L'objectif de cette thèse est l'étude de nouveaux matériaux et d'architectures innovantes pour les lasers organiques à l'état solide. Le premier axe de ce travail est consacré à la caractérisation laser d'une nouvelle petite molécule organique appelée " fvin ". L'émission stimulée dans le rouge (vers 650 nm) a été observée dans une couche pure de ce matériau, ce qui est en général impossible dans les colorants organiques en raison du phénomène de " concentration quenching ". La méthode de ruban de pompage de longueur variable (Variable Stripe Length (VSL) technique) a été utilisée pour étudier et mesurer le gain de ce matériau. L'effet laser a été démontré dans une cavité à réseaux de Bragg distribués (DBR) ainsi que sous la forme de laser aléatoire à des intensités de pompe élevées. Le deuxième axe de cette thèse est dédié au design, à la réalisation, à la caractérisation et à la modélisation d'une nouvelle architecture laser organique à cavité externe appelée VECSOL (inspirée de l'architecture traditionnelle des VECSELs inorganiques). Le milieu à gain est une couche de PMMA dopée avec un colorant (Rhodamine 640), déposée par " spin-coating " sur un miroir plan diélectrique. Le laser a été caractérisé avec deux sources de pompage de durées d'impulsion différentes (0.5 ns et 7 ns). Nous avons démontré une émission accordable (sur plus de 40 nm), un faisceau limité par la diffraction et un record d'efficacité de 57% dans une configuration optimisée. La dynamique de l'émission laser a été modélisée grâce aux équations de taux de Tang-Statz-de Mars, adaptées à la géométrie VECSOL. La cavité ouverte de l'architecture réalisée a permis, en outre, l'obtention d'une émission ultraviolette accordable grâce au doublement de fréquence intracavité dans une géométrie VECSOL modifiée.

Les détecteurs et émetteurs travaillant dans la gamme dite Terahertz sont très coûteux et onctionnent généralement à basse température. Les Professeurs Dyakonov et Shur ont proposé en 1993 une théorie sur l'instabilité des ondes de plasma dans un gaz d'électrons bidimensionnel. Cette théorie énonce qu'un transistor peut fonctionner comme détecteur ou source Terahertz quand la longueur de grille est de taille nanométrique. Dans ce manuscrit, nous présentons une source de radiation Terahertz par un Transistor HEMT à base de l'hétérostructures GaN/AlGaN, (cohérente), accordable à température ambiante, relativement intense (0.1 NW), de taille nanométrique et peu coûteuse. En second lieu, nous proposons des détecteurs Terahertz basés sur la technologie GaN/AlGaN et InGaAs/InAlAs et accordables à température ambiante. Notre étude, d'intérêt pluridisciplinaire, vise à explorer les limites physiques et technologiques des performances des transistors HEMT sur l'Emission et la Détection de radiation Terahertz. L'estimation du NEP (Noise Equivalent Power) a également été réalisée. D'un point de vue fondamental, cette étude nous permettra de mieux connaître les propriétés de la détection et de l'émission par un gaz d'électrons bidimensionnel par le biais des ondes de plasma.

Aujourd'hui la détection des COV et autres polluants anthropiques à l'état de trace est un enjeu de plus en plus important pour la surveillance de la qualité de l'air. La spectroscopie infrarouge, permettant de sonder des régions spectrales riches en absorption moléculaire, est une technique appropriée pour une mesure in-situ de la pollution atmosphérique. Ce travail de thèse a ainsi consisté à développer des instruments lasers de mesure multi-polluants de terrain. Un premier projet a consisté à profiter de la disponibilité des lasers des télécommunications émettant dans l'IR proche. Cet instrument a été réalisé sur la base d'une diode laser à cavité étendue (1500 - 1640 nm), couplée à une cellule à réflexions multiples (100 m). La sensibilité de détection a été optimisée en employant une détection balancée et une procédure de moyenne de spectres. La compacité et la sensibilité (< 10-7 cm-1Hz-1/2) obtenues ont permis la quantification de composés, en laboratoire ou in-situ, tels que CO2, CO, C2H2, CH4 et également la détermination du rapport isotopique 13CO2/12CO2 résultant de la combustion de bois. Le deuxième projet a consisté à mélanger deux lasers du proche IR (lasers à fibre dopée) dans un cristal non linéaire (PPLN) afin de produire un rayonnement laser par génération de différence de fréquences dans l'IR moyen (3,15 - 3,43 µm), là où les bandes d'absorption des molécules visées, sont les plus intenses. Les premières études avec cette source montrent la possibilité de détection de l'éthylène (C2H4) et du benzène (C6H6). Les développements, caractérisations et applications de ces instruments, aussi bien dans l'IR proche que moyen, sont détaillés et montrent les avantages de sonder les 2 gammes spectrales.

