Pour les applications radioastronomiques, l'interface entre les mondes analogique et numérique est primordiale. Les convertisseurs analogique-numérique (CAN) doivent atteindre une forte résolution et un taux d'échantillonnage de plus en plus élevé pour numériser la plus grande bande passante possible. Pour le futur radiotélescope géant international SKA (Square Kilometer Array), la bande passante requise s'étend de 100 à 1500 MHz. L'objectif de ce mémoire est de concevoir et réaliser un CAN avec la technologie Qubic4X 0,25 µm en SiGeC, capable de dépasser le giga échantillon par seconde (GS/s) pour numériser toute la bande passante, pour des réseaux phasés denses. Deux études de CAN font l'objet de cette thèse. Dans le cadre de ce projet, nous avons analysé les différents blocs afin de minimiser les erreurs statiques et dynamiques pour une architecture parallèle 6 bits. Un premier CAN 6~bits en BiCMOS fonctionnant à une cadence de 1 GS/s a été étudié, réalisé et testé. Les simulations « post-layout » montrent un nombre de bits effectif de 4,6 bits pour une fréquence d'entrée de 400 MHz. La conception du masque permet de tester la puce. Ainsi, la sortie permet de valider le design. Les tests démontrent que le CAN opère à une fréquence maximale de 850 MS/s avec une bande passante de 400~MHz. Cependant, des erreurs persistent empêchant l'utilisation du circuit en raioastronomie. Le CAN consomme 2 Watts. Cette forte consommation est due aux interfaces d'entrées-sorties. Le second CAN bipolaire 6 bits fonctionne à une cadence de 3 GS/s. Ce convertisseur à architecture parallèle est entièrement conçu avec des topologies différentielles bipolaires. La partie numérique utilise une logique à émetteur couplé (ECL). Nous obtenons ainsi pour le second CAN une cadence de conversion élevée. Les simulations « post-layout » montrent que le CAN peut fonctionner à une fréquence de 3 GS/s, nous obtenons ainsi une bande passante de 1400 MHz. Les résultats dynamiques indiquent un nombre effectif de 5 bits pour une consommation de 3 Watts. / For applications in radio astronomy, the interface between the analog and digital domains is of primary concern. Analog-to-Digital Converters (ADC) must be capable of high resolution and extremely high sampling speeds in order to achieve the largest possible band width. For the future giant international radio telescope called the Square Kilometer Array (SKA), the bandwidth required is between 100 and 1500~MHz. The subject of the present thesis is to design and manufacture an ADC using the Qubic4X 0.25 µm technology in SiGeC capable of surpassing giga-samples per second (GS/s) in order to digitise the entire passband for dense phased-arrays. Two ADC designs are presented here. For this project, we analysed different design blocks with the goal of reducing static and dynamic errors in a 6-bit parallel architecture. The first 6-bit ADC which was designed, manufactured, and tested, was in BiCMOS and operated at 1 GS/s. The post-layout simulations showed the effective number of bits to be 4.6 bits with a 400 MHz input frequency. The mask design allowed for testing the chip. In this way, the output validates the design. Tests show that the ADC operates up to a maximum frequency of 850 MS/s with a passband of 400 MHz. However, there are some errors which make the current circuit unusable for astronomy purposes. The ADC runs on 2 Watts. The high power consumption is due to the input and output stages. The second 6-bit bipolar ADC operates at 3 GS/s. It is designed with a parallel architecture entirely using a bipolar differential topology. The digital part uses Emitter Coupled Logic (ECL). With this second chip, we obtain high speed conversion. Post-layout simulations show that the ADC can operate up to 3 GS/s, and we thus obtain a passband of 1400 MHz. Dynamic measurements indicate an effective number of bits of 5 bits with a power consumption of 3 Watts.

