L'avènement de la photonique intégrée a attiré beaucoup de recherche et d'attention industrielle au cours des deux dernières décennies, plusieurs croyant qu'il s'agit d'une révolution équivalente à la microélectronique. Tout en tirant parti des procédés de fabrication de masse hérités de la microélectronique, la photonique sur silicium est compacte, éconergitique et permet l'intégration complète de dispositifs et de circuits photoniques à l'échelle nanométrique pour des applications cruciales dans les télécommunications, la détection et le calcul optique. À l'instar des débuts de la microélectronique, les efforts de recherche actuels en photonique sur silicium sont principalement consacrés à la proposition, à la conception et la caractérisation de composants standardisés en vue d'une éventuelle intégration de masse dans des circuits photoniques. Les principaux défis associés à ce développement comprennent la complexité de la théorie électromagnétique dans le fonctionnement des dispositifs, les variations et les non-uniformités du procédé de fabrication limitant les performances, et les ressources informatiques considérables nécessaires pour modéliser avec précision des circuits photoniques complexes. Dans ce mémoire, ces trois limitations sont abordées sous forme de contributions de recherche originales. Basées sur des dispositifs photoniques sur silicium et l'apprentissage machine, les contributions de ce mémoire concernent toutes les réseaux de Bragg intégrés, dont le principe de fonctionnement de base est la réflexion optique sélective en fréquence. Premièrement, un nouveau filtre optique double-bande basé sur les réseaux de Bragg multimodes est introduit pour des applications dans les télécommunications. Deuxièmement, une nouvelle architecture de filtre accordable basée sur un coupleur contra-directionnel à étage unique avec un dispositif de micro-chauffage segmenté permettant des profils de température arbitraires démontre une accordabilité de la bande passante record et des capacités de compensation des erreurs de fabrication lorsqu'opérée par un algorithme de contrôle. Troisièmement, un modèle d'apprentissage machine basé sur un réseau de neurones artificiels est introduit et démontré pour la conception de coupleurs contra-directionnels et le diagnostic de fabrication, ouvrant la voie à la production de masse de systèmes photoniques intégrés basée sur les données. / The advent of integrated photonics has attracted a lot of research and industrial attention in the last two decades, as it is believed to be a hardware revolution similar to microelectronics. While leveraging microelectronics-inherited mass-production-grade fabrication processes for full scalability, the silicon photonic paradigm is compact, energy efficient and allows the full integration of nano-scale optical devices and circuits for crutial applications in telecommunications, sensing, and optical computing. Similar to early-day microelectronics, current research efforts in silicon photonics are put toward the proposal, design and characterization of standardized components in sights of eventual black-box building block circuit design. The main challenges associated with this development include the complexity of electromagnetic theory in device operation, the performance-limiting fabrication process variations and non-uniformities, and the considerable computing resources required to accurately model complex photonic circuitry. In this work, these three bottlenecks are addressed in the form of original research contributions. Based on silicon photonic devices and machine learning, the contributions of this thesis pertain to integrated Bragg gratings, whose basic operating principle is frequency-selective optical transmission. First, a novel dual-band optical filter based on multimode Bragg gratings is introduced for applications in telecommunications. Second, a novel tunable filter architecture based on a single-stage contra-directional coupler with a segmented micro-heating device allowing arbitrary temperature profiles demonstrates record-breaking bandwidth tunability and on-chip fabrication error compensation capabilities when operated by a control algorithm. Third, an artificial neural network-based machine learning model is introduced and demonstrated for large-parameter-space contra-directional coupler inverse design and fabrication diagnostics, paving the way for the data-driven mass production of integrated photonic systems.

