Th. doct.--Electronique et communications--Paris--ENST, 1996. / Bibliogr. p. 8-21. Notes bibliogr.

Th. doct.-ing.--Besançon, 1983. N°: 129.

Cette thèse est consacrée à l'étude, à la fois théorique et expérimentale, d'une nouvelle classe de fibres micro-structurées guidant par bandes interdites photoniques (BIP) à coeur solide. Dans les structures étudiées, l'origine des BIP est liée à l'agencement périodique à deux dimensions d'inclusions de faible contraste d'indice dans la gaine. Après avoir précisé les avantages de ces fibres, nous nous sommes attachés à identifier et à comprendre les mécanismes de pertes par confinement dans de telles structures supposées parfaitement périodiques, droites puis courbées. Ces études ont permis de déterminer et d'expliquer des tendances d'évolution simples de ces pertes selon les différents paramètres opto-géométriques de la fibre et de mettre ainsi en évidence un compromis à définir entre pertes par confinement de la fibre droite et courbée. De plus et pour la première fois, l'impact des défauts transverses apparaissant au cours de la fabrication sera évalué et discuté. L'étude montre notamment que de tels défauts peuvent diminuer les pertes par rapport à la structure idéale ce qui nous conduit à définir une nouvelle classe de fibres BIP toutes solides, dites hybrides. Nous proposons également une nouvelle structure de fibre BIP à double gaine, où la présence d'une couronne d'air permet la réduction des pertes par confinement à la fois de la fibre droite et courbée. Cet ouvrage rapporte également un exemple d'application de ces structures toutes solides dans le domaine des lasers à fibre, avec une émission laser mono-mode transverse continue à 977 nm. L'étude à la fois théorique et expérimentale de plusieurs fibres BIP biréfringentes à coeur solide est finalement présentée. / This thesis focuses both on theoretical and experimental studies of a new class of micro-structured optical fibers, called Solid Core Photonic BandGap Fibers (SC-PBGFs), for which PBGs originate from the 2D periodical arrangement of weak refractive index contrast inclusions in the cladding. After giving these fibers advantages, we work on the identification and the understanding of confinement losses mechanisms in such micro-structures in the case of straight and bent fibers. These investigations allow us to establish simple evolution trends ofthese losses versus their different opto-geometrical parameters, and underline a compromise to find between the losses of the straight and bent fiber. Moreover and for the first time, impact of transversal defects appearing during the fabrication process will be evaluated and discussed. This study shows notably that such defects can lead to a minimum confinement loss lower than the ideal structure, which leads us to define a new class of SC-PBGFs, called hybrid. A new double clad PBG structure is also proposed, for which an extra holey ring reduces the confinement losses of both the straight and bent fiber. This thesis lays out moreover an application of such all-solid fibers, thanks to the conception and characterization of an Ytterbium doped PBGF with a transverse single-mode laser emission around 977 nm. Finally, we present the experimental and theoretical studies of several birefringent solid-core photonic bandgap fibers.

