Les capteurs optiques intégrés basés sur des dispositifs optiques guidés en matériaux poreux peuvent détecter efficacement et sélectivement des molécules polluantes présentes dans l’eau, l’air et l’environnement. La structure poreuse permet aux molécules à détecter de s’infiltrer dans les pores, ce qui permet une détection volumique. Cette caractéristique exalte la sensibilité d’un capteur optique intégré et offre aussi la possibilité de détecter une très faible quantité de molécules. Dans ce travail, deux matériaux transparents dans le moyen infrarouge (MIR) ont été étudiés pour le développement de guides d’onde optiques intégrés : le silicium poreux (SiP) et le germanium poreux (GeP). Le SiP est produit par anodisation électrochimique et peut être utilisé jusqu’à la longueur d’onde de 8 µm. Des guides d’onde plan et ridge en SiP ont été développés à partir de substrats de silicium de type P faiblement ou fortement dopés. L’effet de traitement thermique d’oxydation sur le guidage a été étudié. Un test de transduction sur la détection de CO₂ dans le MIR autour de la longueur d’onde de 4.3 µm a été réalisé. Le GeP, quant à lui, est produit par gravure électrochimique bipolaire et permet d’étendre la plage de détection jusqu’à la longueur d’onde de 14 µm. Ce matériau, utilisé pour le développement d’un capteur optique intégré, constitue ainsi un atout considérable étant donné que la plupart des molécules polluantes présentent une bande d’absorption dans le MIR. Des couches homogènes de faibles épaisseurs ont pu être réalisées. Un premier test d’élaboration d’un miroir de Bragg a aussi été effectué.

Les lasers ytterbium sont très utilisés pour la génération d'impulsions courtes et en particulier pour la spectroscopie "dual-comb". Dans ces travaux de thèse, nous avons développé expérimentalement des architectures de lasers à solides dopés ytterbium dans différentes matrices cristallines telles que : Yb:YAG, Yb:Lu:YAG, Yb:Na:CNGG et Yb:CaF_2. Dans ces milieux actifs quasi-isotropes, deux états propres de polarisations orthogonales peuvent osciller simultanément et générer deux trains d'impulsions qui peuvent être synchrones ou asynchrones, selon le type d'architecture de cavité. Nous montrons dans un premier temps, que l'orientation de la polarisation de la pompe est un moyen efficace de contrôle des puissances dans les lasers ytterbium bipolarisation. Les résultats expérimentaux obtenus sont ensuite confrontés à un modèle tenant compte de l'anisotropie de pompage, ainsi que de la saturation croisée dans le milieu actif. Dans un deuxième temps, nous démontrons expérimentalement un double peigne de fréquences dont les trains d'impulsions sont synchrones dans les lasers Yb:YAG et Yb:Lu:YAG bipolarisations à verrouillage de modes passif contenant deux lames quart d'ondes intracavité. Enfin, l'obtention d'un double peigne de fréquences bipolarisations asynchrones dans le laser Yb:YAG ainsi que l'accordabilité des taux de répétition a été démontré.

La pandémie de COVID-19 a souligné la nécessité urgente de développer des techniques de détection rapides et sensibles pour le virus SARS-CoV-2. La Spectroscopie Raman à Effet de Surface Exalté (SERS) émerge comme une solution prometteuse. Cette thèse se concentre sur le développement d'un substrat SERS spécifique pour la détection de la protéine N du SARS-CoV-2, ainsi que des pesticides dans les fruits et légumes. Les chapitres explorent les fondements théoriques de la SERS, offrant un aperçu approfondi de son potentiel dans la détection de biomarqueurs viraux, notamment la protéine N du virus. L'élaboration du substrat SERS à base de nanofils de silicium (SiNWs) décorés de nanoparticules d'argent (AgNPs) est détaillée, mettant en avant l'amplification spectaculaire du signal Raman pour une détection sensible. La détection sélective de la protéine N du virus est réalisée avec succès, démontrant une limite de détection de 1 ng/mL en seulement 20 à 30 minutes. De plus, la polyvalence du substrat SERS est mise en évidence pour la détection de pesticides dans les aliments, offrant ainsi des perspectives importantes pour la sécurité alimentaire. Les résultats obtenus ouvrent des portes pour des applications pratiques dans le diagnostic viral et la surveillance environnementale. Les perspectives de recherche soulignent des axes de développement futurs pour les biocapteurs SERS, notamment l'optimisation des méthodes de fabrication et l'exploration de nouvelles applications dans des domaines variés.

