Ces dernières années, un intérêt scientifique croissant s'est manifesté pour le développement de circuits photoniques intégrés dans la gamme du visible et proche ultraviolet (UV) pour adresser des applications telles que la détection sous-marine, l’optogénétique ou encore celle liées à la quantique. Elles nécessitent également des sources lasers monomodes compactes à faible largeur de raie pouvant être obtenues en exploitant le principe de la contre-réaction optique. La conception de fonctions de filtrage intégrées est donc nécessaire pour développer ce type de sources compactes. Ces fonctions doivent être fabriquées à partir de matériaux transparents dans la gamme d’étude. L’oxyde d’aluminium présente un grand potentiel pour la conception de tels circuits grâce notamment à sa large fenêtre de transparence allant du proche ultraviolet au moyen infrarouge. Ce travail est dédié au développement de fonctions optiques intégrées pour le bleu et le proche-UV à partir d’oxyde d’aluminium. Les circuits optiques intégrés sont d’abord conçus par simulation, fabriqués par un intervenant extérieur dans le cadre d’une collaboration, puis caractérisés grâce à un banc optique adapté pour la gamme spectrale d’étude. Des composants tels que des interféromètres multimodes ou des micro-résonateurs en anneau sont présentés. Le développement d’un système de contre-réaction basé sur une diode intégrée et un réseau de Bragg fibré est également étudié et a permis d’affiner spectralement le mode principal de la diode.

Dans le cadre des réseaux optiques passifs (PON), l'évolution vers le 50G-PON, qui vise des débits jusqu'à 50 Gbit/s, s'accompagne de défis techniques liés à l'interférence entre symboles créée par la dispersion chromatique et la bande passante réduite des composants à faible coût utilisés . Pour compenser ces dégradations, l'égalisation du canal s'avère indispensable et peut être mise en œuvre soit par traitement numérique (Digital Signal Processing, DSP), soit par traitement analogique (Analog Signal Processing, ASP). Plus économique et moins énergivore, la solution analogique évite le recours à des convertisseurs analogique-numérique à haut débit onéreux, mais doit composer avec certaines imperfections propres aux solutions analogiques. Cette thèse propose une méthode d'optimisation d'un égaliseur analogique de type FeedForward Equalizer (FFE) basée sur le critère de l'erreur quadratique moyenne minimale, avec une validation expérimentale dans les domaines électrique et optique. Les résultats montrent une réduction notable du taux d'erreur sur les éléments binaires et une amélioration du diagramme de l'œil. Dans un second temps, l'étude examine l'association d'un FFE analogique avec un code correcteur d'erreurs à entrée dure (Hard-Input Forward Error Correction, HI-FEC), afin de comparer cette approche à l'approche numérique. Il est ainsi démontré qu'un FFE analogique couplé à un HI-FEC peut offrir des performances proches de celles d'une solution numérique basée sur un FEC à entrée souple (Soft-Input FEC, SI-FEC), tout en étant plus abordable et moins gourmand en énergie. Ces résultats soulignent la pertinence de l'approche analogique pour répondre aux exigences du 50G-PON.

Cette thèse explore la modélisation, la conception, la caractérisation et l’encapsulation d’amplificateurs optiques intégrés sur nitrure de silicium, utilisant des guides d’ondes en alumine dopée à l’erbium, dans le cadre du projet européen OPHELLIA. Une étude spectroscopique des ions erbium a permis de développer un modèle numérique pour analyser l’impact de l’absorption excitée (ESA), du transfert d’énergie vers le haut (ETU) et de l’extinction de l’émission (quenching) sur les performances des amplificateurs, ainsi que pour estimer les paramètres optimaux afin de maximiser le gain. La première fabrication de circuits photoniques intégrés (PIC) à amplificateurs dopés à l’erbium (EDWA) a révélé des gains en petit signal de 4,5 dB et 18 dB sur puce et sur la section active, respectivement. Une optimisation du design a ensuite permis d’atteindre des gains de 15,2 dB, 19,1 dB et 24,4 dB, avec des puissances maximales de 110 mW, 180 mW et 330 mW, respectivement. L’encapsulation des puces dans un boîtier de dimensions 53 x 45 x 11 mm3 a abouti à un gain de 15 dB et une puissance maximale de 30 mW en sortie.