Le présent travail concerne l’élaboration et la caractérisation de matériaux phosphatés pour l’électronique et l’optique compatibles avec l’environnement et avec les procédés d’un développement durable. Nos recherches ont surtout porté sur les composés phosphatés non linéaires et plus particulièrement sur les phases eulytines de type BII3MIII(XO4)3 (avec BII = cation bivalent, MIII = cation trivalent, X = P, As, V). Bien évidement seuls les phosphatés exempts d’éléments toxiques seront considérés pour des applications. Les autres complèteront nos études fondamentales. Tous ces composés cristallisent dans le groupe d’espace I-43d non centrosymétrique compatible avec des propriétés non linéaires optiques et piézoélectriques. Une analyse de nos données structurales et celles disponibles dans la littérature nous a conduit aux conclusions suivantes pour les phases stoichiométriques de type BII3MIII(XO4)3 sus-indiquées : i) seules les phases Pb3Bi(AsO4)3 et Pb3Bi(PO4)3 ont été rapportées dans la littérature, ii) les phosphates de type eulytines semblent se stabiliser facilement à la température ordinaire pour toutes les combinaisons possibles de cations BII et MIII, pourvu que le rayon ionique moyen du site (16c) soit de l’ordre ou supérieur à environ 1Å. Les mesures diélectriques réalisées ont permis de mettre en évidence des comportements thermiques totalement inédits. Nous avons mis en évidence des transitions de phases originales au voisinage de la température ambiante 300K. Les transitions de phases ainsi mises en évidence ne peuvent être de nature ferroélectriques car aucun changement de symétrie n’a été observé aux températures de ces transitions. Ainsi à partir des transitions 5D0→7F0 de Eu3+ nous avons observé deux émissions proches mais distinctes. Ce qui montre bien l’existence de deux sites à 20K, tendant à se confondre en seul vers 300K, température correspondant aux pics diélectriques. Ce phénomène signifie que l'environnement de Eu3+ varie avec la température présageant l’existence de transitions de phases de nature très particulière. Cependant la nature de ces transitions n’est pas encore clarifiée même si elle a été par ailleurs confirmée par DSC et même par la variation du déclin de fluorescence de Eu3+ avec la température. Des changements de pentes des graphes aux mêmes températures (150K et 300K) ont été mis en évidence à partir des résolutions structurales en fonction de la température 100 - 400K. / The objective of the present thesis is to place our research work into the perspectives of a sustainable development with a sound design of materials for optics and electronics containing zero toxic element substance. Indeed free toxic elements phosphates are the most appropriate as raw materials for the fabrications of electronic & optical devices. With the aim to conceive such devices in the present research work, we try to correlate the chemical composition, the crystal structure and the physical properties of various phosphate eulytites BII3MIII(PO4)3 (BII = Ca, Sr, Ba, Pb; MIII = Y, Bi). We have also considered the analysis of the structural parameters that “condition” and influence the phase stability of the eulytite families. From the present study it appeared that eulytite under normal conditions of pressure and temperature could be stabilized mainly with big size cations in the (16c) Wickoff positions. The minimum mean size required for such cations is about 1Å. The dielectric investigations have shown very original behaviors totally unexpected with unknown peaks of the thermal plots of dielectric parameters. These peaks are all located close to room temperature (300K). Our preliminary structural investigations versus temperature have evidenced the stability of the space group I-43d all along the temperature domain 100 – 400K. The dielectric transitions are real as corroborated by the thermal variation of the lattice parameters and some chemical bonds, length and angles showing evidence of a slope change at the same temperature of dielectric peaks. As local probe, Eu3+ photoluminescence has also evidenced the existence two Eu3+ positions in (16c) sites at very low temperature. At a temperature of the dielectric transitions (300K) only one Eu3+ site is evidenced. This may explain the origin of the dielectric transitions. Our optical laser spectroscopy also showed a very original behavior along the thermal plots of the decay time of Eu3+ emission.

