Academic literature on the topic 'Photonique dans le moyen infrarouge'

Le silicium est aujourd’hui le matériau de choix pour l’optique intégrée, bénéficiant de techniques de fabrication matures développées par l’industrie de la microélectronique. La photonique silicium propose ainsi des circuits intégrant de multiples fonctions, à coût réduit. À l’origine étudiée pour répondre aux limitations des circuits intégrés et principalement à la transmission du signal d’horloge à l’intérieur des circuits intégrés microélectroniques, la photonique silicium a finalement révolutionné les communications optiques courtes distances (datacom) dans les centres de données (data center). Les grands industriels de la microélectronique et d’Internet (Intel, STMicroelectronics, Cisco…) se sont intéressés à cette plateforme photonique, et des produits commerciaux sont aujourd’hui disponibles.

Les lasers à cascade quantique ont fait, depuis leur première démonstration en 1994, des progrès considérables, notamment dans le moyen infrarouge (bande spectrale allant de 3 à 12 μm). Ils peuvent maintenant être considérés comme des composants matures pour les applications en défense, sécurité et métrologie industrielle et environnementale. Ainsi, ces lasers sont utilisés dans de nombreux systèmes commerciaux. Nous parcourons dans cet article les progrès récents des lasers à cascade quantique, et discutons des nouvelles perspectives.

RésuméLa fixation du toluène et sa polymérisation dans les espaces interfoliaires d'une montmorillonite-Cu(II) au cours de cycles de déshydratation, adsorption, désorption de l'excès de réactif et réhydratation, ont été étudiées. Elles ont été suivies au moyen de diverses méthodes d'analyse (thermogravimétrie, radiocristallographie et spectrophotométrie d'absorption infrarouge). Les résultats rappellent ceux obtenus lors de l'étude du système montmorillonite-Cu(II)-benzène. Ainsi, la fixation du toluène s'effectue selon deux réactions, correspondant l'une à l'adsorption d'une molécule de toluène, l-autre à celle de trois molécules de toluène par ion Cu2+. Toutefois, l'affinité du toluène pour la montmorillonite est supérieure à celle du benzène.

Le pilotage des systèmes d’élevage en vue d’une optimisation technique, économique et environnementale passe par une formulation des rations de plus en plus précise et nécessite donc une connaissance fine des aliments consommés par les animaux. La spectrométrie dans le proche infrarouge (SPIR), utilisée de façon croissante depuis les années 60, est une technique analytique permettant de caractériser rapidement des échantillons d’aliments ou de fourrages. Les premières applications concernaient la composition chimique des fourrages, mais il est également possible de développer des étalonnages pour une estimation de la valeur nutritive et de l’ingestion. Au-delà de ces mesures directes sur l’aliment, la SPIR peut être appliquée sur les fèces afin de caractériser l’alimentation d’animaux sur parcours. Le traitement conjoint des spectres des aliments et des fèces peut donner une vision de l’utilisation réellement faite des aliments par les animaux. D’autres utilisations possibles de la SPIR comme la traçabilité ou la classification des aliments ainsi que la reconnaissance botanique des végétaux dans les prairies sont aussi décrites. Les développements techniques actuels, et notamment la miniaturisation des spectromètres, permettent d’amener les instruments sur le terrain pour produire l’information au plus près de son utilisation. D’autres techniques spectroscopiques alternatives ou complémentaires à la SPIR comme la spectroscopie dans le moyen infrarouge, la spectroscopie Raman ou l’imagerie hyperspectrale permettront d’autres conditions de mesures et d’autres applications.

Les aptitudes du lait à la transformation en fromage sont étroitement liées à sa composition. Ces caractères, difficiles à mesurer directement, ont été prédits à partir des spectres dans le moyen infrarouge (MIR) du lait en race Montbéliarde (projet From’MIR). Cet article rassemble les résultats de l’analyse du déterminisme génétique des aptitudes fromagères et de la composition fine du lait, prédites à partir de six millions de spectres MIR de 400 000 vaches. Ces caractères sont modérément à fortement héritables et les corrélations génétiques entre caractères fromagers (rendements et coagulation) et avec la composition du lait (protéines, acides gras et minéraux) sont élevées et favorables. Des analyses d’association (GWAS) et de réseaux de gènes, réalisées à partir des génotypes imputés pour l’ensemble des variations du génome de 20 000 vaches, permettent d’identifier des gènes et des variants candidats ainsi qu’un réseau de 736 gènes impliqués dans des voies métaboliques et des gènes régulateurs fonctionnellement liés à la composition du lait. Enfin, l’estimation de la précision d’une évaluation génomique montre qu’un modèle de type contrôles élémentaires, incluant les variants détectés par les GWAS et présumés causaux, permet de prédire des valeurs génomiques précises. Nous avons par ailleurs simulé une sélection incluant les aptitudes fromagères qui montre les possibilités de sélectionner efficacement les vaches pour qu’elles produisent un lait plus « fromageable », avec un impact limité sur le gain génétique des caractères actuellement sélectionnés. Ces résultats ont conduit à la mise en place d’un prototype d’évaluation génomique en race Montbéliarde dans la zone AOP Comté en 2019