Ce travail de thèse porte sur la conception et le développement de capteurs de courant adaptés aux gammes de tensions et de courants d’une installation électrique tertiaire ou industrielle. Ces nouveaux capteurs permettent d’obtenir un contrôle sur la gestion de la consommation électrique, en caractérisant un réseau grâce à la mesure de courant. Ces données transmises devront restituer les variations sur la courbe de charge de façon suffisamment détaillée pour permettre de reconnaître les équipements en fonctionnement.La première partie de ce mémoire présente les études réalisées afin de concevoir les capteurs innovants; afin de répondre aux problématiques liées aux régimes continus et transitoires. Les solutions retenues sont basées sur la technologie Rogowski qui présente notamment l’avantage d’une excellente linéarité ainsi que la mesure d’une large dynamique avec un seul dispositif. Les caractérisations de ces capteurs ont permis de valider ces modèles. La sensibilité, la linéarité et la mesure de la FFT sont certains des paramètres qu’il faut évaluer afin de caractériser les boucles de Rogowski.Les mesures effectuées sur des bancs de mesure au laboratoire et au sein de la société, avec des essais sur le terrain ont permis de spécifier et de concevoir une électronique de mise en forme, en vue d’une réalisation d’un circuit dédié. La seconde partie de ce travail concerne le conditionnement du signal. L’objectif est de rendre un capteur sans fil à l’aide de la technologie Bluetooth Low Energy et l’utilisation d’un système électronique RF utilisant un transmetteur. / Part of the CIFRE contract in collaboration with Qualisteo company, this thesis focuses on the design and development of current sensors suitable for large voltage and current ranges for a tertiary or industrial or electrical installation. These new sensors allows to obtain control over the management of power consumption, featuring a network through the current measurement. These transmitted data will return the variations of the charging curve with sufficient detail to allow to recognize the equipment in operation, limiting at the same time the size of the information provided by several orders of magnitude compared to the original signal.The first part of this thesis presents the work done in order to develop innovative sensors. The developed sensors will proposed an answer to respond to the problems related to continuous and transient states. The solutions are based on the Rogowski technology which has the advantage of excellent linearity and measuring a wide dynamic with only one device. Coil sensitivity, linearity, time domain and FFT measurements are some of the mains parameters to judge the static characteristics of the Rogowski coil.The response of this new sensors have been increased as the design and technologies have been tested. Measurements on measuring benches made by the laboratory and field trials enabled to specify and design an electronic treatment, for the specific purpose of achieving a dedicated circuit.The second part of this work concerns the signal conditioning. The aim is to make the wireless sensor using Bluetooth Low Energy technology and use of an electronic system including RF transmitter implemented.

Ces travaux de recherche adressent le problème de la conception de systèmes de communication capables d'offrir fiabilité et hautes efficacités spectrales avec un lien de retour (partiel) du récepteur vers l'émetteur. De plus hauts débits peuvent être offerts grâce à une connaissance à l'émission du canal de transmission (CSIT) permettant d'exploiter au mieux ses propriétés ; cependant seule la fiabilité de cette information garantit réellement d'atteindre les débits théoriques promis. L'objectif de la thèse consiste à étudier les incertitudes sur le canal de retour, et plus particulièrement la quantification des informations à remonter à l'émetteur ou les erreurs subies lors de la transmission sur la voie de retour. Pour plusieurs degrés de CSIT imparfait, de nouvelles structures d'émission et de réception adaptés à ces imperfections ont été proposées ainsi qu'une caractérisation des limites d'une transmission fiable. La perte d'efficacité spectrale lors de la prise en compte des schémas de modulation et codage (MCS) conduit à s'intéresser à la réduction du bruit de quantification dû aux entrées discrètes. L'attribution des MCS étant établie sur l'information mutuelle, il convient de caractériser les limites théoriques de la communication suite à la prise en compte des erreurs du CSI induites par l'estimation de canal imparfaite et à la quantification du CSI. En cherchant enfin à modéliser les événements d'erreurs survenant sur le lien de retour, un nouveau modèle de voie de retour bruitée est proposé. De plus en raffinant l'information par niveaux successifs (feedback multi-niveaux), le CSI à l'émission peut être utilisé au fur et à mesure de sa réception.

