Les lasers à semiconducteurs à cavité étendue en photonique intégrée sont compacts, consomment peu d’énergie, peuvent être produits à grande échelle, et ont une bonne pureté spectrale. Ils constituent donc des sources idéales pour de nombreuses applications en bande C comme les systèmes lidar embarqués ou les transmissions cohérentes de données. Les travaux de cette thèse se placent dans ce cadre et présentent des sources dites hybrides, basées sur l’aboutement d’un milieu à gain (InGaAsP/InP) avec un composant passif en nitrure de silicium (Si3N4). Tout d’abord, un laser hybride composé d’un amplificateur optique à semiconducteur réfléchissant (RSOA) abouté à un réseau de Bragg est étudié théoriquement et expérimentalement. La conception, et la caractérisation de différentes géométries de réseaux de Bragg sur la plateforme Si3N4 sont décrites en détails. Une faible largeur de raie intrinsèque (<10 kHz) et un RIN inférieur à -150 dB/Hz est démontrée sur les lasers hybrides DBR fabriqués. Nous présentons également une source compacte de peigne de fréquences optiques basée sur un micro-résonateur annulaire en Si3N4 injecté par un laser DFB. Le faisceau rétroréfléchi verrouille la fréquence pompe sur une résonance du micro-résonateur et permet de s’affranchir d’un dispositif d’asservissement encombrant de la fréquence pompe. Les non-linéarités Kerr dans le micro-résonateur conduisent à la génération de peignes de fréquences optiques (taux de répétition : 113 GHz ; largeur à -30 dB : 13,6 THz). Des cristaux solitoniques sont aussi observés.

Les capteurs optiques sont de plus en plus intégrés dans les applications de surveillance de la santé des avions commerciaux. Ils permettent de mesurer des paramètres d’intérêts dans différentes zones, à différents niveaux de contraintes environnementales, en bénéficiant des avantages de la technologie de la fibre optique : immunité électromagnétique, poids réduit, applications déportées. Les systèmes embarqués de mesure des concentrations des gaz de combustion, d’un intérêt capital pour la surveillance des émissions polluantes de l’aviation civile, ne sont pas encore déployés dans ces environnements, notamment à cause des fortes contraintes rencontrées aux abords du moteur. Pour répondre à cette problématique, le développement de solutions adaptées à ces environnements, notamment pour le transport de l’information optique et la transduction, est primordial. Dans le cadre de cette thèse nous proposons une méthode optique de détection et une architecture du système adaptés à la mesure de ces gaz en vol. La spectroscopie par modulation de longueur d’onde (SMLO) dans le moyen infrarouge (MIR) associée à une mesure ponctuelle à l’aide d’une sonde réflective permet d’optimiser la sensibilité et l’intégrabilité d’un tel système. Nous proposons une fibre optique antirésonante en silice pour la transmission du signal optique dans les zones à fortes températures. Nous montrons expérimentalement, conformément aux calculs théoriques, que cette fibre permet de transmettre la lumière dans le MIR dans des longueurs d’onde comprises entre 3.8 et 4.7 μm, avec des pertes minimales à l’état de l’art de 0.19 dB/m à 4.03 μm, et est insensible aux courbures pour des rayons de plus de 5 cm. Nous proposons des longueurs d’onde propices à la mesure de CO, CO₂, NO et NO₂ dans un flux de combustion composé de nombreuses espèces chimiques. Nous étudions la faisabilité de la mesure de CO autour de 4.58 μm par SMLO à l’aide d’une simulation analytique, dans le but de trouver les paramètres de modulation optimaux, et d’évaluer l’influence des paramètres environnementaux sur l’incertitude de mesure. Enfin nous proposons des solutions à l’intégration et à la montée en maturité de l’ensemble des éléments possibles du système, en estimant l’importance des verrous technologiques, et en explorant l’existence de solutions adaptées.

Les Oscillateurs Opto-Electroniques (OEO) permettent la génération par voie optique de signaux ultra-pures dans le domaine des micro-ondes, et commencent à être déployés dans différents systèmes, y compris les systèmes de guerre électronique (RADAR, échantillonnage optique). Toutefois la taille des OEOs empêche leur intégration dans des systèmes exigeants en termes de SWaP (size, weight and power consumption). A ce propos, les technologies d’intégration des Circuits Intégrés Photoniques (PICs) offrent la possibilité de fabriquer des composants avec différentes fonctions optiques sur la même puce, avec des avantages sensibles pour la compacité. L’objectif de la thèse est l’étude des performances d’un OEO intégré, dont nous en proposons une architecture avec un PIC hybride InP/SiN. Le Phosphure d'Indium (InP) est le substrat choisi pour la fabrication des composants actifs, notamment diodes laser (DFB), amplificateurs optiques (SOA), modulateurs à électro-absorption (EAM) et des photodiodes (PD). Ces composants sont fabriqués dans une plateforme de fabrication consolidée du III- V Lab. Le PIC passif est fabriqué sur une plateforme Silicon- on-insulator (SOI) avec des guides en Nitrure de Silicium (SiN) pour atteindre des faibles pertes de propagation, développée dans le cadre de cette thèse avec le CEA-Leti de Grenoble. Ces PICs incluent des lignes à retard, pour remplacer la fibre optique, mais aussi des résonateurs en anneau pour la fonction de filtrage électrique. Une étude expérimentale a permis de valider les différentes briques de l’architecture proposée.