Depuis un peu moins de dix ans, l’utilisation du drone se démocratise dans l’ensemble des secteurs d’activités, dont celui de l’archéologie. Après l’usage de l’imagerie embarquée par avion puis par satellite, le drone a amené une multiplication des usages par sa capacité à obtenir des clichés facilement, rapidement et de bonne qualité. On doit cette nouveauté à la miniaturisation des technologies embarquées et à la baisse du prix d’achat des appareils. Trois types de capteurs sont présentés dans l’article. D’abord, la caméra en vraies couleurs. Elle permet de prendre des photos dans le spectre du visible sous plusieurs angles de vue et à basse altitude. À partir de ces photos, il est envisageable de concevoir des restitutions numériques de vestiges nettoyées d’éléments du paysage inutiles pour l’étude des voies (fig. 1). Ensuite, la caméra multispectrale enregistre des images dans des spectres non visibles par l’oeil humain, dont le proche infrarouge, qui permet de révéler des anciennes voies par la mise en relief des différences de végétations. Enfin, le capteur lidar détecte des variations d’altitude si fines qu’il est devenu possible d’identifier des voies arasées, même en milieu autrefois inaccessibles comme les massifs forestiers (fig. 2). La recherche en archéologie viaire se saisit donc progressivement du drone pour détecter et enregistrer en 2D ou 3D des traces de voies anciennes laissées dans le paysage. Ce type de vestige étant encore trop peu protégé, la diffusion des documents réalisés à partir d’images prises par drone est un moyen de lutter pour sa sauvegarde.

Les acteurs des filières laitières bovine, caprine et ovine françaises se sont regroupés dans le programme PhénoFinlait autour d’un but commun : caractériser la composition du lait en Acides Gras (AG) et protéines afin de la maîtriser. La quantification des AG et des protéines devait être possible à grande échelle et à moindre coût avant d’identifier des leviers permettant d’adapter cette composition à la demande. PhénoFinlait s’est organisé autour de trois objectifs : i) caractériser précisément la composition du lait, ii) phénotyper et génotyper une large population de femelles sur l’ensemble du territoire français et iii)identifier les leviers génétiques et alimentairespermettant de maîtriser cette composition. La spectrométrie dans le Moyen InfraRouge (MIR) a été choisie comme méthode de quantification à haut débit des composants du lait. Elle permet la quantification précise en routine de 15 à 27 AG, des quatre caséines et des deux protéines majeures du lactosérum. Une collecte de données de grande ampleur a été mise en œuvre dans plus de 1 500 élevages bovins, caprins et ovins. Les données de production laitière, les spectres MIR du lait, les informations sur le stade physiologique des femelles et sur la composition de l’alimentation des troupeaux ont été recueillies. Plus de 12 000 vaches, chèvres et brebis ont été génotypées. Finalement, plus de 800 000 données représentatives des situations de l’élevage français ont été stockées dans une base de données destinée à l’étude du déterminisme génétique de la composition en AG et en protéines du lait, et des facteurs d’élevage l’influençant.

Dans le Sud de la Méditerranée, de nombreux bassins versants sont caractérisés par un fonctionnement pluvio-nival où une partie des ressources en eau est stockée en hiver sous forme de neige en montagne alors que la zone de consommation se situe en plaine souvent dominée par l'agriculture irriguée. L'objectif de ce travail est double : (1) évaluer les capacités de la télédétection visible/proche infrarouge pour caractériser la variabilité interannuelle de l'enneigement sur l'Atlas marocain comme alternative aux données in situ éparses sur ces zones difficiles d'accès ; (2) identifier les déterminants climatiques qui gouvernent cette variabilité. Dans cet objectif, nous avons analysé plus de 10 ans d'acquisitions journalières issues du capteur MODIS (produits MOD10A1). Dans un premier temps, nous nous sommes attachés à corriger les produits bruts contaminés par la couverture nuageuse à l'aide de méthodes de filtrage basées sur le voisinage spatial et temporel et nous les avons confrontées à des mesures d'équivalent en eau de la neige mesurée à la station nivale de l'Oukamaïden, près de Marrakech, entre 2009 et 2011. Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé la variabilité interannuelle à l'aide d'indicateurs saisonniers: enneigement maximum et moyen, et date des premières neiges. Enfin, nous avons mis en évidence une relation significative entre la valeur de l'oscillation Nord Atlantique (ONA) moyenne sur le mois de mars et l'enneigement maximum. Nous montrons également qu'il existe une relation significative entre les anomalies de températures de surface de l'Atlantique équatorial et tropical à la fin de l'été et l'enneigement maximum rencontré sur l'Atlas marocain l'hiver suivant. Ces résultats ouvrent des perspectives pour la prévision saisonnière de l'enneigement sur la région.

