frequency response of the matched filter shows close agreement with the target UWB pulse spectrum. BER measurements confirm superior performance of the matched filter compared to a direct conversion receiver. The UWB channel is very rich in multipath leading to ISI at high bit rates. Our last contribution is investigating the performance of receivers by simulating a system employing realistic channel conditions. Simulation results show that the performance of such system degrades significantly for high data rates. To compensate the severe ISI at gigabit rates, we investigate the Viterbi algorithm (VA) with a limited number of states and the decision feedback equalizer (DFE). We examine the required number of states in the VA, and the number of taps in the DFE for reliable Gb/s UWB trans- mission for line-of-sight channels. Non-line-of-sight channels were also investigated at lower speeds. BER simulations confirm that equalization considerably improves the performance compared to symbol detection. The DFE results in better performance compared to the VA when using comparable complexity as the DFE can cover greater channel memory with a relatively low complexity level.

Dans cette thèse, la performance du système CDMA à chevauchement optique (OVCDMA) au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) et l'allocation des ressources au niveau de la couche physique (PRY) sont étudiées. Notre but est d'apporter des améliorations pour des applications à débits multiples en répondant aux exigences de délai minimum tout en garantissant la qualité de service (QoS). Nous proposons de combiner les couches PRY et MAC par une nouvelle approche d'optimisation de performance qui consolide l'efficacité potentielle des réseaux optiques. Pour atteindre notre objectif, nous réalisons plusieurs étapes d'analyse. Tout d 'abord, nous suggérons le protocole S-ALOHA/OV-CDMA optique pour sa simplicité de contrôler les transmissions optiques au niveau de la couche liaison. Le débit du réseau, la latence de transmission et la stabilité du protocole sont ensuite évalués. L'évaluation prend en considération les caractéristiques physiques du système OY-CDMA, représentées par la probabilité de paquets bien reçus. Le système classique à traitement variable du gain (YPG) du CDMA, ciblé pour les applications à débits multiples, et le protocole MAC ±round-robin¿ récepteur/émetteur (R31), initialement proposé pour les réseaux par paquets en CDMA optique sont également pris en compte. L'objectif est d ' évaluer comparativement la performance du S-ALOHA/OY-CDMA en termes de l'immunité contre l'interférence d'accès lTIultiple (MAI) et les variations des charges du trafic. Les résultats montrent que les performances peuvent varier en ce qui concerne le choix du taux de transmission et la puissance de transmission optique au niveau de la couche PRY. Ainsi, nous proposons un schéma de répartition optimale des ressources pour allouer des taux de transmission à chevauchement optique et de puissance optique de transmission dans le système OY-CDMA comme des ressources devant être optimalement et équitablement réparties entre les utilisateurs qui sont regroupés dans des classes de différentes qualités de service. La condition d'optimalité est basée sur la maximisation de la capacité par utilisateur de la couche PHY. De ce fait, un choix optimal des ressources physiques est maintenant possible, mais il n'est pas équitable entre les classes. Par conséquent, pour améliorer la performance de la couche liaison tout en éliminant le problème d'absence d'équité, nous proposons comme une approche unifiée un schéma équitable et optimal pour l'allocation des ressources fondé sur la qualité de service pour des multiplexages temporels des réseaux par paquets en CDMA à chevauchement optique. Enfin, nous combinons cette dernière approche avec le protocole MAC dans un problème d'optimisation d'allocation équitable des ressources à contrainte de délai afin de mieux améliorer le débit du réseau et le délai au niveau de la couche liaison avec allocation équitable et optimale des ressources au niveau de la couche PHY.