Le sol est un milieu vivant dynamique qui abrite une diversité de microorganismes responsables du cycle des nutriments, de la promotion de la croissance des plantes, de la suppression des agents pathogènes et de la résilience face aux stress. Parmi les produits du métabolisme des microorganismes du sol figurent les composés organiques volatils (COVs), qui constituent de puissants indicateurs de la qualité et de la santé des sols. Toutefois, une analyse des techniques conventionnelles de détection des VOCs montre que leur potentiel reste sous exploité, en grande partie en raison du faible taux d’identification des composés. Cette recherche explore l’utilisation de la spectroscopie rotationnelle expérimentale afin d’améliorer la détection des COV du sol en fournissant des informations sur la structure moléculaire. À cette fin, un spectromètre à ondes submillimétriques a été développé, spécifiquement conçu pour la détection et l’identification des VOCs du sol. Le spectromètre, basé sur le photomélange, a été assemblé, calibré, et validé. Les points d’améliorations ont été proposé afin de permettre une détection précise des mélanges gazeuses. Par ailleurs, les caractéristiques métabolomiques de trois souches bactériennes environnementales ont été examinés, et leurs cinétiques de croissance ont été mesurées dans un milieu nutritif commun. La production à la demande de mélanges de COV bactériens contribuera à valider l’instrument pour un usage en microbiologie environnementale.

La propagation d’une onde de choc constitue un indicateur essentiel du comportement d’un matériau sous choc. Sa mesure nécessite à la fois la transparence du matériau et une résolution spatio-temporelle suffisante, typiquement de l’ordre du micromètre et de la nanoseconde selon les conditions de choc. À ce jour, aucun système ne combine ces deux caractéristiques. Les systèmes optiques actuels, opérant dans le visible ou le proche infrarouge, offrent la résolution requise, mais uniquement pour des mesures de surface, en raison de la faible transparence des matériaux à ces longueurs d’onde. À l’inverse, les radio-interféromètres pénètrent les matériaux mais leur résolution est limitée par la longueur d’onde (3,19 mm). Après un état de l’art sur les vélocimètres et la transparence des matériaux, nous proposons une architecture fonctionnant en continu dans le moyen infrarouge (MIR), entre 8 et 12 µm. Cette gamme de longueur d'onde offre un compromis entre résolution et pénétration. Le vélocimètre, basé sur un laser accordable, a été caractérisé dans plusieurs configurations. Des essais en laboratoire à basse et moyenne vitesse ont confirmé sa capacité à traverser les matériaux. Des expériences en conditions extrêmes ont ensuite permis de mesurer des vitesses élevées (>4000 m/s) sur des matériaux inertes puis énergétiques. Les résultats, comparés à des simulations par éléments finis, démontrent le potentiel du dispositif pour la mesure continue des vitesses de choc et de détonation.

Cette thèse s'inscrit dans le développement de circuits photoniques intégrés utilisant des verres de chalcogénures, une famille de matériaux aux propriétés remarquables pour la manipulation de la lumière infrarouge. Ces matériaux vitreux se distinguent par leurs propriétés uniques permettant la réalisation de dispositifs pour diverses applications : le traitement de signaux optiques, la détection de molécules par spectroscopie, et la réalisation de sources de lumière intégrées. Dans le cadre de ce travail, différentes compositions de verres de chalcogénures ont été étudiées pour optimiser les procédés de gravure sèche et améliorer leurs performances optiques. Une méthodologie d'analyse quantitative de la rugosité a été développée permettant de modéliser les pertes par diffusion surfacique des guides d'ondes. Des caractérisations optiques systématiques par la méthode de "cut-back" ont permis de valider ces résultats sur l'ensemble des études menées. L'optimisation des conditions de gravure du GeSbSe a conduit à une amélioration significative des performances des guides d'ondes. Les pertes optiques ont été réduites de 65,3% dans le proche infrarouge (1550 nm) et des performances remarquables ont été obtenues dans le moyen infrarouge avec des pertes minimales de 1,45 dB/cm à 4,11 μm. Pour le GaGeSbS dopé erbium, un procédé de gravure cyclique innovant a été développé, conduisant à une augmentation de 60% de l'intensité de photoluminescence à 1550 nm. La première démonstration de guides d'onde en GeBiSe a également été réalisée, ouvrant la voie vers des dispositifs exploitant la diffusion Brillouin. Ces résultats établissent ainsi une plateforme technologique au niveau de l'état de l'art pour la photonique intégrée en verres de chalcogénures.