Les lasers à cascade quantique émettant dans le moyen-infrarouge sont des lasers semi-conducteurs unipolaires qui sont devenus des sources couramment utilisées pour des applications telles que la spectroscopie de gaz, les communications en espace libre ou les contre-mesures optiques. Appliquer une perturbation externe, typiquement une contre-réaction optique ou de l’injection optique, entraîne une forte modification des propriétés d’émission du laser à cascade quantique. La contre-réaction optique influe sur les propriétés statiques du laser Fabry-Perot ou à contre-réaction répartie, conduisant à une augmentation de la puissance, à une diminution du seuil, à une modification du spectre optique qui peut devenir monomode ou multimode, et à une amélioration de la qualité de faisceau dans les lasers à ruban large fortement multimode transverses. Cela induit également un comportement dynamique différent, et un laser à cascade quantique soumis à de la contre-réaction peut osciller périodiquement ou même devenir chaotique : ce travail présente la toute première observation d'instabilités optiques dans le moyen-infrarouge. De plus, une étude numérique de l’injection optique montre que les lasers à cascade quantique peuvent se verrouiller optiquement sur une plage de plusieurs gigahertz, sur laquelle leur stabilité devrait être accrue et leur bande passante de modulation significativement augmentée. Une dynamique prometteuse apparaît également en dehors de la zone de verrouillage, avec l’apparition d’oscillations périodiques à une fréquence accordable ainsi que des événements isolés de forte intensité. Un laser à cascade quantique soumis à un contrôle externe peut donc être une source très performante pour les applications moyen-infrarouges usuelles, mais pourrait aussi en adresser de nouvelles, telles que des oscillateurs photoniques accordables, des générateurs d’événements rares, des LIDAR chaotiques, des communications sécurisées par chaos ou des contre-mesures imprévisibles
Mid-infrared quantum cascade lasers are unipolar semiconductor lasers, which have become widely used sources for applications such as gas spectroscopy, free-space communications or optical countermeasures. Applying external per-turbations such as optical feedback or optical injection leads to a strong modification of the quantum cascade laser prop-erties. Optical feedback impacts the static properties of mid-infrared Fabry-Perot and distributed feedback quantum cas-cade lasers, inducing power increase, threshold reduction, modification of the optical spectrum, which can become either single- or multimode, and enhanced beam quality of broad-area transverse multimode lasers. It also leads to a different dynamical behavior, and a quantum cascade laser subject to optical feedback can oscillate periodically or even become chaotic: this work provides the very first analysis of optical instabilities in the mid-infrared range. A numerical study of optical injection furthermore proves that quantum cascade lasers can injection-lock over a few gigahertz, where they should experience enhanced stability and especially improved modulation bandwidth. Furthermore, some promising dynamics appear outside the locking range with periodic oscillations at a tunable frequency or high-intensity events. A quantum cascade laser under external control could therefore be a source with enhanced properties for the usual mid-infrared applications, but could also address new applications such as tunable photonic oscillators, extreme events gen-erators, chaotic LIDAR, chaos-based secured communications or unpredictable countermeasures

Élaborer et caractériser de nouvelles compositions de matériaux chalcogénures présentant des effets non linéaires pour l'optique intégrée et réalisation de guides d'onde à faible pertes de propagation
Elaboration and characterization of new compositions of chalcogenide materials exhibiting nonlinear effects for integrated optic applications and fabrication of low-loss waveguides

L'observation d'exoplanètes et plus généralement de l'environnement proche de jeunes étoiles représente une double difficulté observationnelle : la faible séparation angulaire entre l'étoile et la planète (ou son environnement tel qu'un disque protoplanétaire) et le contraste de flux. L'une des techniques permettant de surmonter ces difficultés est l'interférométrie en frange noire. Deux télescopes pointent un système étoile planète/disque et les pupilles sont recombinées de telle manière que les photons issus de l'étoile interfèrent destructivement alors que ceux issus de la planète/disque interfèrent constructivement. Les contraintes instrumentales sont très fortes pour garantir une extinction suffisante de l'étoile, tant en terme de différence de marche optique (de l'ordre du nanomètre) que d'équilibre photométrique (4% minimum pour obtenir un taux d'extinction de 40dB). La bande L (3.4 - 4.1μm) est adaptée à l'observation de matière froide, car le rapport de flux entre la planète (ou poussière stellaire) et son étoile présente un minimum de l'ordre de 10−4 après 3μm, ce qui rend la bande L particulièrement attractive pour ce genre d'observations. Parce que les silicates et le verre ne permettent pas de construire des guides atteignant la bande L, il n'existe pas aujourd'hui d'instrument mature fonctionnant dans cette bande en optique intégrée. En effet, les contraintes instrumentales concernant l'interférométrie annulante peuvent être relaxées en utilisant un interféromètre intégré monomode, grâce au filtrage modal. Un instrument interférométrique intégré en bande L serait donc le bienvenu, mais cela nécessite un effort technologique de développement pour mettre au point une méthode de production de guides monomodes en bande L ainsi que de recombineurs intégrés. Mon travail de thèse a consisté à développer de tels guides d'onde ainsi que des recombineurs permettant d'obtenir un taux d'extinction de 10−4 sur la bande L. Le matériau choisi est le Niobate de Lithium (LiNbO3) dont la transparence en infrarouge moyen en fait un parfait candidat. Nous avons utilisé deux méthodes pour fabriquer les guides : l'échange protonique et la diffusion de Titane. Cette dernière méthode permet de guider les deux polarisations T E et T M . Comme le Niobate de Lithium est électro-optique, nous avons aussi travaillé à piloter le retard de phase entre les voies interférométriques de manière intégrée, sans pièce mécanique mobile, en appliquant un champ électrique au niveau du guide via des électrodes "on chip". L'effet électro-optique nous permet non seulement de faire varier la différence de marche entre les voies mais aussi de régler l'équilibre photométrique, ouvrant la voie à la réalisation d'un interféromètre intégré complet, léger, compact et robuste. J'ai donc cherché à caractériser et optimiser l'efficacité électro-optique du système afin d'obtenir une tension de commande inférieure à 15V. Le résultat est un interféromètre de type Y présentant deux Mach-Zehnders en entrée pour le réglage des photométries et offrant un taux d'extinction de 33dB en lumière monochromatique à 3.39μm. Le pilotage électro-optique étant très rapide (> MHz), il devient alors possible de compenser les perturbations de phase induites par l'atmosphère (1kHz) en temps réel. Nous avons ainsi travaillé à construire un démonstrateur qui permet de compenser des retards de phases de l'ordre du kHz sans pièce mobile, garantissant, à 3.39μm, une différence de marche de l'ordre de 3nm. Nous avons aussi réalisé des coupleurs directionnels dont le taux de couplage peut être modulé via une tension de commande. L'application directe de cette technologie est un composant interférométrique 2TABCD ou 3TAC dont les défauts (déséquilibre des coupleurs) peuvent être corrigés par calibration
The observation of exoplanets and more generally of the close environment of young stars represents an observational double difficulty : the small angular separation between the star and the planet (or its environment such as a protoplanetary disk) and contrast flux. One technique to overcome these difficulties is the nulling interferometry. Two telescopes target a star planet/disk system and the pupils are recombined in such a way that the photons from the star cause destructive interference while those from the planet/disk cause constructive interference. Instrumental constraints are very strong to ensure sufficient extinction of the star, both in terms of optical path difference (of the order of nanometers) than photometric balance (4% for a minimum extinction ratio 40dB). L-band (3.4-4.1μm) is adapted to the observation of cold matter, because the flux ratio between the planet (or star dust) and the star presents a minimum of 10−4 order after 3μm, making the L-band particularly attractive for such observations. Because silicates and glass are not suitable to build guides reaching the L-band, there is currently no mature instrument in this band in integrated optics. Indeed, instrumental constraints on nulling interferometry can be relaxed by using a single-mode interferometer integrated, thanks to modal filtering. An interferometric instrument integrated L-band would be more than welcome, but needs a technology development effort to develop a method of producing L-band single-mode guides as well as integrated beam combiners. My PhD work was to develop such single mode waveguides as well as beam combiners in order to ob- tain an extinction ratio of 10−4 in the L-band. The selected material is lithium niobate (LiNbO3), the mid-infrared transparency makes it a perfect candidate. We used two methods to make the guides : proton exchange and Titanium diffusion. This latter allows to guide both TE and TM polarizations. As Lithium Niobate is electro-optic, we also worked to internally control the phase delay between channels without mobile mechanical part, applying an electric field at the guide via electrodes "on chip". The electro-optical effect allows us to not only vary the optical path delay between channels but also to settle the photometric balance, paving the way towards the realization of an integrated complete interferometer, lightweight, compact and robust. I therefore sought to characterize and optimize the electro-optical efficiency of the system to obtain a command voltage lower than 15V. The result is a "Y" interferometer presenting two Mach-Zehnders as input for photometric adjustment and offering an extinction ratio of 33dB in monochromatic light (3.39μm). Because the electro-optical drive is very fast (> MHz), it becomes possible to compensate for the phase perturbations induced by the atmosphere (1kHz) in real time. We have worked to build a demonstrator which compensates phase delays of the order of kHz without mechanical mobile part and which guarantees, at 3.39μm, an optical path delay around 3nm. We also realized directional couplers whose coupling ratio can be adjusted via a control voltage. The direct application of this technology is an interferometric component 2TABCD or 3TAC whose defects (unbalanced couplers) can be electrically corrected by calibration