Au cours des dernières décennies, les lasers à fibre optique ont permis l'atteinte de puissances laser records révolutionnant par la même occasion de nombreux domaines de recherche académique et industrielle. Cela a été rendu possible grâce à leur robustesse intrinsèque et leur excellente capacité de dissipation thermique, mais également grâce à l'optimisation de divers éléments critiques de leur architecture comme notamment les réseaux de Bragg à fibre optique (FBG). Ces derniers agissent comme miroirs intégrés à même la fibre optique et fournissent une rétroaction étroite spectralement qui est nécessaire pour que l'intensité spectrale s'accumule au sein de la cavité laser. Ces éléments essentiels à l'opération laser sont donc soumis à d'importantes puissances optiques. Il devient donc critique de développer de nouveaux types de réseaux de Bragg pour accommoder les prochaines générations de lasers à fibre optique plus résistants aux hautes puissances. Cette thèse porte sur le développement de réseaux de Bragg à large aire transverse optimisés pour diverses applications laser. De nouveaux types de réseaux de Bragg inscrits avec des impulsions laser femtosecondes au sein de fibres optiques à large diamètre sont d'abord démontrés. Puis, l'inscription de réseaux de Bragg au sein de blocs de verre est étudiée pour des applications en propagation libre de la lumière. L'utilisation de tels réseaux de Bragg volumiques (VBG) dans l'infrarouge moyen est discutée et une nouvelle technique d'inscription de ce type de composants est démontrée. Les chapitres 1 à 3 portent sur l'inscription de réseaux de Bragg au sein de la gaine interne de la fibre de lasers pompés par la gaine. Cela permet de recycler la lumière de pompe résiduelle non absorbée et d'augmenter l'efficacité de pompage de ces lasers. L'inscription d'un réflecteur de pompe dans la gaine de silice pure d'un diamètre de 125 µm d'un laser à fibre optique dopée à l'erbium émettant à 1.58 µm est rapportée au chapitre 1. Avec une réflectivité effective de 36% de la pompe résiduelle, le réseau de Bragg augmente respectivement l'efficacité du laser et sa puissance maximale de 17.1% à 22.7% et de 20.8 à 25 W. Le processus d'inscription est ensuite optimisé au chapitre 2 pour augmenter l'aire transverse du réflecteur de pompe. Cela augmente alors sa réflectivité effective de 36% à 58%. Au chapitre 3, une nouvelle technique d'inscription mieux adaptée à la géométrie cylindrique des fibres optiques est présentée. Un réflecteur de pompe avec une aire transverse record est alors obtenu en faisant tourner la fibre optique par rapport au faisceau laser d'inscription. Ce composant est inscrit dans la gaine interne de silice pure d'une fibre d'un diamètre de 400 µm et est utilisé au sein d'un laser à fibre optique dopée à l'ytterbium émettant 608 W de puissance laser à 1 µm. Ce montage d'inscription optimisé est ensuite utilisé au chapitre 4 pour inscrire un réseau de Bragg dans une fibre optique à large coeur de diamètre 200 µm connectée à une diode laser de 70 W opérant autour de 975 nm. Ce composant agit alors comme stabilisateur spectral en fournissant une rétroaction sélective en longueur d'onde aux émetteurs de la diode laser. Cela permet de réduire la largeur de raie d'émission de la diode laser par un facteur 2.8, ainsi que sa dérive en longueur d'onde en fonction de la puissance émise par un facteur 12. Les chapitres 5 à 7 portent ensuite sur l'inscription de réseaux de Bragg au sein de blocs de verre, soit des réseaux de Bragg volumiques. Au chapitre 5, le premier VBG utilisé comme filtre sélectif en réflexion dans l'infrarouge moyen est décrit. Celui-ci est inscrit dans un bloc de verre fluoré et atteint une réflectivité de 90% à une longueur d'onde de 2.8 µm. Puis, au chapitre 6, un VBG de silice pure est utilisé pour filtrer la lumière d'un laser supercontinuum émettant dans l'infrarouge moyen. Cette combinaison permet d'obtenir une source lumineuse à spectre étroit dont la longueur d'onde centrale est ajustable de 2.9 µm à 4.2 µm. Finalement au chapitre 7, le premier VBG inscrit par laser femtoseconde directement au sein d'un substrat de masque de phase est présenté. Cette technique ouvre la porte à l'amélioration de l'homogénéité et à l'augmentation de la profondeur d'écriture des VBG inscrits par impulsions femtosecondes. / In the past decades, record optical power levels have been reached with fiber lasers, thus revolutionizing many areas of academic and industrial research. This was made possible thanks to these lasers' intrinsic robustness and excellent heat-dissipation capacity, but also thanks to the optimization of various critical elements of their architecture like fiber Bragg gratings (FBG). These components acting as mirrors directly integrated inside optical fibers provide spectrally narrow feedback to the laser signal. This allows the accumulation of laser power inside the fiber cavity. As the FBGs are therefore subject to significant optical power levels, it becomes critical to develop new types of Bragg gratings that exhibit a high tolerance to high intensities to accommodate the next generations of powerful fiber lasers. This thesis focuses on the development of large-transverse-area Bragg gratings optimized for various laser applications. New types of Bragg gratings inscribed with femtosecond laser pulses in large-diameter optical fibers are first demonstrated. Then, the inscription of Bragg gratings in glass bulks is studied for free-space applications. The use of such volume Bragg gratings (VBG) in the mid-infrared spectral region is discussed and a new technique for inscribing this type of component is demonstrated. Chapters 1 to 3 focus on the inscription of Bragg gratings within the internal cladding of fibers used in cladding-pumped lasers. This allows to reflect and recycle the residual unabsorbed pump light and to increase the pumping