L'objectif de cette thèse était d’améliorer la compréhension des mécanismes impliqués dans la relaxation de tissus végétaux en prenant en compte la composition du contenu cellulaire et la microstructure des tissus. L'effet de la température, du pH et de la teneur en soluté sur les temps de relaxation T2 ont été décrits dans le cas de solutions de sucres simples, en première approximation du contenu vacuolaire de fruits charnus. Cela a permis de mettre en évidence, l'impact non négligeable des effets des échanges chimiques sur la relaxation à 1,5T dans des conditions d'imagerie. Par la suite, les effets combinés des échanges chimiques et de la structure compartimentée sur les paramètres de relaxation des tissus végétaux ont été étudiés en prenant la tomate comme modèle de fruit charnu. Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes intéressés aux changements induits par des variations de température dans de gammes de températures où l'intégrité cellulaire est maintenue, la taille des compartiments et la concentration vacuolaire étant supposée constantes au cours de ce processus. Enfin, l'influence de la taille des cellules ainsi que de la teneur en eau a été abordée grâce à l'étude de l'impact de la déshydratation sur des tissus de tomate. Ce travail a permis d'estimer la sensibilité des paramètres de relaxation au cours de ces différents processus, permettant ainsi de proposer une interprétation des variations de T2 observées, prenant en compte les divers mécanismes impliqués.

Les composés organiques volatils oxygénés (COVO), principalement émis par des sources biogènes, jouent un rôle majeur dans la chimie de l'atmosphère, le changement climatique, l'environnement et la santé. Il a été récemment démontré que ces émissions augmentent en cas de stress biotique et/ou abiotique. Les COVO biogéniques peuvent subir une variété de réactions, tant chimiques que photolytiques, et ils sont impliqués dans la formation d'Aérosols Organiques Secondaires (AOS). Ces composés ont été détectés dans diverses régions, mais il y a très peu d’informations sur leurs processus de dégradation sous conditions troposphériques. La compréhension des mécanismes d'oxydation de ces espèces est d'un intérêt fondamental et fournit des données cruciales pour les modèles atmosphériques qui sont utilisés par les responsables politiques pour formuler et décider des stratégies d'amélioration de la qualité de l'air. Cette thèse vise à améliorer les connaissances actuelles sur le comportement de ces COVO, pour une meilleure compréhension de leur impact sur la chimie atmosphérique. Dans ce travail, nous avons présenté une étude détaillée de la dégradation atmosphérique des aldéhydes insaturés en C5-C7 et des alcools insaturés en C5-C8 par ozone, l’atome Cl et le radical OH. Les principaux objectifs étaient de mieux comprendre le mécanisme de réaction et de mettre en évidence leur potentiel à former des AOS. Pour atteindre ces objectifs, nous nous sommes concentrés sur quatres volets : (i) détermination du spectre IR et UV des aldéhydes insaturés en C5-C7, (ii) détermination de la constante de vitesse pour les systèmes COVO + Oxydant étudiés à température ambiante, (iii) identification et quantification des produits en phase gazeuse, (iv) détermination des rendements en AOS. Les études sur les produits ont été menées avec et sans ajout d'un piégeur des radicaux OH. Les expériences ont été réalisées dans huit réacteurs différents, statiques (chambres) ou dynamiques (flux), et diverses techniques analytiques ont été utilisées pour étudier les produits de réaction (FTIR, GC-FID/MS, SPME-GC/MS, HPLC, PTR-ToF-MS, SIFT-MS, PLP-LIF) et la formation de SOA (SMPS, FMPS).