Le lointain infrarouge (16 µm < λ < 30 µm) est un domaine important pour des applications telles que la détection de large molécules organiques (dont les empreintes d'absorption tombe dans cette gamme de longueur d'onde) et pour la radio-astronomie (oscillateurs locaux pour la détection hétérodyne). Malheureusement, cette fenêtre de transparence atmosphérique, communément appelé la 4eme fenêtre de transparence, est un domaine quasi inexploré.Les LCQ sont des sources de lumière cohérentes, couvrant une gamme allant du moyen infrarouge jusqu'au THz, basées sur l'ingénierie de structures de bandes de matériaux semi-conducteurs. Ils démontrent d'excellentes performances dans le domaine du proche infrarouge mais leur efficacité diminue dans la 4ème fenêtre et au-delà.L'un des buts de cette thèse est le développement d'une nouvelle génération de LCQ capable de couvrir cette zone spectral avec de bonnes performances, en terme de puissance de sortie du dispositif et de température maximale d'opération. Un point clé dans cette optique est l'utilisation d'un nouveau système de matériaux pour ces longueurs d'onde : l'InAs/AlSb. L'avantage de cette solution réside dans sa très faible masse effective : 0,023 m0 (comparée à 0,043 m0 dans les puits d'InGaAs), qui permet d’obtenir un gain plus élevé, résultant dans l'amélioration significative des performances.Une autre approche fondamentalement différente réside dans le régime de couplage fort. L'utilisation d'un temps caractéristique ultra-rapide, associé aux oscillations de Rabi, peut permettre dans un premier temps de réaliser des sources électroluminescentes avec un meilleur rendement quantique (comparé à une transition inter-sous-bandes nue). Les pseudos particules qui découlent du régime de couplage fort dans les transitions inter-sous-bandes (appelés polaritons inter-sous-bandes) peuvent sous certaines limites se comporter comme des bosons. On entrevoit alors la possibilité de réaliser des sources cohérentes basées sur la relaxation d'un condensat polaritonique
The far infrared (16 µm < λ < 30 µm) is an important area for applications such as detecting wide organic molecules (whose absorption fingerprints falls in this wavelength range) and for radio-astronomy (local oscillator for the heterodyne detection). Unfortunately, the atmospheric transparency window, commonly called the 4th transparency window is almost unexplored.QCL are coherent light sources, covering a range from infrared to THz, based on the engineering of band structures of semiconductors. They have excellent performances in the mid infrared but their effectiveness diminishes in the 4th window and beyond.One aim of this thesis is the development of a new generation of QCL able to cover this spectral region with good performance in terms of output power and maximum operating temperature. A key point in this context is the use of a new material system for these wavelengths: InAs / AlSb. The advantage of this solution is its very small effective mass : 0.023 m0 (compared to 0.043 m0 in the InGaAs wells), which provides a higher gain, resulting in significant performances improvement.Another fundamentally different approach lies in the strong coupling regime. Using an ultra-fast characteristic time associated with Rabi oscillations, can allow the realization of emitting sources with improved quantum efficiency (compared to an bare inter-subband transition). pseudo particles arising from the strong coupling regime in the inter-subband transitions (called polaritons inter-sub-bands) may under certain limits behave as bosons. One then sees the possibility of coherent sources based on the relaxation of a polariton condensate