efficiency of these lasers. The inscription of such a pump reflector in the 125-µm pure silica cladding of an erbium-doped fiber laser operating at 1.58 µmm is reported in chapter 1. Thanks to its 36% effective reflectivity of the residual pump, the Bragg grating increases the laser efficiency from 17.1% to 22.7% and the maximum output power from 20.8 W to 25 W. The inscription process is then optimized in chapter 2 to increase the transverse area of the pump reflector. This increases its effective reflectivity from 36% to 58%. In chapter 3, a new inscription technique better suited to the cylindrical geometry of optical fibers is presented. A pump reflector with a record transverse area is then obtained by rotating the optical fiber with regards to the inscription laser beam. This component is inscribed in the 400-µm pure silica cladding of a fiber used in an ytterbium-doped fiber laser emitting 608 W of laser power at 1 µm. This optimized inscription setup is then used in chapter 4 to write a Bragg grating inside the 200-µm core of the pigtail fiber of a 70 W laser diode operating around 975 nm. This component acts as a spectral stabilizer by providing wavelength-selective feedback to the emitters of the laser diode. This scheme reduces both the laser diode's emission linewidth by a factor of 2.8 and its wavelength drift as a function of the emitted power by a factor of 12. Afterwards, chapters 5 to 7 focus on the inscription of Bragg gratings inside bulk glass, i.e. volume Bragg gratings. In Chapter 5, the first VBG used as a selective mid-infrared reflection filter is described. It is inscribed inside a bulk sample of fluoride glass and reaches a reflectivity of 90% at a wavelength of 2.8 µm. Then, in chapter 6, a pure-silica VBG is used to filter the light from a supercontinuum laser emitting in the mid-infrared. With this combination, a spectrally narrow light source with a central wavelength tunable from 2.9 µm to 4.2 µm is obtained. Finally, in chapter 7, the first VBG inscribed with femtosecond pulses directly inside a phase-mask substrate is presented. This technique opens the door to improving the homogeneity and increasing the inscription depth of VBGs inscribed with femtosecond pulses.

Au fil des années, les performances des capteurs à fibre optique ont largement dépassé celles des capteurs électriques traditionnels, et ce principalement grâce à la technologie des réseaux de Bragg à fibre optique (FBG). Ils sont d'ailleurs utilisés dans de nombreux domaines notamment l'aérospatial, la robotique et le médical. En considérant l'énorme demande pour les capteurs quasi-distribués à fibre optique, il est évident que la productivité de fabrication de ces composants photoniques devra être augmentée. Malheureusement, les techniques d'inscription de FBGs présentement utilisées par l'industrie basées sur l'utilisation d'un laser ultraviolet sont coûteuses et peu productives. Or, la technique utilisée dans les laboratoires du COPL depuis quelques années est beaucoup plus robuste : l'utilisation d'un laser femtoseconde à 800 nm permet d'inscrire des FBGs au travers du revêtement de la fibre sans l'endommager. Dans le but d'augmenter la productivité de fabrication des capteurs quasi-distribués, d'en réduire le coût de fabrication et d'en augmenter la fiabilité, un montage d'inscription de FBGs automatisé utilisant cette technique a été développé dans le cadre de cette maîtrise. Celui-ci a permis non seulement de développer des capteurs dans des fibres à simple cœur, mais aussi dans des fibres multicœurs. Ce type de capteurs, contrairement à sa version plus simple, permet de mesurer l'amplitude des contraintes appliquées au capteur, mais également leur direction. Le montage d'inscription est composé de plusieurs systèmes, soit un système d'inscription, de déroulement de la fibre, de rotation, d'imagerie et de marquage. Les nombreux ajouts et améliorations qui leur ont été faits au cours du projet ont permis d'optimiser le montage pour l'inscription automatisée de capteurs à fibre optique multicœur. Ainsi, la fiabilité des capteurs a pu être améliorée et leur temps d'inscription a pu être diminué de 2.4 fois. / Over the years, the performances of fiber optic sensors have largely surpassed those of traditional electrical sensors, mainly due to the technology of fiber Bragg gratings (FBGs). They are used in many fields such as aerospace, robotics and medical. Considering the huge demand for fiber optic quasi-distributed sensors, it is obvious that the manufacturing productivity of these photonic components will have to be increased. Unfortunately, the FBG inscription techniques currently used by the industry based on the use of an ultraviolet laser are costly and not very productive. However, the technique used in the COPL laboratories for the past few years is much more robust: the use of a femtosecond laser at 800 nm makes it possible to inscribe FBGs through the fiber coating without damaging it. In order to increase the manufacturing productivity of the quasi-distributed sensors, to reduce their manufacturing cost and to increase their reliability, an automated FBGs inscription assembly using this technique was developed within the framework of this master's degree. This allowed the development of sensors not only in single core fibers, but also in multicore fibers. This type of sensors, contrary to its simpler version, allows to measure the amplitude of the stresses applied to the sensor, but also their direction. The inscription assembly is composed of several systems: inscription, fiber unwinding, rotation, imaging and marking. The numerous additions and improvements made to them during the project have allowed the assembly to be optimized for the automated development of multicore fiber optic sensors. Thus, the reliability of the sensors has been improved and their fabrication time has been reduced by 2.4 times.

Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / Ce mémoire fera une étude des concepts théorique et expérimentale reliée à la conception de modulateur à lumière lente par réseaux de Bragg. Dans ce travail, le phénomène de lumière lente est utilisé afin d'augmenter l'interaction entre la lumière et le modulateur. Ce régime de ralentissement est produit par la combinaison de cavités Fabry-Perot et de réseaux de Bragg. Cette combinaison est aussi connue comme étant un réseau de Bragg à saut de phase. En incluant ces éléments dans un modulateur Mach-Zehnder, le phénomène de lumière lente permet d'utiliser une longueur de déphasage plus courte ainsi qu'une puissance plus faible. La combinaison de tous ces facteurs permet de produire un modulateur avec un potentiel de performance plus élevé tout en réduisant l'espace occupé par le modulateur. Les modulateurs présentés utilisent tous la lumière lente. Un premier ensemble de modulateurs inclut des modulateurs compacts utilisant des électrodes à propagation d'onde ayant une longueur de 200 µm. Ils ont un potentiel de fréquence de coupure supérieure à 67 GHz à la fois pour une densité de dopage conventionnelle et pour une densité de dopage plus élevée. Pour encore augmenter la bande électro-optique en continuant de diminuer la tension de commande pour de longs déphaseurs, le second ensemble de modulateurs inclut un nouveau style d'électrode adapté à la lumière lente. Ceux-ci possèdent des lignes de délai qui permettent de compenser la différence de vitesse entre le signal électrique et le signal optique. Cette modification permet d'augmenter drastiquement la fréquence de coupure à la condition d'avoir une ligne de délai bien ajustée au délai optique. / This thesis will study the theoretical and experimental concept related to the design of Bragg grating slow-light modulators. In this work, the slow-light phenomenon is used to enhance the interaction between light and the modulator. This slow-light regime is enabled by the combination of both Fabry-Perot cavity and Bragg grating. This structure is also known as a phase shifted Bragg grating. By including those elements in a Mach-Zehnder modulator, the slow-light effect allows to use a shorter modulation length as well as a lower modulating power. Combining all those parameters allows to make a modulator with a higher performance potential, while reducing the footprint of the modulator. The presented modulators are all using slow-light structures. The first modulator set includes compact modulators using conventional travelling wave electrodes with 200 µm length. They exhibited potential of over 67GHz cut-off frequency for both conventional doping density and for a higher doping density. To further increase the electro-optical bandwidth while reducing the driving voltage with longer phase shifter, the second set of modulator includes a new style of electrodes adapted to slow-light. Those have delay line that allows to compensate for optical and electrical velocity mismatch. This modification allows to drastically increase the cut-off frequency of the modulator at the condition of having a delay line that is well adjusted to optical delay.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Le contrôle tumoral en radiothérapie nécessite une exposition des cellules cancéreuses au rayonnement ionisant tout en limitant l'exposition des cellules saines pour minimiser les effets secondaires indésirables. Pour atteindre cet objectif, des techniques sophistiquées telles que l'IMRT, le VMAT, le SRS et le SBRT ont été développées, utilisant plusieurs champs d'irradiation de forme variable et de petites tailles. Le succès de ces techniques repose sur la caractérisation des petits champs, pour lesquels il n'existe pas encore de norme établie quant au type de dosimètre à utiliser. En effet, aucun des dosimètres couramment utilisés en radiothérapie ne permet de mesurer la dose avec une précision inférieure à 2 % pour ces champs de petite taille. De façon générale, ce sont les détecteurs ayant une équivalence dosimétrique à l'eau ainsi qu'un petit volume de détection qui performent le mieux pour la dosimétrie des petits champs. Cette thèse vise donc à développer une nouvelle génération de calorimètres multi-point spécifiquement adapté à la dosimétrie des petits champs en radiothérapie possédant à la fois une équivalence dosimétrique à l'eau ainsi qu'un petit volume de détection. Ces calorimètres utilisent une fibre optique à réseaux de Bragg comme thermomètre, permettant des mesures de haute résolution pour les petits champs de traitement. Cette thèse se divise en 4 volets distincts, soit la caractérisation et la maximisation du changement de longueur d'onde de Bragg produit par la radiation ; la caractérisation des mécanismes menant à un changement de longueur d'onde de Bragg induit par la radiation ; la correction de la dépendance aux variations de température ambiante et finalement, la conception d'un dosimètre multi-point utilisant une fibre optique à réseaux de Bragg ayant une résolution spatiale adaptée à la dosimétrie standard et à la dosimétrie des petits champs. D'abord, la caractérisation a permis de déterminer que, pour une fibre à réseau de Bragg recouverte de polymère, la longueur d'onde de Bragg varie linéairement avec la dose et cette variation est indépendante du débit de dose (2.8-11.6 