Ce mémoire présente une étude sur la réponse des fibres optiques à une irradiation transitoire (impulsion X, ~1 MeV, doses < 100 krad, débits de dose > 10-8 (10 puissance 8) rad s(exposant)-1). Des mesures complémentaires sous irradiation gamma continue ont aussi été accomplies(~1,2 MeV, doses ≤20 krad, débits de dose ~0,5 rad s(exposant)-1). Notre étude s’inscrit dans le cadre plus général de l’intégration des fibres optiques au sein du Laser Mégajoule. Le premier chapitre présente ce contexte ainsi que les défauts induits par irradiation dans la silice pure ou dopée. Le deuxième chapitre précise les moyens expérimentaux mis en œuvre pour mesurer l’atténuation induite. Nous donnons également une synthèse des mesures obtenues sur des fibres à cœur de silice pure et des fibres dopées au germanium et/ou au phosphore. Le troisième chapitre est dédié à l’analyse des défauts et mécanismes à l’origine des pertes induites. Les spectres expérimentaux d’atténuation induite par irradiation ont été décomposés en bandes d’absorption relatives aux défauts absorbants générés par l’irradiation. Nous avons utilisé une méthode de décomposition originale basée sur l’emploi de bandes d’absorption auparavant identifiées dans la littérature. Des mécanismes physiques de génération et de transformation de défauts sont suggérés / This PhD thesis presents a study about the response of optical fibers to a transient irradiation (X-ray pulse, ~1 MeV, doses < 100 krad, dose rates > 108 rad s-1). Additional measurements under steady-state gamma-ray have also been performed (~1,2 MeV,doses ≤20 krad, dose rates ~0,5 rad s-1). Our study falls within the more general framework of the integration of optical fibers into the Laser Megajoule facility. The first chapter describes this framework together with the radiation induced defects in pure ordoped silica. The second chapter is focus on the experimental set-up used to measure the induced attenuation. We also give a sum up of the obtained measurements with pure-silica-core fibers and with fibers doped with germanium and/or phosphorus. The third chapter is dedicated to the analysis of the induced losses. The experimental spectra of radiation-induced attenuation have been decomposed with absorption bands related to absorbing defects generated. We have used an original method of decomposition based on the use of absorption bands previously identified in literature. Some physical mechanisms of defect generation and defect transformation have been suggested

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La non-linéarité des photodétecteurs constitue un obstacle à l'élargissement des frontières en spectroscopie double-peigne. Cette limitation restreint la puissance qui peut être envoyée au photodétecteur, et par conséquent, entrave les performances des spectromètres jusqu'à un point où l'étude de phénomènes exigeant une courte durée de mesure et un rapport signal sur bruit élevé devient impossible. En limitant la puissance sur le détecteur, il devient nécessaire de moyenner le signal pour améliorer le rapport signal sur bruit et ce, jusqu'à plusieurs heures ce qui n'est simplement pas possible pour plusieurs applications. Alors que la non-linéarité est déjà reconnue comme problématique en interférométrie par transformée de Fourier, la communauté optique travaille sur les peigne de fréquence offrant des niveaux de puissance dix fois supérieurs à ce que peut accepter un photodétecteur en régime linéaire et la qualité des mesures révèle maintenant que la non-linéarité produit un niveau d'erreur systématique significatif. Il s'en suit donc un besoin de comprendre le phénomène, de gérer les erreurs systématiques et d'améliorer la chaine de détection pour tirer avantage du niveau de puissance disponible. Le problème de non-linearité des photodétecteurs est étudié en profondeur dans cette thèse. D'abord, le problème de la détection est abordé en étudiant la réaction du photodétecteur à une impulsion unique, ce qui permet de simplifier la situation. Ce faisant, il a été possible d'identifier l'amplificateur du détecteur comme une source majeure de non-linéarité pour plusieurs détecteurs couramment utilisés. La non-linéarité du photodétecteur altère les impulsions optiques qui dépendent de la puissance incidente sur le détecteur, entraînant ainsi une déformation de l'information interférométrique encodée dans l'amplitude des battements entre les deux sources pulsées. Il est d'ailleurs montré que les raies d'absorption encodées dans le signal subissent des déformations en raison de la non-linéarité, pouvant conduire à une mauvaise estimation de la concentration de gaz mesurée dans une expérience de détection de gaz. La distortion de l'information qui se produit lors du fonctionnement d'un détecteur en régime non linéaire soulève la question de savoir si de l'information a été perdue dans la détection ou si une correction a posteriori permet de retrouver l'information originale. Il est démontré qu'en respectant certaines conditions expérimentales, la non-linéarité peut être considérée statique et qu'il est possible de retrouver un spectre minimalement entaché par des erreurs systématiques dues à la non linéarité, et ce même si la chaine de détection est opérée en régime fortement non linéaire. Un algorithme de correction basé sur la minimisation des artéfacts spectraux hors bande permet de retrouver un spectre corrigé avec un fort rapport signal sur bruit pour une courte durée de mesure. Il est également démontré qu'il existe des conditions expérimentales qui minimisent les impacts de la non-linéarité. Une première