Cette thèse de doctorat, financée dans le cadre d’un projet Européen Marie-Curie H2020 SUPUVIR, porte sur la conception et la fabrication de nouvelles fibres optiques de verres infrarouges permettant de produire un large spectre d’émission dans l’infrarouge moyen par génération de supercontinuum. Les applications couvrent la spectroscopie, la détection optique d’espèces chimiques et moléculaires, le traitement des matériaux et l'imagerie biomédicale. Plusieurs fibres optiques avec différents structures photoniques et différent matériaux infrarouges ont été réalisées et étudiées. En collaboration avec l'Institut de technologie des matériaux électroniques à Varsovie, nous avons dans un premier temps développé des fibres microstructurées en verre d’oxyde de métal (PBG81) et nous avons démontré avec ces fibres la génération efficace de supercontinuum de 0.89 µm à 2.5 µm, limité par l’absorption du verre. Ensuite, nous avons conçu en partenariat avec l’Université de Rennes et l’Université Technique du Danemark des fibres microstructurées à base de verres chalcogénures (As38Se62) avec un maintien de la polarisation. Ces fibres ont permis de générer un supercontinuum de 3.1 à 6 µm linéairement polarisé. Les capacités de tenue à la puissance laser de ces fibres chalcogénures ont été également analysées. Afin d’étendre cette bande d’émission, des fibres étirées en verre Ge10As22Se68 à très petit cœur ont été ensuite réalisées. Enfin, nous avons développé un système compact comprenant une série de fibres de silice, de verre fluoré, et de verre chalcogénure, pompé par un laser à fibre à 1.55 µm, et permettant d’étendre la gamme d’émission de 2 à 10 µm. Ces travaux de recherche constituent ainsi une étape importante vers le développement de sources fibrées, stables et compactes pour diverses applications dans l’infrarouge moyen
This doctoral thesis, funded within the framework of a European Marie-Curie H2020 SUPUVIR project, focuses on the design and fabrication of new photonic crystal fibers from infrared soft glasses making it possible to produce a wide emission spectrum in the mid-infrared (IR) wavelength region through generation of supercontinuum (SC). Applications of mid-IR SC sources cover infrared spectroscopy, optical detection of chemical and molecular species, materials processing, and biomedical imaging. An alternative to conventional thermal light sources, mid-IR sources have broad spectral bandwidth like a lamp or Globar and high brightness, which is more than 20 times of the sun focussed in a small spot similar to a laser. Several optical fibers with different photonic structures and different soft glasses have been produced and studied. In collaboration with the Institute of Electronic Materials Technology in Warsaw, heavy metal-oxide glass (PBG81) microstructured fibers were first developed and with these fibers we demonstrated the efficient generation of SC from 0.89 to 2.5 µm, limited by the absorption of the glass. Then, in partnership with the University of Rennes and the Technical University of Denmark, we fabricated microstructured fibers based on chalcogenide glasses (As38Se62) with polarization-maintaining property. These fibers have made it possible to generate a linearly polarized 3.1 to 6 µm supercontinuum. SC bandwidth was further extended between 1 µm and 7.4 µm in taper fibers produced from Ge10As22Se68 glass. The laser power handling capacities of these chalcogenide fibers were also analyzed. Finally, we have developed a compact mid-IR SC system using a fiber cascade comprising of silica, fluoride, and chalcogenide fiber, pumped by a fiber laser at 1.55 µm, and making it possible to extend the emission range from 2 to 10 µm. This research work thus constitutes an important step towards the development of stable and compact fiber SC sources for various applications in the mid-infrared

Depuis 1994, les lasers à cascade quantique se sont imposés comme la source laser à semiconducteur de choix dans le domaine du moyen et du lointain infrarouge. Comme la plupart des molécules chimiques possèdent des bandes d'absorption entre les niveaux de rotation-vibration qui se situent dans le moyen infrarouge, les lasers à cascade quantique sont particulièrement adaptés aux applications telles que la spectroscopie, la détection de gaz à l'état de traces ou l'imagerie médicale. Une des voies de recherche actives est aujourd'hui leur optimisation en vue de leur miniaturisation et de leur intégration dans des microsystèmes de détection.
Ce travail de thèse présente l'étude et l'optimisation du confinement optique vertical dans des hétérostructures lasers à cascade quantique épitaxiées sans couche de confinement supérieure. Ces structures sont intéressantes puisqu'elles sont adaptées à la fois au guide à plasmons de surface et au guide avec un confinement par air. En menant une étude approfondie de la répartition du mode optique et du courant électrique, nous avons conçu des structures originales qui ouvrent notamment de nouvelles perspectives sur l'utilisation de ces lasers pour la détection de fluides. Nous avons également montré que l'observation par microscopie en champ proche est un outil précieux pour la caractérisation et la compréhension des lasers à cascade quantique. Finalement, nous posons les bases nécessaires à la réalisation de matrices de lasers monomodes, utilisant la technologie des cristaux photoniques.