Pour les applications radioastronomiques, l'interface entre les mondes analogique et numérique est primordiale. Les convertisseurs analogique-numérique (CAN) doivent atteindre une forte résolution et un taux d'échantillonnage de plus en plus élevé pour numériser la plus grande bande passante possible. Pour le futur radiotélescope géant international SKA (Square Kilometer Array), la bande passante requise s'étend de 100 à 1500 MHz. L'objectif de ce mémoire est de concevoir et réaliser un CAN avec la technologie Qubic4X 0,25 µm en SiGeC, capable de dépasser le giga échantillon par seconde (GS/s) pour numériser toute la bande passante, pour des réseaux phasés denses. Deux études de CAN font l'objet de cette thèse. Dans le cadre de ce projet, nous avons analysé les différents blocs afin de minimiser les erreurs statiques et dynamiques pour une architecture parallèle 6 bits. Un premier CAN 6~bits en BiCMOS fonctionnant à une cadence de 1 GS/s a été étudié, réalisé et testé. Les simulations " post-layout " montrent un nombre de bits effectif de 4,6 bits pour une fréquence d'entrée de 400 MHz. La conception du masque permet de tester la puce. Ainsi, la sortie permet de valider le design. Les tests démontrent que le CAN opère à une fréquence maximale de 850 MS/s avec une bande passante de 400~MHz. Cependant, des erreurs persistent empêchant l'utilisation du circuit en raioastronomie. Le CAN consomme 2 Watts. Cette forte consommation est due aux interfaces d'entrées-sorties. Le second CAN bipolaire 6 bits fonctionne à une cadence de 3 GS/s. Ce convertisseur à architecture parallèle est entièrement conçu avec des topologies différentielles bipolaires. La partie numérique utilise une logique à émetteur couplé (ECL). Nous obtenons ainsi pour le second CAN une cadence de conversion élevée. Les simulations " post-layout " montrent que le CAN peut fonctionner à une fréquence de 3 GS/s, nous obtenons ainsi une bande passante de 1400 MHz. Les résultats dynamiques indiquent un nombre effectif de 5 bits pour une consommation de 3 Watts.

La protonthérapie est une technique innovante de traitement des cancers dans les zones critiques, telles que les yeux ou la base du crâne. Même si le phénomène physique d'interactions des protons dans les tissus est bien connu et présente des avantages pour la protonthérapie, il existe des incertitudes sur le parcours des protons liées aux hétérogénéités des tissus traversés en situation clinique et liées au calcul des paramètres du faisceau dans le planning de traitement qui contrebalancent les avantages théoriques des protons pour la délivrance de la dose. Des méthodes de contrôle de qualité de l'irradiation ont donc été proposées. La plupart reposent sur l'exploitation de la cartographie des émetteurs de positons générés lors de l'irradiation. Ceux-ci peuvent être détectés et quantifiés à l'aide de la tomographie par émission de positons (TEP), une technique d'imagerie médicale utilisée principalement pour établir le bilan d'extension des cancers par imagerie. Des acquisitions TEP ont donc été proposées et validées sur des fantômes et chez des patients après protonthérapie pour le contrôle du parcours des protons. Le contrôle s'effectue en comparant la distribution radioactive mesurée en TEP et la distribution β+ simulée. La simulation de l'activité positronique générée par les protons dans le milieu traversé peut être décomposée en plusieurs étapes : une étape de simulation du faisceau de protons, une étape de modélisation des interactions des protons dans l'objet irradié et une étape d'acquisition TEP. Différentes modélisations de ces étapes sont possibles. Au cours de cette thèse, nous avons proposé plusieurs modélisations pour les 3 étapes et nous avons évalué l'apport pour la qualité du contrôle de l'irradiation. Nous avons restreint notre évaluation à la vérification du parcours des protons. Ce travail de thèse s'appuie sur des irradiations en milieu homogène et inhomogène (dans un modèle de tête) réalisé au centre de protonthérapie d'Orsay. Les objets irradiés ont été transportés dans le Service Hospitalier Frédéric Joliot pour l'acquisition TEP. Nous avons comparé l'incertitude sur le parcours des protons à partir des modélisations de la distribution β+ obtenues : 1) En modélisant l'irradiation par un faisceau de protons sous une forme simplifiée et par simulation Monte Carlo. En modélisant la production des émetteurs β+ dans les tissus par simulation Monte Carlo avec le logiciel GEANT4 en incluant les modèles de physiques des versions 9.2 et 9.4 et en utilisant des sections efficaces ; 2) En modélisant l'acquisition TEP avec une modélisation simplifiée et une modélisation Monte Carlo de l'acquisition par la caméra TEP ; 3) Les résultats montrent qu'une modélisation simplifiée du faisceau n'affecte pas l'estimation du parcours des protons. La modélisation Monte-Carlo de la caméra permet de mieux modéliser le bruit présent dans le signal TEP mesuré en milieu homogène. Des résultats préliminaires de la modélisation de la caméra TEP sont présentés dans un modèle de tête (inhomogène). En conclusion, une modélisation simplifiée de la caméra TEP permet d'évaluer le parcours des protons en milieu homogène à 1 mm près, qui est équivalent à la reproductibilité de la mesure TEP post-irradiation telle qu'elle est mesurée par Knopf et al. (2008).