solution consiste à utiliser un détecteur sans amplificateur qui sature. Il est montré que sans amplificateur, la réponse non linéaire de la photodiode en régime de haute puissance crête n'a aucun impact lorsque le signal est adéquatement filtré, ce qui permet de préserver la condition de linéarité sur les interférogrammes mesurés. Ceci est possible pour les détecteurs qui présentent une relation linéaire entre l'aire de leur réponse impulsionnelle et la puissance incidente. Lorsque la relation entre l'aire et la puissance d'un photodétecteur n'est pas linéaire, il est nécessaire d'avoir recours à l'algorithme de correction mentionné précédemment. Ayant géré et minimisé les impacts de la non-linéarité des photodétecteur, des signaux haute puissance peuvent être utilisés pour produire des mesures avec de forts rapports signal sur bruit pour de courtes durées de mesure, ce qui crée de nouvelles possibilités. Par exemple, il a été possible de mettre en évidence des formes de raies asymétriques suivant le modèle de Fano et dépendant de la puissance crête excitant le gas sous étude en spectroscopie moléculaire. L'expérience a permis de montrer que les conditions d'étirement temporel des impulsions influencent le niveau d'asymétrie des raies, puisque celui-ci est influencée par l'intensité crête des impulsions. Les deux premiers chapitres de la thèse s'attardent à la manifestation de la non-linéarité dans le contexte de la spectroscopie par double-peigne. L'impact de la non-linéarité est décrit pour des détecteurs commerciaux afin de montrer que les détecteurs sont utilisés dans un régime non linéaire bien avant la limite de puissance moyenne donnée par le fabricant. L'impact de la non-linéarité en spectroscopie double-peigne est comparé à celui en spectroscopie classique pour noter les similitudes et les différences. Une mesure d'absorption est réalisée dans un régime linéaire et non linéaire pour bien comprendre l'impact de la non-linéarité. Les chapitres trois et quatre donnent une vue d'ensemble sur la gestion de la non-linearité, que ce soit en la corrigeant par traitement numérique ou en la réduisant en respectant certaines conditions expérimentales. Le chapitre cinq présente l'observation d'un phénomène visible seulement avec un fort rapport signal sur bruit : la résonance de Fano. Finalement, le chapitre 6 dresse un portrait complet de la photodétection linéaire en spectroscopie double-peigne. / Photodetector nonlinearity (NL) is a substantial roadblock to expanding the frontiers of dual-comb spectroscopy (DCS). It restricts the power sent to a detector and ultimately limits the performances of spectrometers, reaching a point where it can hinder the study of phenomena that require both rapid measurement and a high signal-to-noise ratio (SNR). By limiting the power on a detector, experimentalists resort to averaging the signal to improve the SNR, but averaging for hours may become impractical for several applications. While detector NL has been known to be an issue in classical Fourier transform spectroscopy (FTS), the community has been using frequency combs with power levels more than ten times the amount a detector can tolerate in its linear operating regime, and the quality of measurement has reached a point where NL produces significant systematic errors. There is thus a need to understand what happens when a detector is over-illuminated, in order to provide adequate management of systematic NL errors and improvements to the detection chain to fully benefit from the information carried by the optical signal. This nonlinearity problem is thoroughly studied in this thesis. First, the photodetector's response to a dual-comb interferometric signal is analyzed by breaking it down into its reaction to a single optical pulse to gain insight into the core of the issue. This has enabled the identification of the amplifier as a main source of nonlinearity for several widely used detectors, marking a significant step towards addressing the nonlinearity problem. The nonlinearity of the photodetector creates optical pulse distortions that depend on the incident power on the detector, thus deforming the interferometric information encoded in the amplitude of the beatings between the two pulsed sources. It is demonstrated that absorption features are distorted and may lead to an incorrect estimation of gas concentration in a gas detection experiment. The distortion of information occurring under NL conditions raises a concern to know if any information is lost in the process, or if a posteriori correction is possible to retrieve the original information. It is shown that if experimental conditions are such that NL can be assumed static, the retrieval of a linear spectrum is possible. A correction algorithm based on the minimization of out-of-band spectral artifacts allowing to retrieve a high SNR spectrum acquired in a short measurement time is provided. It is also shown that there are experimental conditions that one can respect to minimize the impact of nonlinearity on a measurement. Having a detector without a saturating amplifier is a first solution. It is shown that without amplifier, the detector may still show nonlinear behaviour due to the photodiode's nonlinear response to an over-illumination, but it can be managed by proper filtering to preserve the linearity of the dual-comb signal. This is possible for detectors whose impulse response area present a linear relation with input power. If the area to power relation is not linear, the previously mentioned NL correction may be applied. With NL impacts on dual-comb interferometry