L’objectif de cette thèse est la fabrication de membranes polymères pouvant être complexées à un textile pour améliorer le confort thermique ressenti. Celles-ci doivent être capables de moduler dynamiquement leurs propriétés optiques dans le moyen infrarouge (MIR) en fonction de leur environnement.La première partie de ce travail présente les notions théoriques liées au confort thermique et mécanismes physiques de transferts hydrique et thermique à travers les membranes textiles. Un état de l’art permet d’identifier les technologies existantes. Il introduit le concept des cristaux photoniques et leur application dans le MIR. Un cahier des charges pour la conception d’une membrane polymère structurée utilisant le principe des cristaux photoniques pour moduler l’interaction du rayonnement thermique humain est établi.La seconde partie de ce travail décrit la méthode de simulation FDTD utilisée pour prédire les propriétés optiques de membranes micro-structurées en fonction de leur géométrie. Une première réalisation en silicium polycristallin a permis de valider le calibrage du modèle numérique et le protocole de caractérisation infrarouge. Le procédé de fabrication utilise les technologies de salle blanche issues de la microélectronique et des microsystèmes.La dernière partie de ce travail est consacrée à l’étude FDTD de membranes polymères microstructurées à partir du modèle ‘in-silico’ calibré. Elle permet de définir des paramètres géométriques permettant de moduler la réflexion des infrarouges ayant une longueur d’onde entre 5 et 15 microns. Un procédé de fabrication est développé qui permet de réaliser des membranes structurées autosupportées aux dimensions appropriées
The goal of this thesis is the manufacturing of polymer membranes that can be complexed to a textile to improve the thermal comfort felt. They must be able to dynamically modulate their optical properties in the mid-infrared (MIR) according to the environmental conditions.The first part of this work presents the theoretical notions related to thermal comfort and both physical mechanisms hydric and thermal transfers through the textile membranes. A state of the art makes it possible to identify the existing technologies. The concept of photonic crystals and their application in the field of infrared medium are presented. This part ends with the establishment of specifications for the design of a structured polymer membrane using the principle of photonic crystals to modulate the interaction of human thermal radiation.The second part of this work describes the method of finite differences in time domain simulation (FDTD) used to predict the optical properties of micro-structured membranes as function of their geometric characteristics. A first realization in polycrystalline silicon authorizes the validation of the numerical model calibration as well as the protocol of the infrared characterization. The manufacturing process uses cleanroom technologies from microelectronics and microsystems.The last part of this work is devoted to the study by FDTD of microstructured polymer membranes from the previously calibrated 'in-silico' model. This study makes it possible to define geometrical parameters able to modulate the reflection of the infrared having a wavelength between 5 and 15 microns. A manufacturing process is developed which makes it possible to realize self-supporting structured membranes to the appropriate dimensions

Dans le moyen-infrarouge, les barrettes de lasers à cascade quantique sont d’un grand intérêt pour la réalisation de sources large bande intégrables dans les systèmes de spectroscopie laser. Une excellente finesse spectrale, la présence d’un seul mode spatial et une gamme d’accordabilité large sont ainsi rassemblées sur une seule puce, compacte et intrinsèquement stable. Afin de bénéficier de l’ensemble des longueurs d’onde sur une sortie unique, les défis majeurs résident dans l’association de technologies pour rassembler les différentes sorties en une seule via l’utilisation de circuits photoniques intégrés (CPI). Ce CPI peut être séparé en trois briques élémentaires : une filière de guidage passif, un combineur de longueurs d’onde et un coupleur actif/passif. Pour la mise-en-forme du faisceau, nous reportons la fabrication et la caractérisation de guides d’onde en InP/InGaAs/InP gravés profondément, avec des performances proches de l’état de l’art. Nous fabriquons et caractérisons des multiplexeurs basés sur des réseaux de diffraction intégrés, sur filière InP et SiGe. Un multiplexeur de 60-vers-1 voies couvrant la gamme de 7-8,5 µm est réalisé. Une méthode innovante mettant en œuvre des multiplexeurs inter-digités et fonctionnant sur trois ordres de diffraction est démontrée. Finalement, nous réalisons des barrettes de laser à cascade quantique sur InP et sur silicium. Un coupleur adiabatique est dimensionné, fabriqué et caractérisé pour associer efficacement les guides actifs et passifs. Des intégrations de types hétérogène et hybride sont envisagées, avec la première démonstration d’une source accordable utilisant une barrette de lasers et un multiplexeur InP
In the mid-infrared, arrays of distributed feedback quantum cascade lasers have been developed as a serious alternative to obtain extended wavelength operation range of laser-based gas sensing systems. Narrow-linewidth, single mode operation and wide tunability are then gathered together on a single chip with high compactness and intrinsic stability. In order to benefit from this extended wavelength range in a single output beam, the key challenge resides in the combination of different technologies to merge the output of different sources via the use of mid-IR photonic integrated circuits (PIC). The PIC can be split into three main blocks: the passive waveguide platform, the beam combiner and the active/passive coupler. For beam handling and guiding, we report fabrication and characterization of deeply etched InP/InGaAs/InP waveguides with state of the art performances. We fabricate and characterize multiplexers based on echelle and arrayed waveguide gratings on InP and SiGe platforms. A 60-to-1 spectral multiplexer operating in the 7-to-8.5 µm range is demonstrated. An advanced multiplexing scheme using interleaved and cross-order operations is also exposed. Finally, we realize quantum cascade laser arrays on InP and silicon. We design, fabricate and characterize an adiabatic coupler to efficiently and monolithically integrate active and passive waveguides. Heterogenous and hybrid integration are also considered with the demonstration of a tunable source using laser array and InP-based multiplexer