Les plasmons de surface (SP) sont des modes du champ électromagnétique confinés à l'interface entre un métal et un diélectrique. De par leur nature hybride, les SP permettent de concentrer et manipuler la lumière à des échelles sub-longueur d'onde. Ces propriétés sans précédent suscitent un grand intérêt, en particulier pour le transport et le traitement de l'information quantique mais aussi pour le contrôle de l'émission spontanée d'émetteurs fluorescents. Les études présentées dans ce manuscrit s'intéressent au couplage de nanostructures plasmoniques avec des nanoparticules luminescentes. L'outil utilisé est un microscope optique en champ proche (SNOM) dans lequel la nano-source de lumière est un nano-objet fluorescent attaché en bout de pointe (sonde active). Cette technique permet à la fois d'augmenter la résolution théorique accessible en SNOM mais aussi de positionner la sonde avec une précision nanométrique et de l'exciter directement grâce à la lumière laser injectée dans la fibre optique. En utilisant uniquement la lumière émise par l'objet, ces pointes ouvrent la voie à des études originales en nano-optique et en plasmonique. Dans ce travail de thèse, deux aspects distincts ont été abordés. D'une part, nous avons étudié les propriétés des plasmons de surface dans le régime de la plasmonique quantique en utilisant pour cela une sonde active fabriquée à base d'un émetteur de photons uniques, le centre NV (nitrogen-vacancy) contenu dans les nano-diamants. Les résultats fondamentaux obtenus sur ce système permettent d'envisager de nombreuses expériences en plasmonique quantique. D'autre part, le travail de développement des sondes actives à base de nanocristaux de YAG (yttrium-aluminum garnet) dopés au cérium a été poursuivi. Ces sondes nous ont permis de démarrer de nouvelles études sur les résonances plasmoniques localisées de particules colloïdales en or.

Au cours de ces travaux de thèse, la synthèse de BODIPYs émettant dans le rouge et le proche infrarouge a été réalisée. Un premier travail d'extension de la conjugaison électronique (soit par introduction de groupements aromatiques sur le corps du BODIPY, soit par dimérisation) a permis d'atteindre les basses énergies du spectre électromagnétique. La validation d'une méthode de synthèse de BODIPYs à l'aide d'orthoesters a permis une mise en oeuvre aisée et une nette amélioration de leurs rendements. Parmi les fluorophores obtenus, les dithiényl-BODIPYs émettant dans la fenêtre thérapeutique (650-900 nm) présentent des propriétés optiques et électrochimiques intéressantes. Ils ont été utilisés pour des applications dans le domaine biologique. Après leur solubilisation dans les milieux aqueux par introduction de groupements ammoniums, la détection d'un acide aminé, la cystéine, a pu être réalisée par spectroscopies d'absorption et de fluorescence mettant en évidence un système ratiométrique. De plus, le marquage d'une protéine modèle, le sérum d'albumine bovine, permet d'envisager l'utilisation de ce type de BODIPYs pour l'imagerie biologique grâce à un rendement quantique de fluorescence élevé en milieu physiologique.