properly handled and minimized, higher powers can be used to produce a useful signal and thus higher SNR measurement can be performed in short durations. This paves the way to new possibilities. As such, it has been possible to observe Fano resonances in molecular spectroscopy. This has been observed as asymmetric absorption lines in a transmission spectrum. It is demonstrated that temporal pulse broadening through chirping can reduce the impact if the pulses are sufficiently broadened to reduce the high intensity excitation of gas molecules. The first two chapters of this thesis focus on the manifestation of nonlinearity in the context of dual-comb spectroscopy. The impact of NL are described in commonly used photodetectors to show that the detectors reach a nonlinear regime well below the power threshold provided by the manufacturer. The impact of NL in DCS is then compared to its impact in FTS to highlight the similarities and differences. A spectroscopic measurement for linear and nonlinear signals is also demonstrated. The third and fourth chapters provide insights on how to manage nonlinearity whether it is necessary to correct for it or whether it is possible to avoid it by respecting given conditions. The fifth chapter presents an observation of a phenomenon in dual-comb spectroscopy that high SNR has allowed to see : Fano resonance. Finally, the sixth chapter draws a complete picture of the optimal photodetection in dual-comb interferometry.

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.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 juin 2023) / L'étude du cerveau est cruciale à la compréhension de son fonctionnement et pour l'avancement en médecine. Il existe une multitude de techniques pour visualiser ou mesurer l'activité du cerveau afin d'étudier ses mécanismes. Pour étudier une population spécifique de neurones, la photométrie par fibre optique est souvent préférée puisqu'elle permet de mesurer l'activité de seulement un groupe de neurones spécifiquement marqué par des indicateurs calciques au choix. La photométrie par fibre optique est une technique d'imagerie souvent utilisée chez les rongeurs (habituellement des souris) pour mesurer l'activité neuronale d'un groupe spécifique de neurones lors d'expérimentations in vivo en attachant une fibre optique directement à la région du cerveau à l'étude. Le désavantage de la photométrie par fibre optique conventionnelle est que la fibre optique qui est branchée directement à la tête de la souris doit être acheminée à l'extérieur de l'environnement de test, ce qui limite les déplacements de la souris et lui cause un certain stress. Ce travail propose une preuve de concept d'un système de photométrie par fibre optique sans fil ayant des performances à la hauteur des systèmes commerciaux existants avec fibre reliée à l'extérieur de l'environnement de test. Le design de cette preuve de concept repose sur la conception de circuits analogiques ainsi que le développement d'algorithmes de traitement de signal. Le système conçu dans ce travail offre une lecture de signal avec une référence au point isosbestique avec une puissance équivalent de bruit de 5.39fW/√ Hz, un niveau de bruit équivalent, ou même plus bas que les systèmes commerciaux disponibles. Ce système est sans fil, rechargeable et peut prendre des mesures pendant une durée de 210 minutes (3 heures et 30 minutes). Il contient aussi un lock-in amplifier numérique permettant de réduire le poids et la dimension du système tout en augmentant de 30dB le SNR du signal de photométrie. Les éléments du système de photométrie de ce travail ont été testés sur des souris in vivo lors d'une expérimentation sur l'activité neuronale de l'hypothalamus latéral (LHA) en réponse à un stimulus aversif. / The study of the brain is crucial to its understanding and the pursuit of medical research. There exists a multitude of techniques used to visualize or measure brain activity in order to study its working mechanisms. To study a specific group of neurons, the preferred method is fiber photometry because it allows to monitor a specific group of neurons that have been marked by a chosen calcium indicator. Fiber photometry is an imaging technique often used on rodents (usually mice) to monitor neural activity in a specific type of neuron while performing in vivo experimentation by directly implanting a probing optical fiber to the brain region under study. The drawback of conventional fiber photometry is that the optical fiber implanted in the subject's head needs to be connected outside the test environment, which limits its movements and creates unnecessary stress on the mouse. This work proposes a proof of concept of a wireless fiber photometry system with performance worthy of current existing cabled commercial systems. The design of this proof of concept rests on the conception of analog circuits and the development of signal processing algorithms. The system designed in this work offers a reading with an isosbestic point reference with a noise equivalent power of 5.39fW/√ Hz, a noise level equivalent, or even lower than available commercial products. This system is wireless, rechargeable and can make measurements for a period of 210 minutes (3 hours and 30 minutes). It also contains a digital lock-in amplifier, allowing to reduce the size and weight of the system while still gaining a 30dB increase in SNR in the photometry reading. The various elements of this system have been tested in live mice during in vivo testing of the neural activity of the lateral hypothalamus (LHA) in response to an aversive stimulus.