Gy/min) et de l'énergie du faisceau de photons ou d'électrons (6 MV, 18 MV, 6 MeV, 9 MeV, 12 MeV, 18 MeV). Les facteurs permettant de maximiser cette variation de longueur d'onde et de diminuer le bruit de mesure ont ensuite été identifiés. Le type de revêtement a été identifiée comme étant un paramètre important pour maximiser le signal, plus particulièrement ses propriété thermiques (coefficient d'expansion thermique, capacité thermique massique), son module de Young et sa solidité d'adhésion ainsi que le type de colle maximisant cette dernière. La taille du revêtement et de la fibre optique contribuent également à l'optimisation du détecteur. L'optimisation des paramètres de réseaux ont également permis de minimiser le bruit de mesure. En ce qui concerne les mécanismes menant à un changement de longueur d'onde de Bragg, il a d'abord été déterminé que la réponse du détecteur est indépendante du dopage du cœur de la fibre et provient du revêtement de polymère puisque sans ce dernier, aucun signal n'est mesuré. Il a ensuite été démontré que le détecteur développé est un calorimètre et non un détecteur de défauts radio-induits, contrairement aux dosimètres à réseaux de Bragg généralement utilisés dans le secteur de l'énergie nucléaire. Cette démonstration est réalisée en validant un modèle théorique basé sur la théorie des calorimètres et en confirmant le comportement thermique suite à une irradiation à l'aide de simulations thermiques. Quatre techniques ont été comparées afin de corriger la dépendance aux variations de température ambiante, dont la technique standard utilisée en calorimétrie ainsi qu'une nouvelle technique de gradient de température interpolé pour effectuer une dosimétrie multi-point. Cette dernière technique se révèle la plus performante tout en permettant une correction de température en temps réel, réduisant les erreurs de mesure de 200% à environ 10% pour une irradiation de 20 Gy. Deux prototypes ont été développés : un ayant une résolution spatiale optimisée pour la dosimétrie standard et un ayant une résolution spatiale optimisée pour la dosimétrie des petits champs. Le premier détecteur est composé de vingt (20) réseaux d'environ 4 mm de long répartis sur 20 cm fixé à une plaque de PMMA de 5.5 x 107.5 x 205 mm³ permettant d'obtenir une erreur statistique de 0.03 pm sur les points de données limitant ainsi la dose détectable à 0.4 Gy. Le second détecteur se compose d'un fibre optique de 80 µm contenant trente (30) réseaux d'environ 1 mm de long fixés à l'intérieur d'un cylindre de PMMA de 0.63 cm de diamètre sur une longueur de 30 cm permettant d'obtenir la même erreur statistique et la même dose détectable que précédemment. Ce dernier prototype a également permis de mesurer un profil de dose d'un faisceau de 2 x 2 cm² ayant une énergie de 6 MV avec une différence relative moyenne de 1.8% (en excluant la région de pénombre) pour une irradiation de 12.37 Gy. Ainsi la thèse présente le premier calorimètre multi-point à réseaux de Bragg spécifiquement adapté à la dosimétrie des petits champs en radiothérapie. Ce type de détecteur pourrait s'avérer extrêmement bénéfique pour la dosimétrie des petits champs, et présenter également un fort potentiel pour des applications en IRM-LINAC et en radiothérapie FLASH, compte tenu de la grande résistance des fibres de silice aux radiations. / Radiotherapy relies on precise control of tumor exposure to ionizing radiation while limiting the dose to healthy tissues to minimize undesirable side effects. Sophisticated techniques such as IMRT, VMAT, SRS, and SBRT have been developed, utilizing multiple small and variableshaped radiation fields. The success of these techniques depends on the characterization of small fields, for which no standard dosimeter has been established. Commonly used dosimeters in radiotherapy do not provide dose measurements with accuracy below 2% for small fields. Generally, dosimeters with near water-equivalence and small detection volumes perform best for small-field dosimetry. This thesis focuses on developing a new generation of multi-point calorimeters specifically adapted to the dosimetry of small fields in radiotherapy, possessing both water dosimetric equivalence and a small detection volume. These calorimeters use fiber Bragg gratings as thermometers, enabling high-resolution dose measurements for small fields radiotherapy treatments. The thesis comprises four distinct aspects : characterizing and maximizing the Bragg wavelength change induced by radiation ; understanding the mechanisms causing the Bragg wavelength shift ; compensating for ambient temperature variations ; and designing a multipoint dosimeter using gratings with a suitable spatial resolution for standard and small field dosimetry. The characterization revealed that the Bragg wavelength of a polymer-embedded fiber Bragg grating varies linearly with the dose and this variation is independent of the dose rate (2.8-11.6 Gy/min) and the beam energy (6 MV, 18 MV, 6 MeV, 9 MeV, 12 MeV, 18 MeV). Factors optimizing this wavelength variation and reducing measurement noise were identified. The type of coating, particularly its thermal properties (thermal expansion coefficient, specific heat capacity), Young's modulus, and adhesive strength play a critical role in maximizing the signal. Additionally, optimizing the fiber and coating sizes