Le contrôle et l'optimisation des propriétés d'émission des nanomatériaux peuvent être obtenus par un couplage efficace entre nanoémetteurs et nanostructures permettant d’obtenir une directivité plus élevée, une dynamique d’émission plus rapide. Il est pour cela nécessaire d’obtenir l'accord spectral de l'émetteur avec les modes de nanostructures, le positionnement spatial du nanoémetteur à l'endroit où l'intensité du mode résonant de la nanostructure est maximale, et une orientation du dipôle nanoémetteur parallèle au champ électrique résonant. En plasmonique les résonances larges des modes permettent un accord spectral facile. L’accord spatial est plus difficile, mais des stratégies ont été mises en œuvre avec succès. Le contrôle de l'orientation du dipôle reste lui un défi. En plasmonique, par exemple, une interaction efficace ne peut être obtenue que pour des dipôles orthogonaux à la surface métallique. La détermination de l'orientation du dipôle émetteur est donc cruciale pour les dispositifs plasmoniques tels que les nano-antennes.Dans ma thèse, j'ai contribué au développement d'une méthode polarimétrie visant à analyser le dipôle émetteur d'un nanoémetteur et son orientation. J'ai effectué des expériences et les ai analysées. Le modèle décrit l'émission d'un dipôle proche d'une interface plane dans un large éventail de conditions expérimentales réalistes, en particulier le cas où le nanoémetteur se trouve à proximité d’un film d'or. Dans cette situation, pour des nanocristaux de CdSe/CdS assimilable à deux dipôles orthogonaux dégénérés, l'imagerie défocalisée n'est pas suffisamment sensible pour fournir des informations quantitatives fiables sur l'orientation de l'émetteur. A contrario, la polarimétrie permet de répondre à cette question. Avec le même modèle, le diagramme d'émission correspondant à l'émission dipolaire en champ lointain pour toutes ces conditions expérimentales a été calculé. En combinant la polarimétrie et l’étude des diagrammes de rayonnement, on peut obtenir des informations sur la structure dipolaire et l’orientation des dipôles. J'ai appliqué cette méthode pour étudier les nanoplaquettes semi-conductrices colloïdales de CdSe/CdS avec différentes formes géométriques : plaquettes carrées minces, plaquettes rectangulaires minces et plaquettes cubiques. J'ai établi une relation entre les structures géométriques des plaquettes et la nature et l'orientation de leurs dipôles émetteurs associés. / Control and optimization of nanomaterial emission properties, can be obtained thanks to efficient coupling between nanoemitters and nanostructures for achieving higher directivity, quicker dynamics. The requirements are the spectral tuning of the emitter to the nanostructures modes, the spatial positioning of the nanoemitter at the location of maximum intensity of the resonant nanostructure mode, and a proper orientation of the dipole nanoemitter. In plasmonics, the spectrally broad resonances make the spectral tuning easy. Whereas for spatial tuning, many strategies have been implemented successfully, the control of the dipole orientation remains a challenge. In plasmonics, for example, efficient interaction can only be achieved for dipoles orthogonal to the metallic surface. The determination of the orientation of the emitting dipole is thus very crucial for plasmonic devices such as nanoantennas. In my thesis, I contributed to the development of a polarimetric method aiming at the analysis of a nanoemitter’s emitting dipole and its orientation. I performed experiments and analyzed them. The model I used describes the emission of a dipole close to a plane interface in a wide range of realistic experimental conditions, including a very common case in plasmonics when the nanoemitter lies close a gold film. In this situation for CdSe nanocrystals which can be considered as two orthogonal degenerated emitting dipoles, the more standard defocused imaging method is not sufficiently sensitive to provide reliable quantitative information on the emitter’s orientation. With the same model, I also computed the emission diagram corresponding to the dipolar emission in far field for all these experimental conditions. By analyzing the emission’s polarization together with the emission pattern, I could determine the three-dimensional orientation of an emitting dipole. I applied this method to investigate the dipolar structure and orientation of colloidal semiconducting CdSe/CdS nanoplatelets with different geometries: thin square platelets, thin rectangular platelets, and cubic platelets. I established a relationship between the geometric structures of the platelets and the dimensionality and orientation of their associated emitting dipoles.