Le développement des télécommunications optiques à haute capacité fait des multiplexeurs en longueur d'onde un sujet brûlant des récentes recherches. Dans cette thèse, nous proposons et démontrons des réseaux sélectifs planaires ou (Arrayed Waveguide Grating, AWG) basés sur une plateforme de Nitrure de silicium (SiN) comme multiplexeur ou démultiplexeur. Dans le premier chapitre, nous comparons les guides d'onde en silicium et en nitrure de silicium et confirmons que le SiN sera considéré comme la plateforme principale de ce travail. Nous présentons des simulations des guides d'onde de SiN qui forme les AWGs, incluant les guides d'onde planaires, les guides d'onde à bande, les guides d'onde courbés et les guides d'onde fuselée utilisant FDTD solution et Mode solution d'Ansys Lumerical. L'influence des paramètres de conceptions des AWGs en SiN tels que la longueur focale, la distance séparant les guides d'onde, l'espacement entre les ouvertures adjacentes et les pertes de propagation liées à la fabrication sur les performances est aussi étudié en utilisant sur un modèle semi-analytique. Les AWGs communs sont typiquement conçus pour les modes électriques transverses (TE). Pour améliorer la capacité de transmission des réseaux WDM, dans le second chapitre, nous présentons un AWG insensible à la polarisation conçus avec des guides d'onde en SiN. L'insensibilité à la polarisation des AWGs est obtenue lorsque l'espace intercanal et la longueur d'onde centrale des deux modes sont alignés pour un même AWG. L'alignement de l'espace intercanal entre les deux états de polarisations est obtenu en optimisant la géométrie du réseau de guide d'onde, alors que l'insensibilité de la longueur d'onde centrale est obtenue en séparant les deux états de polarisations et en ajustant leur angle d'incidence à l'entrée du coupleur en étoile pour compenser la dispersion entre les modes dans l'AWG. Un multiplexeur de longueur d'onde 1 × 8 avec un espacement entre les canaux de 100 GHz et une diaphonie de −16 dB est démontré expérimentalement. Dans la conception d'un AWGs en SiN, un espacement d'une largeur supérieur à 10 µm entre des guides d'ondes identiques minimise le couplage parasite augmentant ainsi leur empreinte. Dans le troisième chapitre, nous présentons un AWG ultra-compact 1×8 ayant une séparation de 100 GHz entre les canax rendu possible grâce à des guides d'onde en super-réseaux supprimant le couplage entre les guides d'onde. Bénéficiant de la haute densité du super-réseau, cet AWG possède une empreinte compacte de 4.3mm × 0.6mm, ce qui est plus que 2 fois plus petit qu'un AWG conventionnel ayant des performances similaires à celui présenté dans le second chapitre. Le SL-AWG montre aussi une faible perte d'insertion de 3.4 dB et une faible diaphonie de −18 dB. À part le couplage entre les guides d'onde discuté dans le troisième chapitre, l'erreur de phase produite par les variations de fabrication a l'impact le plus important sur les performances de l'AWG. Il a été étudié que leurs performances sont liées à la longueur du réseau de guide d'onde déterminant l'erreur de phase. Toutefois, il existe encore un écart de quantification de l'impact de la longueur du réseau et les variations de fabrication sur les performances de l'AWG. Dans le quatrième chapitre, nous présentons une analyse statistique de l'AWG en présence d'erreurs de phase dans les guides d'onde. Des figures de mérites importantes pour la performance incluant les pertes d'insertion, la diaphonie et la non-uniformité sont paramétrées en fonction de la longueur de cohérence, un paramètre physique qui caractérise l'accumulation d'erreur de phase dans les guides d'ondes optique. Une longueur de cohérence de 23.7 mm au niveau de la matrice pour