contributes to detector optimization. The optimization of gratings parameters also allowed the minimization of measurement noise. Regarding the mechanisms leading to a Bragg wavelength shift, it was first determined that the detector's response is independent of the fiber core doping and originates from the polymer coating since no signal is measured without it. The developed detector was confirmed to be a calorimeter, rather than a radiation-induced defect detector like conventional fiber Bragg gratings dosimeters used in the nuclear industry. This was demonstrated by validating a theoretical model based on calorimeter theory and confirming the thermal behavior through thermal simulations after irradiation. Four temperature compensation techniques were compared to correct ambient temperature variations, including standard calorimetric techniques and a new interpolated temperature gradient technique for multi-point dosimetry. The interpolated technique proved most effective, providing real-time temperature correction and reducing measurement errors from 200% to approximately 10% for a 20 Gy irradiation. Two prototypes were developed : one with spatial resolution optimized for standard dosimetry and the other with spatial resolution optimized for small-field dosimetry. The first detector consists of twenty (20) gratings, each approximately 4 mm long, distributed over 20 cm and attached to a PMMA plate measuring 5.5 x 107.5 x 205 mm³ , achieving a statistical error of 0.03 pm on data points, limiting the detectable dose to 0.4 Gy. The second detector comprises a 80 µm optical fiber containing thirty (30) gratings, each approximately 1 mm long, fixed inside a PMMA cylinder measuring 0.63 cm in diameter and 30 cm in length, allowing for the same statistical error and detectable dose as the previous one. This latter prototype also enabled the measurement of a dose profile for a 2 x 2 cm² beam with a 6 MV energy, showing a mean relative difference of 1.8% (excluding the penumbra region) for an irradiation of 12.37 Gy.

Récemment, de nouvelles techniques ont été développées pour la fabrication des réseaux de Bragg à profil complexe. Ces composants photoniques sont utilisés dans plusieurs applications émergentes telles que la compensation de la dispersion pour les systèmes de communication de longue portée, les lasers à fibre, multiplexeurs et détecteurs optiques. Le diagnostic après inscription devrait fournir les informations nécessaires pour l’amélioration de la fabrication des réseaux de Bragg. Nous savons que les propriétés spectrales du réseau de Bragg sont liées au profil d’indice Δn. Les techniques de mesure directes, telles que la diffraction latérale de Krug, permettent de retrouver l’amplitude de modulation d’indice le long du réseau. Cependant, ces techniques sont insensibles aux fluctuations de phase. Une méthode alternative de caractérisation indirecte fondée sur l’algorithme de Layer-Peeling (LP) a été proposée. Toutefois elle ne peut pas être appliquée à la caractérisation des réseaux longs en raison de la propagation du bruit de calcul. Dans cette thèse nous avons présenté une nouvelle technique pour la mesure directe de l’amplitude et de la phase du profil d’indice le long du réseau de Bragg fondée sur la luminescence bleue (LB) induite par l’irradiation UV. Nos résultats expérimentaux de la mesure du profil de modulation d’indice sont en bonne correspondance avec la méthode de Krug. La méthode que nous proposons peut être appliquée à la caractérisation des réseaux longs. Elle permet de retrouver simultanément l’amplitude de modulation d’indice Δnac(z), la fonction du chirp et détecter le changement de l’indice moyen Δndc(z). / N the last decade new techniques were developed for fabrication of sophisticated Fiber Bragg Gratings (FGBs). This has been motivated by the emergence of many applications such as dispersion compensation for long-haul communication systems, DFB fiber lasers, optical add/drop multiplexers, and optical sensors. Post-fabrication diagnostics should provide relevant information to enhance the FBG fabrication process. It is well known that the FBG spectral properties are related to the index profile Δn. Direct measurement techniques, such as the side diffraction method reported by P. Krug, allow determining the index modulation amplitude along the FBG. Nevertheless, these techniques provide no information about phase fluctuations. An alternative method of indirect characterization, based on the Layer-Peeling (LP) algorithm, consists in Bragg grating profile reconstruction from its complex reflectivity. However, the LP method is unstable when applied to characterize long FBGs (>1mm) due to the error propagation effect. In this thesis we have shown the principle of a novel technique for the direct measurement of amplitude and phase variations of the index modulation along an FBG based on the blue luminescence (BL). Our experimental results are in a good agreement with the according Krug characterization. The proposed method of FBG characterization in amplitude and phase using the UV induced BL can be applied to long gratings (up to tens of centimeters) having complex index modulation profiles. It allows retrieving simultaneously the index profile modulation Δnac(z) and the chirp function, localizing phase shifts, and also detecting the mean index change Δndc(z).