Du fait d'une demande croissante du marché concernant les réseaux de capteurs sans-fil, le développement de nouvelles solutions radio devient nécessaire afin de répondre aux contraintes de coût, de consommation, de débits et de durée de vie de ces domaines d'applications émergents.<br />Associée à ce contexte applicatif, cette thèse propose dans un premier temps une présentation des fondamentaux de la technologie Ultra Large Bande (ULB) suivie par un statut sur la réglementation mondiale et le standard IEEE 802.15.4a ; un cahier des charges d'un émetteur impulsionnel est ainsi établi. Confronté à un état de l'art des générateurs d'impulsions, il met en lumière la nécessité de développer de nouveaux émetteurs, ce que nous proposons à travers une architecture basée autour d'un DAC RF différentiel fonctionnant à 4GHz. Un principe novateur de génération de bursts compatibles avec le standard IEEE 802.15.4a est ensuite développé ; il permet de réduire la complexité globale de l'émetteur. Dans un second temps, l'architecture proposée est dimensionnée au niveau de ses blocs numériques et RFs puis son implémentation est effectuée dans la technologie ST CMOS 65nm. Le principe fonctionnel de l'architecture du générateur est validé par la mesure du circuit qui affiche une efficacité de 38pJ par impulsion pour une fréquence de répétition de 500MHz et une puissance moyenne de sortie de 0dBm.

Le sujet de thèse propose une nouvelle génération de réseaux de capteur sans fil base sur impulse radio ultra wide band (IR-UWB) reconfigurable suivant l'application souhaitée et à très basse consommation. La consommation énergétique d’un système de communication sans fil est la contrainte majeure pour le déploiement d’un réseau de capteurs sans fil autonome. Les travaux de recherche présente dans cette thèse ont menés au développement d’un émetteur-récepteur à très faible consommation d’énergie pour les réseaux de capteurs sans fil autonome pour des applications de structural Heath monitoring dans des domaines aéronautique. Une description est faite pour les différents types de technologie de communication sans fil pour la surveillance des structures (SHM). Nous avons détaillé la communication sans fil ultra large bande (UWB) en présentant la technique de communication sans fil UWB par impulsion avec les avantages qu’elle offre pour notre application. Une présentation est faite de l’architecture de l’émetteur-récepteur IR-UWB conçu en détaillant le design complet avec l’intégration de la solution proposée clock-gating pour un système à une grande efficacité énergétique avec une implémentation et validation d’un prototype sur une plateforme FPGA. Une description de la conception et la fabrication d’un système sur puce ASIC de notre design d’émetteur-récepteur IR-UWB avec la technologie CMOS 65nm de st microélectronique et les avantages qu’il offre que ça soit en terme d’efficacité énergétique ou de taille de système. / This Ph.D. Subject proposes the design of a new generation of wireless sensor networks (WSN) based on impulse radio ultra-wide band (IR-UWB), reconfigurable upon the application, reliable and ultra-low power. Applications like structure health monitoring of aerospace structures or portable smart sensing systems for human protection can be targeted. These industrial applications impose very demanding specifications for the wireless communication protocol (in some cases, new services are needed like: localization, clock synchronization, real-time transmission, etc) on one side, and for the circuit design, on the other side, as the ultra-low power circuits are needed. Energy efficiency is the major driver in today development of the wireless sensor networks. We chose impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) technique for our developments. IR-UWB is a very promising technique able to respond to the wireless communication protocol constraints and to energy efficiency constraints.! The objective of this Ph.D. will be to design an ultra-low power IR-UWB transceiver. IR-UWB signal processing techniques has to be study and innovator solution has to be proposed for the implementation of the IR-UWB transceiver. The first prototype will be developed on FPGA boards (and/or USRP boards) and the final IR-UWB transceiver will be an ASIC in CMOS technology. The design of an ultra-low power consumption of the CMOS transceiver will be a major concern. Modern ultra-low power circuit techniques from the nanometrics CMOS design kits will be used. MAC layer adapted to the demands of the application and working on IR-UWB physical layer will be also studied and designed. A microprocessor integration on the chip for power management of the different parts (sensor, communication, computing, energy harvesting) of the system can also be studied. This work will be based on the previous research results obtained in our team in the case of static WSN. This work will take plac! e in the highly stimulating and competitive environment of a E! uropean project.