Bien que l’avantage principal des communications optiques est de permettre la transmission des capacités élevées en multiplexant les longueurs d’onde, le traitement des données, par exemple en vue de régénération ou de routage, doit être effectué dans le domaine électrique, nécessitant ainsi des conversions optique-électrique-optique. Cependant, certaines fonctions de traitement pourraient être effectuées plus efficacement directement dans le domaine optique, ce qui est connu par le traitement de signal tout-optique. Comme des nouvelles techniques exploitant la dimension spatiale dans les fibres multimodes ont été proposées afin d'augmenter la capacité de transmission, une meilleure compréhension des effets non linéaires associés aux interactions multimodes est donc souhaitable. Cette thèse visait à explorer le traitement du signal tout-optique dans le multiplexage modal. En particulier, l'objectif était de démontrer comment les effets non linéaires dans les fibres multimodes pouvaient être utilisés pour manipuler les propriétés des signaux, de manière indépendante ou dépendante du mode. Deux types de fibres ont été conçus. La première permet de réaliser certaines fonctions de traitement de signal tout-optique pour tous les modes de la fibre individuellement et simultanément, en utilisant l'effet non linéaire mélange à quatre ondes intramodal. La deuxième fibre a été conçue de manière à réaliser du traitement de signal tout-optique entre différents modes de la fibre, en utilisant le mélange à quatre ondes intermodal.

Cette thèse porte sur l'étude des transitions de phase dans les analogues du bleu de Prusse MnFe et CoFe, à l'équilibre thermique ainsi que photo-induites. La transition de phase à l'équilibre thermique du système MnFe est analysée expérimentalement et théoriquement à l'aide d'un modèle type Landau. Il prend en compte deux paramètres d'ordre : l'instabilité électronique sans brisure de symétrie due au transfert de charge (TC) et la brisure de symétrie. Ce modèle général s'applique à différents types de systèmes, y compris les matériaux spin-crossover, pour lesquels une instabilité électronique et une brisure de symétrie se couplent à la déformation volumique. L'étude de diffraction des rayons X au synchrotron de l'ESRF du processus photoinduit, à l'aide d'une seule impulsion laser ns à l'intérieur de l'hystérésis, met en évidence un processus de nucléation de phase. Les experiences de diffraction des rayons X résolue en temps, réalisées en dehors de l'hystérésis, montrent que l'état électronique de TC photo-induit est de longue durée de vie, en raison de son piégeage structural, et que les deux paramètres d'ordre se découplent dans la dynamique hors équilibre. Des études femtoseconde utilisant le XANES au X-FEL LCLS et la spectroscopie optique, couplées à des calculs DFT, ont permis de caractériser le processus de transfert de charge photo-induit et ses échelles de temps pertinentes. Les résultats sur CoFe répondent à une question de longue date concernant la force motrice du processus, en déterminant le mécanisme comme étant un transfert de charge induit par transition de spin. La dynamique photo-induite dans le système MnFe, étudiée par spectroscopie optique femtoseconde, présente des caractéristiques similaires, avec différentes voies de photo-commutation suivant la longueur d’onde d’excitation.

Le Lanréotide est un octapeptide dicationique qui s’auto-assemble spontanément dans l’eau en nanostructures cristallines liquides (hydrogel) : les nanotubes. Cette propriété a permis la commercialisation d'une formulation originale, la Somatuline®Autogel® par IPSEN en 2001. Une fois injecté, le gel forme un dépôt semi-solide à partir duquel le principe actif est lentement libéré sur une période de 28 jours. La viscosité des gels augmente fortement avec la concentration en peptides, ce qui limite la dose maximale injectable et provoque des douleurs à l’injection. L'ajout de co-solvants comme le polyéthylène glycol diminue la viscosité et prolonge davantage le temps de libération. En effet, ce polymère améliore la solubilité du peptide dans l'eau par complexation avec le dimère. De plus, l'organisation biphasique des gels (phase isotrope ⇌phase colonnaire) permet la formation des faisceaux par la contraction du réseau hexagonal sous l’effet de la force de déplétion engendrée par le polymère. Dans cette thèse, nous avons étudié les effets de plusieurs co-solvants sur la formation et la structure des auto-assemblages en utilisant les techniques de caractérisation physique SAXS et LC-PolScope. Ainsi, nous avons mis en évidence deux catégories de co-solvants selon leurs effets sur l'équilibre entre les phases et la structure des nanotubes : (i) Les co-solvants qui améliorent la solubilité et donc augmentent la concentration critique d'auto-assemblage et forment des faisceaux très ordonnés : NMP, PPG et PVP ; et (ii) les co-solvants peu solubilisant et à faible effet structurant : éthanol, éthylène glycol, propylène glycol et glycérol.