les guides d'onde de SiN peut être extraite en mesurant les variations dans la longueur d'onde de résonnance d'un interféromètre de Mach-Zhender. Au travers de simulations Monte-Carlo, nous examinons l'impact de l'erreur de phase sur les performances de l'AWG avec une espace entre les canaux de 100 GHz et 200 GHz. / The development of optical communications with high transmission capacity makes wavelength division multiplexing (WDM) systems a hot topic of recent research. In this thesis, we propose and demonstrate arrayed waveguide gratings (AWGs) based on a SiN platform as the multiplexers or demultiplexers. In the first chapter, we compare the material and waveguides between silicon and silicon nitride. We present numerical simulations of the SiN waveguides, including slab waveguides, strip waveguides, bent waveguides and tapered waveguides, using FDTD solutions and MODE solutions from Ansys Lumerical. These waveguides are used to form an AWG in this thesis. The influences of SiN AWGs designed parameters including focal length, separation of arrayed waveguides, gaps between adjacent apertures and propagation loss on the performances are studied based on a semi-analytical model. Common AWGs are typically designed in TE mode. In order to improve the transmission capacity in WDM system, in the second chapter, we present a polarization insensitive AWG built with SiN waveguides. The polarization insensitive AWGs are obtained when both the channel spacing and the center wavelength are aligned for TE and TM modes in a single AWG. The channel spacing polarization insensitivity is obtained by optimizing the geometry of the arrayed waveguides whereas the central wavelength polarization insensitivity is obtained by splitting the two polarization states and adjusting their angle of incidence at the input star coupler. A 100 GHz 1×8 AWG with crosstalk below −16 dB is demonstrated experimentally. In the design of SiN AWGs, the gaps of wider than 10 µm between adjacent identical waveguides are designed to minimize parasitic coupling. However, these gaps suppress further shrinking the footprint of AWGs. In the third chapter, we present an ultra-compact 100 GHz 1 × 8 SiN AWG enabled by a novel concept of the waveguide superlattice suppressing coupling between waveguides. Benefiting from the densely arrayed waveguides patterning with waveguide superlattice, this superlattice AWG has a compact footprint of 4.3 mm × 0.6 mm, which is more than two times smaller than a conventional AWG with similar performance. The SL-AWG also shows a low insertion loss of 3.4 dB and a low crosstalk level of −18 dB. Beside the coupling between waveguides discussed in the third chapter, the phase errors due to fabrication variations have a considerable impact on the performance of AWGs. It is shown that their performances are related to the length of arrayed waveguides determining the phase errors. However, there lacked a practical way to quantify the impact of arrayed waveguide length and fabrication variations on the performances of AWGs. In the fourth chapter, we present a statistical analysis of AWGs in presence of phase errors of arrayed waveguides. The important figures of merits including insertion loss, crosstalk and non-uniformity, are parameterized by the coherence length, a physical parameter that characterizes the accumulated phase errors in an optical waveguide. A die-level coherence length of 23.7 mm for the SiN waveguides is extracted by measuring variation of resonant wavelength of Mach-Zehnder interferometers. Through Monte Carlo simulations, we present the impacts of phase errors on performance of 1 × 4 AWGs with 200 GHz and 100 GHz channel spacings.

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.