Au cours des dernières années, le besoin en débit des télécommunications a considérablement augmenté. Pour maintenir une avance significative, il est essentiel d’améliorer les réseaux existants et de développer de nouvelles infrastructures plus performantes. Ainsi, les réseaux du futur pourraient être constitués de fibre faiblement multimode afin d’augmenter le nombre de canaux indépendants dans une même fibre. Il faudrait alors transférer les fonctions optiques déjà démontrées dans les réseaux actuels telles que la conversion de fréquence ou la régénération de phase. Cette thèse étudie numériquement et expérimentalement le mélange à quatre ondes sensible et insensible à la phase dans les fibres faiblement multimodes. Les simulations présentées dans cette thèse sont basées sur l’équation non-linéaire de Schrödinger multimode implémentée par une méthode de split-step Fourier. Les simulations ont démontré que la régénération de phase intra- ou inter-modale serait possible. Expérimentalement, la fibre utilisée n’a pas permis de mettre en œuvre du mélange à quatre ondes suffisamment efficace pour réaliser cette fonction optique. Cependant, pour la première fois à notre connaissance, nous avons démontré expérimentalement du mélange à quatre ondes sensible à la phase dans les modes LP01 et LP11 d’une fibre faiblement multimode.

Ces dernières années, un intérêt scientifique croissant s'est manifesté pour le développement de circuits photoniques dans le moyen infrarouge (MIR) dédiés aux applications de capteurs. La présence, dans cette plage de longueurs d'onde, des bandes d'absorption affichées par plusieurs molécules toxiques et polluantes rend les capteurs MIR bien adaptés pour répondre à une gamme diversifiée d'utilisateurs, avec divers avantages tels que des coûts de fabrication réduits et la compacité des dispositifs. Cependant, ces circuits doivent être fabriqués à partir de matériaux transparents dans le MIR. Les verres de chalcogénure (ChGs) et le silicium poreux (SiP) présentent un grand potentiel pour la conception de tels circuits. Les ChGs offrent une large transparence allant du proche infrarouge à 20 µm, tandis que le SiP est transparent de 1 à 8 µm. Les ChGs peuvent être utilisés pour la spectroscopie par champ évanescent, tandis que le SiP peut améliorer l'interaction avec les molécules ciblées grâce à ses pores ouverts permettant la détection de volume. Ce travail est dédié au développement de capteurs optiques intégrés MIR à partir des deux plateformes ChGs et SiP. Les circuit intégrés sont d’abord fabriqués puis caractérisés grâce à un banc optique adapté pour le MIR. Des tests de transduction sont menés pour la preuve de concept avec des analytes en phase gazeuse ou liquide pour des longueur d’onde autour de 4 et de 7µm.

Cette thèse se concentre sur la conception de l'architecture d'un système d'imagerie hyperspectrale active dans le moyen infrarouge, mettant l'accent sur la mesure précoce et précise du stress hydrique chez les plantes. Malgré le potentiel élevé de cette technologie en agriculture, son utilisation demeure limitée en raison du coût des équipements. L'objectif de l'étude est d'améliorer la compréhension technologique et scientifique de l'imagerie hyperspectrale active, en évaluant l'impact du speckle sur les images et en proposant des solutions numériques et optiques. L'intégration d'un diffuseur rotatif a permis de réduire le speckle, tandis que des améliorations de l'éclairage ont préservé la résolution des images. L'étude a révélé que la source laser active induit des distorsions liées au déplacement du faisceau lors de modifications de la longueur d'onde, avec des fluctuations de puissance atteignant environ 20 %. Ces difficultés ont été surmontées grâce à l'utilisation de miroirs motorisés calibrables et d'un anneau de référence, réduisant les fluctuations de puissance à 2,8 % grâce à un algorithme de compensation. En conclusion, le banc expérimental caractérise les échantillons végétaux en termes de stress hydrique, permettant une détection précoce dès le quatrième jour, avec des applications potentielles dans divers domaines pour la caractérisation des matériaux dans une scène observée.

Cette thèse est consacrée à l'étude du transfert de pureté spectrale par injection optique avec la variation de la cohérence du signal injecté. L'idée principale est de distribuer cette forte cohérence à d'autres sources. L'injection optique peut-être défini comme le couplage unidirectionnel entre deux lasers : l'un, appelé maître, alimente en photons la cavité d'un second laser, appelé esclave. Cette technique de synchronisation en fréquence et en phase est couramment analysée à partir des spectres optiques, du comportement temporel ou du bruit d'intensité relatif du laser injecté. Notre analyse est faite grâce à la densité spectrale de puissance du bruit de fréquence, afin de comparer l'influence d'une source externe à la source spontanée interne. Différents lasers accordables sont utilisés pour un contrôle de la cohérence. Un étage de laser à fibre Brillouin (BFL) est ajouté pour former une source plus cohérente (< kHz ou au Hz), avec une longueur d'onde sélectionnable sur la bande C. Un deuxième étage BFL permet d’atteindre 3 mHz. Notre étude se concentre sur le seuil d’accrochage en fréquence, ou la puissance optique minimale requise pour un transfert total de pureté. Lorsque l'on diminue la largeur de raie (30 kHz) d'un facteur 10, le seuil augmente du même facteur; mais seulement de +4 dB pour passer de 3 kHz à 1 Hz. Ceci ouvre la possibilité d'un transfert de grande pureté par injection optique sans pénalité sur la puissance optique.