La génération de signaux microondes, millimétriques, voire THz par voie optique est actuellement une solution technique privilégiée pour la réalisation de systèmes de (télé)communications mobiles haut débit mais encore, les réseaux de distribution d'oscillateurs locaux et de signaux d'observation ou de radar intrasatellitaires, la distribution de signaux vidéo, la communication automobile, les systèmes de visualisation THz pour la sécurité, etc… Nous reportons ici la réalisation et la caractérisation d'une source optique ultra-compacte en matériau semiconducteur permettant de générer deux modes optiques séparés de la fréquence que l'on désire créer au niveau de la photodétection. Cette source prend la forme d'un laser DFB bi-longueur d'onde émettant dans la gamme de longueurs d'onde autour de 1,55µm. Le composant a été fabriqué chez Alcatel-Thales III-VLab à partir d'une technologie propriétaire de laser DFB et dans le cade du projet Européen IPHOBAC. Différents objectifs avaient été fixés pour ce composant: accordabilité de l'écartement intermodal jusque 300 GHz, largeur de raie de l'ordre du MHz et divergence dans le plan horizontal et vertical de 10°. Le premier objectif a été atteint par la réalisation de deux lasers DFB dont l'écart de pas de réseau est différent de 0,3nm et par la variation des courants d'injection de chaque section. Le second a été globalement atteint par l'utilisation d'une structure active à puits quantiques, une nouvelle version du composant utilisant des boites quantiques devrait remplir complètement cet objectif. Le dernier objectif a été partiellement atteint par la conception et l'adjonction d'un adaptateur de mode en sortie de composant, la divergence obtenue est de 10°x17° (HxV). Dans le plan vertical, les 10° de divergence n'ont pas pu être obtenus principalement à cause de la structure du composant et des limitations que l'on s'était imposées sur la longueur totale de celui-ci. / Generation of microwave, millimetre-wave even THz signals by optical means is currently a favoured technique for a lot of system applications such as: high bit-rate wireless telecommunications, local oscillator or radar signal distribution within satellites, video signal distribution, automotive communications, THz security systems, etc… We report here the fabrication and the characterization of an ultra-compact optical source made of semiconductor material. It allows generating two optical modes that are separated by the frequency that is requested at the photodetector level. This source is composed of two DFB lasers constituting a dual-mode laser emitting in the 1.55µm wavelength range. The device has been fabricated at Alcatel-Thales III-VLab using a proprietary DFB technology and the work has been supported under the "IPHOBAC" European project. Several targets were fixed for this device: tunability of intermodal spacing up to 300GHz, optical linewidth close to the MHz as well as horizontal and vertical divergences around 10°. The first goal has been achieved by using two DFB structures with a 0.3nm difference in the grating pitch and tuning the drive current of each section. The second goal has been globally achieved by using a quantum well based active layer. A new version including quantum dot based active layer should answer positively to this target. Last objective was partially obtained by the design and the integration of a spot size converter. The divergence has been measured as 10°x17° (HxV). Concerning the vertical divergence, the target of 10° was not obtained mainly linked to the device structure and the limitations we fixed on the overall length of the device.

Ce mémoire traite de la conception et de la mise en opération d’un nouveau type de laser femtoseconde à fibre optique intégrant une paire de réseaux de Bragg à pas variable. La présence de ces éléments de dispersion opposée dans une cavité en anneau révèle une toute nouvelle dynamique temporelle en régime permanent. Une impulsion femtoseconde qui se propage dans une section de la cavité est localement transformée en une impulsion picoseconde grandement chirpée dans l’autre section. Cette dernière section agit essentiellement comme une ligne à délai purement dispersive et peut donc être modifiée de façon à varier la dispersion nette ainsi que la cadence du laser sans pour autant accroître les effets non linéaires. Le laser à l’erbium introduit dans ce mémoire, qui génère des impulsions sous la centaine de femtosecondes dans tous les régimes de dispersion étudiés, pourrait éventuellement devenir une source à impulsions ultrabrèves (< 50 fs) de très grande énergie (> 20 nJ). Cette source serait donc une excellente alternative tout-fibre aux lasers à l’état solide femtoseconde. / In this master’s thesis, we present a new type of femtosecond fiber ring laser that uses a pair of chirped fiber Bragg gratings with opposite dispersion. The presence of such elements in a ring cavity reveals a new mode locking regime where a femtosecond pulse evolving in one section of the cavity is locally transformed into a highly chirped picosecond pulse that propagates in the remaining part of the cavity. The section in which the highly chirped pulse propagates acts essentially as an all-fiber linear dispersive delay line. This portion can thus be modified in order to change the net cavity dispersion or the repetition rate of the laser without significantly increasing the nonlinear effects in the cavity. This erbium-doped fiber laser that generates sub-100 fs pulses in any dispersion regime can potentially produce highenergy ultrashort pulses (> 20 nJ; < 50 fs). This source appears to be a practical all-fiber alternative to femtosecond solid-state lasers.