La photonique intégrée offre la possibilité d’exploiter un vaste bouquet de phénomènes optique nonlinéaires pour la génération et le traitement de signaux optiques sur des puces très compactes et à des débits potentiels extrêmement rapides. De nouvelles solutions et technologies de composants pourraient être ainsi réalisées, avec un impact considérable pour les applications télécom et datacom. L’utilisation de phénomènes optiques nonlinéaires (e.g. effet Kerr optique, effet Raman) permet même d’envisager la réalisation de composants actifs (e.g. amplificateurs, modulateurs, lasers, régénérateurs de signaux et convertisseurs en longueur d’onde).Pendant cette dernière décennie, les efforts ont principalement porté sur la plateforme Silicium sur isolant (SOI), profitant du fort confinement optique dans ce matériau, qui permet la miniaturisation et intégration de composants optiques clés (e.g. filtres passifs, jonctions coupleurs et multiplexeurs). Cependant, la présence de fortes pertes nonlinéaires dans ce matériau aux longueurs d’onde d’intérêt (i.e. autour de 1.55 µm dans les télécommunications) limite certaines applications pour lesquelles une forte réponse nonlinéaire est nécessaire et motive la recherche de nouvelles plates-formes, mieux adaptées. L’objectif premier de cette thèse était ainsi l’étude de matériaux alternatifs au Si cristallin, par exemple le silicium amorphe hydrogéné, alliant de très faibles pertes nonlinéaires et une compatibilité CMOS, pour la réalisation de dispositifs photoniques intégrés qui exploitent les phénomènes nonlinéaires. Alternativement, l’utilisation de longueurs d’onde plus élevées (dans le moyen-IR) permet de relaxer la contrainte sur le choix de la filière matériau, en bénéficiant de pertes nonlinéaires réduites, par exemple dans la filière SiGe, également explorée dans cette thèse. Ce travail est organisé de la façon suivante. Le premier chapitre donne un iii panorama des phénomènes nonlinéaires qui permettent de réaliser du traitement tout-optique de l’information, en mettant en évidence les paramètres clés à maitriser (confinement optique, ingénierie de dispersion) pour les composants d’optique intégrée, et en présentant le cadre de modélisation de ces phénomènes utilisé dans le travail de thèse. Il inclut également une revue des démonstrations marquantes publiées sur Silicium cristallin, donnant ainsi des points de référence pour la suite du travail. Le chapitre 2 introduit les cristaux photoniques comme structures d’optique intégrée permettant d’exalter les phénomènes nonlinéaires. On s’intéresse ici aux cavités, avec une démonstration de génération de deuxième et troisième harmoniques qui exploite un design original. Ce chapitre décrit également les enjeux associés à l’utilisation de guides à cristaux photoniques en régime de lumière lente, qui serviront de fondements pour le chapitre 4. Le chapitre 3 présente les résultats de caractérisation de la réponse nonlinéaire associée à des guides réalisés dans deux matériaux alternatifs au silicium cristallin : le silicium amorphe hydrogéné testé dans le proche infrarouge et le silicium germanium testé dans le moyen infrarouge. Le modèle présenté au chapitre 1 est exploité pour déduire la réponse de ces deux matériaux, et il est même étendu pour rendre compte d’effets nonlinéaires d’ordre plus élevé dans le cas du silicium germanium à haute longueur d’onde. Ce chapitre inclut également une discussion sur la comparaison des propriétés nonlinéaires de ces deux matériaux avec le SOI standard. Le chapitre 4 combine l’utilisation d’une plate-forme plus prometteuse que le SOI, avec des structures photoniques plus avancées que les simples guides réfractifs utilisés au chapitre 3 : il décrit l’ingénierie de modes (lents) dans des guides à cristaux photoniques en silicium amorphe hydrogéné et enterrés dans la silice. [...]
Integrated photonics offers a vast choice of nonlinear optical phenomena that could potentially be used for realizing chip-based and cost-effective all-optical signal processing devices that can handle, in principle, optical data signals at very high bit rates. The new components and technological solutions arising from this approach could have a considerable impact for telecom and datacom applications. Nonlinear optical effects (such as the optical Kerr effect or the Raman effect) can be potentially used for realizing active devices (e.g. optical amplifiers, modulators, lasers, signal regenerators and wavelength converters). During the last decade, the silicon on insulator (SOI) platform has known a significant development by exploiting the strong optical confinement, offered by this material platform, which is key for the miniaturization and realization of integrated optical devices (such as passive filters, splitters, junctions and multiplexers). However, the presence of strong nonlinear losses in the standard telecom band (around 1.55 µm) prevents some applications where a strong nonlinear optical response is needed and has motivated the research of more suitable material platforms. The primary goal of this thesis was the study of material alternatives to crystalline silicon (for instance hydrogenated amorphous silicon) with very low nonlinear losses and compatible with the CMOS process in order to realize integrated photonics devices based on nonlinear optical phenomena. Alternatively, the use of longer wavelengths (in the mid-IR) relaxes the constraints on the choice of the material platform, through taking advantage of lower nonlinear losses, for instance on the SiGe platform, which is also explored in this thesis. This work is organized as follows. In the first chapter we provide an overview of the nonlinear optical effects used to realize all optical signal processing functions, focusing on the key parameters that are essential (optical confinement and dispersion engineering) for integrated optical components, and presenting the main models used in this thesis. This chapter also includes a review of the main demonstrations reported on crystalline silicon, to give some benchmarks. Chapter 2 introduces the use of photonic crystals as integrated optical structures that can significantly enhance nonlinear optical phenomena. First we present photonic crystal cavities, with a demonstration of second and third harmonic generation that makes use of an original design. In the second part of the chapter, we describe the main features and challenges associated with photonic crystal waveguides in the slow light regime, which will be used later in chapter 4. In chapter 3, we report the experimental results related to the characterization of the optical nonlinear response of integrated waveguides made of two materials that are alternative to crystalline silicon : the hydrogenated amorphous silicon, probed in the near infrared, and the silicon germanium, probed in the mid-infrared. The model presented in chapter 1 is extensively used here for extracting the nonlinear parameters of these materials and it is also extended to account for higher order nonlinearities in the case of silicon germanium tested at longer wavelengths. This chapter also includes a comparison of the nonlinear properties of these two material platforms with respect to the standard SOI. In chapter 4, we combine the use of a material platform that is better suited than SOI for nonlinear applications with integrated photonics structures that are more advanced that those used in chapter 3. Here we describe the design of (slow) modes in photonic crystal waveguides made in hydrogenated amorphous silicon fully embedded in silica. [...]