La demande croissante de débit, principalement pour les réseaux d’accès fixes et mobiles, pousse les acteurs des télécommunications à faire évoluer voire à réinventer les réseaux. Les nouveaux usages offerts aux utilisateurs des réseaux, tels que les nouvelles générations de réseaux mobiles, la télémédecine, le développement du télétravail, des visioconférences, des échanges par visiophonie à usage personnel ou encore la réalité virtuelle sont les principales raisons de ces évolutions. Le réseaux d’accès optique représente les derniers kilomètres du réseau de télécommunications permettant d’apporter la connectivité au plus proche des utilisateurs. Dans cette thèse, nous étudions l’évolution des technologies optiques pour permettre la montée en débit dans les réseaux d’accès. L’utilisation de technique d’amplification optique ainsi que des composants photoniques à l’état de l’art nous permet de montrer des performances à l’état de l’art et compatibles avec l’infrastructure existante. L’utilisation d’un format de modulation d’amplitude multi-niveaux est également étudiée dans le cadre de la montée en débit pour les réseaux mobiles. Un lien optique supportant jusqu’à 27,5 dB de pertes à un débit maximum de 400 Gbit/s est obtenu. Les travaux de cette thèse contribuent à l’évolution des interfaces optiques des réseaux d’accès vers le très haut débit.

La photonique sur silicium offre des solutions pour répondre aux besoins de débits croissants au sein des centre de données, en proposant des composants à bas coût, productibles en grande quantité, compatibles avec les procédés de fabrication de la micro-électronique industrielle et à faible consommation d’énergie. Parmi ces composants, les modulateurs sont des éléments clés dont la fonction est de convertir l’information portée sur un support électrique vers un support optique. Cette thèse étudie numériquement et expérimentalement différentes structures de modulateurs en silicium permettant de moduler efficacement la phase et/ou l’amplitude d’une onde optique. Une attention particulière est portée sur les micro-résonateurs en anneau de par leur efficacité et leur compacité. Une telle structure est modélisée puis étudiée dans différents régimes de modulation. Les propriétés de chirp de ce type de modulateur sont complètement caractérisées numériquement et expérimentalement pour la première fois à notre connaissance, ce qui laisse entrevoir de potentielles applications comme les réductions des pénalités dans les transmissions inter-centre de données. Enfin, des peignes de fréquences électro-optiques sont générés et optimisés avec ce même type de modulateur, grâce à un algorithme d’optimisation. Une très bonne planéité est obtenue pour chaque peigne, relativement au nombre de lignes générées. Avec un taux de répétition approprié, de tels peignes pourraient être utilisés comme des sources multi-longueur d’onde pour les transmissions utilisant le multiplexage de longueurs d’onde.

Les diodes laser accordables émettant dans le spectre bleu/violet (380 nm – 480 nm) trouvent de nombreuses applications dans des domaines scientifiques et techniques tels que les capteurs optiques, les technologies quantiques, ou encore la spectroscopie et la métrologie. Les applications les plus avancées exigent une émission laser de haute pureté spectrale, avec une largeur de raie de l’ordre du kHz, et accordable sur une plage de plusieurs GHz. L’objectif de cette thèse est la réalisation de telles sources. Pour ce faire, nous avons choisi de réaliser un asservissement optoélectronique d’un laser ECDL sur deux références de fréquence différentes. Après l’étude du bruit de fréquence dans les diodes laser afin d’en comprendre les origines et représentations, nous avons réalisé un banc de mesure de ce bruit. D’un point de vue expérimental nous avons réalisé l’asservissement du laser sur une résonance d’un anneau fibré, et mesuré le bruit de fréquence du laser asservi dont la largeur de raie est ainsi réduite de 850 kHz à 20 kHz pour une intégration de 10 ms, correspondant à une réjection de 40 dB du bruit aux basses fréquences. Les expériences suivantes ont été menées sur un résonateur sphérique à modes de galerie en vue de l’asservissement du laser à cavité étendue. Le couplage par fibre biseautée du résonateur sphérique est étudié par une méthode hybride spectrale/temporelle. Cette méthode dynamique met aussi en évidence des effets non-linéaires dans la microsphère, comme l’effet Kerr et les effets thermiques qui sont analysés. En reprenant le même montage et la même méthode que pour l’anneau fibré, l’étude de l’asservissement du laser sur cette microsphère montre une largeur de raie réduite à 91 kHz pour une intégration de 10 ms, avec une perspective d’amélioration à 10 kHz.