La nécessité de développer des capteurs de gaz à la fois performants, autonomes et économiquement viables pour évaluer les concentrations de gaz à effet de serre (GES) est cruciale pour répondre aux enjeux climatiques actuels. Cette problématique est particulièrement pertinente pour la surveillance des émissions dans des zones isolées, et pour l’analyse en temps réel sur site. À cet égard, les circuits photoniques intégrés représentent une solution prometteuse, tirant parti de la technologie du laboratoire sur puce. Ce travail a pour objectif d’optimiser les performances des capteurs optiques à base de deux technologies : guide d’onde ridge et interféromètre multimode (MMI), opérant dans le moyen infrarouge (MIR) pour la détection de dioxyde de carbone (CO₂) et le monoxyde de carbone (CO). De ce fait, deux mécanismes distincts de détection ont été explorés : détection par onde évanescente, et détection en volume. Ces mécanismes permettent d’exploiter les interactions entre la lumière et les molécules cibles pour une détection précise des concentrations de gaz. Pour atteindre cet objectif, des capteurs optiques ont été étudiés et optimisés : celle en verres de chalcogénures en raison de leur capacité de transmission dans une plage de longueurs allant de 2 à 20 µm, et en silicium poreux (SiP), dont la morphologie poreuse favorise l'interaction directe lumière-matière avec les molécules qui s'infiltrent dans les pores. Une étude comparative des performances de ces capteurs, en termes de sensibilité, limite de détection (LoD), et de compacité, a été réalisée pour les plateformes étudiées, aux longueurs d’onde de 4,26 µm et 4,6 µm, respectivement.

Cette thèse vise à développer un système intégré et autonome en utilisant la technologie piézoélectrique soit pour l’actionnement ou pour la récupération d’énergie. Nous avons testé cette configuration sur un Lab on Chip (LOC) destiné à des applications médicales et environnementales. Ce LOC est utilisé pour la surveillance des polluants et des toxines dans des échantillons d'eau ou d'air. Pour assurer son bon fonctionnement, le LOC doit intégrer trois éléments essentiels : un système de fluidique, un système de détection et un système d'alimentation. La combinaison de ces trois composantes primordiales permet d'obtenir un dispositif autonome et totalement intégré. Dans le cadre de ce travail de recherche, deux systèmes sont mis en place : le système fluidique et le système d'alimentation. Au sein du premier système, une micro pompe à une membrane piézoélectrique a été étudiée à travers des analyses théoriques et des simulations sur COMSOL Multiphysics, confirmant la capacité du design choisi à pomper des débits importants de deux types de fluides, notamment les gaz et les liquides. Les résultats obtenus de cette étude ont montré que la micro pompe capable de fonctionner à des tensions faibles tout en manipulant des débits importants, pouvant aller jusqu'à plusieurs dizaines de microlitres. Cette capacité permet de répondre aux exigences en matière de quantité de fluide nécessaire à la circulation dans la zone de détection du système de laboratoire sur puce. Une puissance énergétique de l’ordre milliwatt a été calculé pour le bon fonctionnement de la micro pompe et ses modules électroniques. Pour répondre aux exigences énergétiques du système, un micro générateur piézoélectrique a également été développé. Ce dispositif convertit l'énergie biomécanique générée par la flexion du genou en énergie électrique, à travers une poutre piézoélectrique fixée à la face arrière du genou. Pendant la marche, la flexion du genou se transforme en énergie électrique, laquelle est ensuite mise en forme par un circuit redresseur de type AC-DC, rendant cette puissance exploitable par les composants électroniques du système. Les résultats obtenus de cette conversion indiquent que les niveaux de puissance générés augmentent avec l'intensité de la flexion du genou, atteignant des valeurs de dizaines de milliwatts qui se situent dans la plage nécessaire pour garantir un fonctionnement continu et en temps réel de système fluidique. Cette approche contribue à la réalisation d'un système intégré et autonome, optimisé tant sur le plan énergétique que fonctionnel.

Ce travail de thèse est consacré à une architecture photonique originale, la boucle a décalage de fréquence, et à ses applications. Dans un premier temps, nous avons réalisé et caractérise une boucle à décalage de fréquence, dans laquelle le décalage est produit par un modulateur électro-optique. Nous avons démontré des taux de répétitions jusqu’à 20 GHz, et modélise les propriétés de bruit de phase des signaux ainsi produits. Dans un deuxième temps, nous avons démontré la pertinence de cette architecture pour le lidar cohérent. Nous avons réalisé une double boucle à décalage de fréquence permettant de générer deux peignes de fréquences mutuellement cohérents. Nous avons démontré une résolution millimétrique pour un temps d’acquisition de 50 μs, et une électronique de détection relativement lente (10 Mech/s). Dans un troisième temps, nous avons cherché à utiliser cette architecture pour réaliser un capteur acoustique distribue en utilisant la rétro-diffusion Rayleigh dans une fibre optique. Nous avons donc modifie l’architecture précédente en utilisant des décaleurs acousto-optiques. Nous avons pu ainsi mesurer la phase intégrée le long de la fibre ainsi que l’indice distribue, avec une précision de l’ordre de quelques 10−5, une résolution spatiale de l’ordre du cm.

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.