Cette thèse de doctorat porte sur la transmission optique en espace libre (FSO) dans la région de l’infrarouge moyen couvrant trois aspects principaux : la transmission FSO à grande vitesse, la communication privée par synchronisation chaotique, et l’intégration de systèmes de communication FSO-RF. Dans le domaine de la transmission FSO à grande vitesse, cette recherche s’intéresse à différents schémas de modulation, de filtrage et d’équalization. Des dispositifs en cascade tels que les lasers en cascade interbande (ICL) et les lasers en cascade quantique (QCL) sont utilisés. Des débits de données allant jusqu’ ´ a 14 Gbps sont obtenus en utilisant des ICL et des photodétecteurs interbandes en cascade (ICIP) dans la fenêtre 3-5 µm. Des QCL et des modulateurs externes bases sur l’effet stark sont également mis en œuvre, permettant d’atteindre des débits de données allant jusqu’ à 68 Gbps. Ces dispositifs offrent une puissance modulée élevée, ce qui les rend adaptes aux transmissions sur de longues distances. La thèse explore également l’application des techniques de synchronisation chaotique pour la communication privée sur les liaisons FSO. Les propriétés chaotiques des sources lumineuses dans l’infrarouge moyen sont exploitées, ce qui permet de dissimuler des messages dans des signaux chaotiques. La complexité du chaos généré permet une transmission privée; les utilisateurs légitimes obtenant de faibles taux d’erreur alors que ceux des utilisateurs non légitimes sont important. En outre, la thèse étudie l’intégration des systèmes de communication FSO et RF. L’objectif est de créer une conversion entre les liaisons FSO à grande vitesse et les liaisons RF. Des techniques de battement hétérodyne sont utilisées, combinant des lasers à cascade quantique pour générer des signaux de battement. Cette approche permet la transmission de signaux FSO sur la bande Ka par l’intermédiaire d’un détecteur QWIP. La recherche démontre la faisabilité de l’intégration FSO-RF, ouvrant des possibilités de combiner les avantages des deux systèmes de communication. Dans l’ensemble, cette thèse présente des avancées en matière de transmission FSO à grande vitesse, de communication sécurisée utilisant la synchronisation chaotique, et d’intégration des systèmes FSO et RF
This doctoral thesis focuses on free-space optical (FSO) transmission in the mid-infrared region covering three main aspects: high-speed FSO transmission, private communication through chaotic synchronization, and integration of FSO-to-RF communication systems. In the field of high-speed FSO transmission, the research optimizes modulation schemes, equlaization for high speed data transmission in the mid-infrared spectrum. Cascade devices such as interband cascade lasers (ICLs) and quantum cascade lasers (QCLs) are utilized. Data rates of up to 14 Gbps are achieved using ICL and interband cascade interband photodetectors (ICIPs). QCLs and external modulators based on electrically modulated absorption are also implemented, achieving data rates up to 68 Gbps. These devices high modulated power, making them suitable for long-distance transmissions. The thesis also explores the application of chaos synchronization techniques for private communication over FSO links. Chaotic properties of light sources in the mid-infrared are leveraged, enabling the concealment of messages within chaotic signals. The complexity of the generated chaos allows for private transmission, with legitimate users achieving low error rates while non-legitimate users experience a higher error rate. Furthermore, the thesis investigates the integration of FSO and RF communication systems. The aim is to create a conversion between high-speed FSO links and RF links. Heterodyne beating techniques are utilized, combining quantum cascade lasers to generate beat signals. This approach enables the transmission of FSO signals over the Ka band through a QWIP detector. The research demonstrates the feasibility of FSO-to-RF integration, opening possibilities for combining the advantages of both communication systems. Overall, this thesis presents advancements in high-speed FSO transmission, secure communication using chaotic synchronization, and integration of FSO and RF systems. The research findings have implications for various fields, including telecommunications, satellite communication, and secure data transmission

La spectroscopie proche infrarouge fait partie des spectroscopies vibrationnelles au même titre que l’infrarouge moyen (MIR) et le Raman. C’est une méthode physicochimique d’analyse basée sur l’interaction entre un rayonnement lumineux dans le domaine proche infrarouge et les molécules de l’échantillon. Cependant, contrairement au MIR et au Raman qui s’intéressent aux vibrations fondamentales de la molécule, le PIR va sonder les harmoniques et les combinaisons de ces modes de vibration. Les spectres sont peu intenses et généralement mal résolus mais peuvent être obtenus très facilement sur des échantillons non préparés. Il en ressort une certaine complexité qui peut expliquer que cette technique soit peu enseignée dans le domaine académique alors qu’elle présente une grande attractivité dans le domaine industriel.

Les moyens d’observation en astronomie n’ont cessé d’évoluer au fil des siècles. L’utilisation de réseaux de télescopes permet aujourd’hui d’avoir des détails de plus en plus fins dans les images obtenues (grande résolution). Dans ce contexte, le projet ALOHA propose une approche totalement originale consistant à changer la couleur de la lumière de l’objet observé au niveau de chaque télescope du réseau avant de la détecter. Cela permet d’éviter d’utiliser des systèmes de cryogénie très coûteux et complexes nécessaires lors de la collecte de lumière moyen et lointain infrarouge. Ce document présente quelques éléments sur nos activités de recherche sur le projet ALOHA.