L’émergence des verres dopés à l’erbium a permis le développement d’une multitude d’applications. Toutefois, plusieurs de ces applications comme le LIDAR, la spectroscopie infrarouge et la génération de radiation infrarouge pour les oscillateurs paramétriques optiques pourraient bénéficier d’un milieu possédant une large plage de gain au-delà de celle offerte par l’erbium. C’est ce que permet le thulium avec sa plage de gain s’étalant de 1.7 μm à 2.1 μm. Entraînés par les succès de l’erbium pour la production d’impulsions, plusieurs chercheurs transposent les concepts développés pour l’erbium vers le thulium. Parmi les différentes méthodes de conception d’une cavité laser, les cavités linéaires à rétroaction distribuée ou à miroirs de Bragg permettent la mise en place d’un laser monolithique de très petite taille. Selon le schéma de pompage, il est possible d’opérer un tel laser en régime continu tout comme en régime impulsionnel. Ce document présente la mise en application d’un laser à fibre dopée thulium muni d’une cavité linéaire avec miroirs de Bragg. Dans un premier temps, nous présentons le modèle utilisé pour effectuer la simulation du comportement dynamique du laser. Ce modèle permet d’implémenter un algorithme de simulation numérique capable de prendre en considération l’excitation impulsionnelle, les effets dispersifs induits par le réseau de Bragg et les effets non linéaires intrinsèques à la fibre optique. Ensuite, on présentera la caractérisation des différentes composantes nécessaires à la réalisation du laser au thulium, notamment l’amplificateur à l’erbium pour la production d’impulsions pompe de haute énergie pour l’excitation impulsionnelle du laser à fibre dopée thulium. Enfin, on présentera les performances du laser muni de miroirs de Bragg qu’on comparera aux résultats de simulations numériques. / The emergence of erbium doped glasses has allowed the development of many technologies. However, applications such as LIDAR, infrared spectroscopy and infrared sources for optical parametric oscillators all benefit from having a wide gain bandwidth farther in the infrared than what erbium doped glasses allow. Thulium has shown to be a good candidate for such applications due to its wide gain bandwidth ranging from 1.7 μm to 2.1 μm. Inspired by the success in laser pulse generation from erbium doped media, many researchers decided to apply the knowledge acquired from erbium doped laser sources to thulium doped laser sources. We chose to use a linear distributed Bragg reflector cavity, which allows us to implement a monolithic laser of a very small size. Depending on the pumping scheme, it is possible to operate this laser in a CW regime as well as in a pulsed regime. This document details the implementation of a thulium doped fiber laser in a linear cavity with distributed Bragg reflectors. We first develop the theoretical model used for the simulation of our laser’s dynamics. This model allows us to implement numerical simulations able to treat pulsed pumping, dispersive effects induced by the fiber Bragg grating and intrinsic nonlinear effects. We then characterize the erbium-ytterbium doped phosphate fiber amplifier used to generate pump pulses, along with the other components of the thulium doped fiber laser cavity. The numerical model is then validated by comparing numerical simulations to experimental results obtained from our thulium doped laser.

Dans ce mémoire, nous concevons et générons des impulsions ultra large bande (UWB) qui exploitent efficacement le masque spectral de la "US Federal Communications Commission" (FCC). Une impulsion efficace améliore le rapport signal à bruit au récepteur en utilisant la majorité de la puissance disponible sous le masque spectral défini par la FCC, ce qui réduit la probabilité d'erreur. Pour trouver les formes d'onde efficaces, nous combinons plusieurs impulsions de type monocycle Gaussien séparées avec certains délais. Chaque monocycle Gaussien a une amplitude inconnue. Les amplitudes sont trouvées par un processus d'optimisation qui maximise la puissance de l'impulsion en respectant le masque spectral de la FCC sur toute la largeur de bande allouée aux communications UWB. Les impulsions efficaces sont réalisées par des filtres à réseaux de Bragg (FBG) dans le domaine optique. L'impulsion temporelle est écrite dans le domaine fréquentiel, et une fibre inonomode fait la conversion fréquence-à-temps. La forme d'onde est inscrite dans le domaine fréquentiel par un FBG. Un photo détecteur balancé élimine l'impulsion rectangulaire non-désirée qui est superposée à la forme d'onde désirée. Une excellente concordance entre les designs et les mesures est accomplie. Les formes d'ondes générées sont propagées entre des antennes à large bande. La réponse impulsionnelle non-idéale des antennes dégrade l'impulsion désirée, ce qui réduit l'efficacité. Nous mesurons la réponse impulsionnelle de l'antenne et l'utilisons dans le processus d'optimisation pour concevoir une forme d'onde efficace adaptée à la réponse de l'antenne. Comme avant, cette forme d'onde est générée avec un FBG. Les résultats expérimentaux montrent une excellente concordance avec la théorie et une amélioration significative de l'efficacité de puissance.