La diffusion Brillouin stimulée (SBS) est un processus d'interaction cohérent, pour lequel la lumière est diffusée à partir des ondes acoustiques générées optiquement. C'est un outil puissant pour le traitement des micro-ondes et des signaux optiques, la détection distribuée et la spectroscopie. Les lasers Brillouin suscitent un très grand intérêt pour leur capacité à produire des largeurs de raie ultra cohérentes. Cette thèse est consacrée à la compréhension des propriétés de bruit des lasers à fibre Brillouin en anneau, fonctionnant avec de multiples ordres de Stokes. Tout d'abord, nous présentons une technique basée sur la méthode de ringdown de la cavité, qui permet de caractériser le coefficient de gain Brillouin directement à partir du sondage de la cavité laser. Ses avantages sont d'obtenir des paramètres à partir d'une seule expérience avec de faibles puissances optiques (quelques 10 milliwatts) pour des cavités courtes (quelques mètres de long, ou cavités intégrées). Deuxièmement, il est démontré qu'une largeur de raie intrinsèque de quelques dizaines de mHz peut être facilement obtenue en cascadant deux lasers Brillouin non résonants (pour lesquels la pompe effectue un seul passage à l'intérieur de la cavité). Afin d'obtenir ces résultats, la stabilité à long terme a été améliorée en utilisant une boucle d'asservissement de type Pound Drever Hall, ce qui nous permet de comparer nos résultats analytiques et expérimentaux. Malheureusement, nous n'avons pas exploré les limites fondamentales de la réduction du bruit en raison du plancher de bruit de notre banc de mesure. Troisièmement, un des travaux majeurs de cette thèse est l'étude analytique et expérimentale des propriétés du bruit, y compris le bruit de fréquence et le bruit relatif d'intensité, d'un laser Brillouin résonant (pour lequel, les ondes de pompe et de Stokes sont résonantes à l'intérieur de la cavité). En particulier, les impacts du facteur de qualité de la cavité fibrée en anneau, le désaccord de gain Brillouin ont été évalués très précisément sur les caractéristiques du RIN du laser telles que la réduction de l'amplitude du bruit et la fréquence de relaxation. Nous soulignons le fait que de nombreuses caractéristiques du bruit de fréquence sont liées aux propriétés du RIN par un couplage entre l'intensité et la phase. Nous montrons que le processus en cascade modifie la dynamique du laser Brillouin par rapport à celle d'un laser Brillouin monomode avec une seule composante de Stokes de premier ordre. Nos résultats expérimentaux sont en excellent accord avec nos simulations, obtenues grâce à notre système non linéaire décrivant le fonctionnement d'un laser Brillouin multi-Stokes. Cette bonne concordance est principalement due à notre capacité : à obtenir des valeurs très précises des paramètres de la cavité et du coefficient de gain Brillouin en utilisant la technique CRDM ; à atteindre une stabilité à long terme (plusieurs dizaines d'heures) ; à contrôler finement le désaccord entre la résonance de Stokes du laser et la fréquence du maximum de gain Brillouin. Nous démontrons expérimentalement pour la première fois que le bruit de fréquence est dégradé en présence d'une diffusion Brillouin anti-Stokes. Nous montrons également qu'un désaccord de gain de l'ordre de quelques centaines de kHz peut dégrader la réduction du bruit d'intensité ou également augmenter la largeur de raie par un couplage amplitude-phase. Toutes ces observations très fines nous permettent donc de fixer les limites fondamentales de tels systèmes laser comme : l'augmentation du bruit due aux ordres anti-Stokes ; le rôle du bruit de pompe et son interrelation possible avec la finesse de la cavité ; l'effet du désaccord inhérent aux ordres de Stokes plus élevés. Toutes ces conclusions sont les clés de la conception et de l'ingénierie de ces lasers à fibre Brillouin, qui suscitent actuellement beaucoup d'intérêt comme en témoignent les travaux en cours dans la communauté scientifique. Cette thèse de doctorat contribue à une meilleure compréhension des lasers Brillouin multi-Stokes.

L’interface graphène/silicium présente un intérêt pour des domaines diverses et variés tels que le photovoltaïque, l’électronique et l’électronique de spin pour ne citer qu’eux. Ce travail de thèse, basé sur la combinaison de mesures de photoémission, de transports et de calculs DFT permet une meilleure compréhension des propriétés électroniques de cette interface ainsi que des mécanismes associés à la formation de la barrière Schottky. Nous mettons en évidence un désancrage du niveau de Fermi à l’interface graphène/silicium ou métal/graphène/silicium. Cela implique que la hauteur de la barrière Schottky peut être contrôlée par modification du travail de sortie du graphène. Les calculs DFT révèlent que ce non-ancrage du niveau de Fermi à l’interface graphène/silicium résulte d’une faible densité d’états induit dans la bande interdite du silicium par le graphène. Nous montrons que ce phénomène est principalement associé à la structure de bande du graphène dont les électrons proches du niveau de Fermi sont en bord de zone de Brillouin conduisant à une longueur d’évanescence des fonctions d’ondes électroniques faible comparée aux métaux classiques. La levée de l’ancrage du niveau de Fermi à l’interface métal/silicium par addition à l’interface d’un feuillet de graphène nous a permis d’obtenir des structures métal/graphène/silicium intéressantes pour l’électronique de spin.