Ce mémoire est consacre a l'étude des propriétés optiques de molécules organiques encagées dans des matrices solides synthétisées par procede sol-gel. Nous montrons que de tels matériaux peuvent avoir des applications dans les domaines des lasers solides accordables et de l'optique non linéaire. Le procède sol-gel permet de transformer par polymérisation inorganique une solution réactionnelle appelée sol, en un gel solide poreux, appele xerogel. Le sol initial peut être dope avec des molécules organiques qui seront, après gélification, encagées dans les pores de la matrice solide hote. Ce procède étant très riche en possibilités de synthèse, nous avons pu étudier des xerogels de natures très diverses. Nous avons pu constater qu'une même molécule organique présente des comportements très différents suivant le type de matrice hote qu'elle dope. La nature des interactions entre les matrices solides hotes et les molécules organiques dopantes (rhodamines et triphénylméthanes) et leurs conséquences sur les propriétés de ces dernières ont été étudiées. Nous avons pu mettre en évidence deux paramètres de synthèse extrêmement importants quant a leurs conséquences sur le comportement des molécules encagées: d'une part la proportion d'eau présente dans le sol, et d'autre part, la nature de l'environnement initial du ou des atomes (ex: sio#2). C'est grâce a de nombreuses mesures d'optique linéaire et a leur interprétation que nous avons pu mieux comprendre la structure physico-chimique des xerogels dopes dont certains aspects ont, de surcroît, pu être modélises. Nous avons interprète en termes de viscosité apparente des résultats d'analyses temporelles de saturation d'absorption dans des xerogels dopes avec du vert de malachite. En ce qui concerne les applications, les travaux que nous avons effectues indiquent qu'il est possible de choisir le type de la matrice solide afin d'y retrouver les propriétés connues des molécules organiques en phase liquide. Des lasers solides accordables ont ainsi pu être développes. A l'inverse, il est également possible, en choisissant d'autres types de matrice, de synthétiser des matériaux aux propriétés originales. Nous avons ainsi réalise des xerogels dopes que nous avons dénommes optogels (optically active xerogels). Ces optogels constituent des mémoires optiques dont le comportement a été interprète en termes d'effet Kerr a mémoire

Les diodes laser à cavité étendue commerciales offrent une émission monomode continû-ment accordable autour de 1550 nm sur une plage allant jusqu'à 150 nm. De telles performances nécessitent une excellente stabilité mécanique et des ajustements très délicats. De plus, pour éviter tout fonctionnement multimode, la puissance maximale doit être limitée. L'insertion d'un cristal photoréfractif dans le résonateur crée un filtre spectral adaptatif qui permet de relâcher ces contrain-tes. Dans ce manuscrit, nous démontrons et modélisons le fonctionnement d'un tel système.<br />Tout d'abord, nous étudions les conditions requises pour garantir une oscillation monomode stable en absence de cristal. Les processus non-linéaires induisant des mélanges d'ondes (hole bur-ning spectral, échauffement des porteurs et pulsations de la densité de porteurs) et donc des coupla-ges entre modes sont étudiés et pris en compte pour modéliser les conditions de sauts de modes.<br /> Ensuite, nous modélisons le filtre photoréfractif. Son principe de fonctionnement est le sui-vant : la figure d'onde stationnaire du mode est reproduite dans le volume du cristal sous la forme d'une modulation d'indice qui correspond donc à un réseau de Bragg et agit comme un filtre spec-tral. Une stabilisation du mode oscillant est obtenue grâce à l'effet combiné de ce filtre adaptatif et du filtrage passif de la cavité étendue (réseau monté en configuration Littman).<br /> Puis, nous présentons les améliorations apportées par cette technique de filtrage auto-organisable. Expérimentalement, nous démontrons que, grâce une prévention efficace des sauts de modes et des fonctionnements multimodes, une oscillation monomode stable peut être maintenue pour des puissances supérieures à celles atteignables en absence de cristal. Enfin, nous confrontons les mesures aux modélisations de la cavité auto-organisable où les phénomènes de couplage de mo-des et le filtre photoréfractif sont pris en compte simultanément.

Le but de ce travail était de développer des filtres passe-bande RF dans la technologie de PCB, avec trois objectifs principaux. Le premier objectif était de développer des formules de synthèse tosimplify la procédure de conception du filtre. Le deuxième était de parvenir à un rejet wideout bande sans modifier les caractéristiques de la bande de filtrage. Le troisième objectif est de contrôler la fréquence centrale du filtre en utilisant diode varicap. / The purpose of this work was to develop RF bandpass filters in PCB technology,with three main objectives. The first objective was to develop synthesis formulas tosimplify the design procedure of the filter. The second was to achieve wideout-of-band rejection without modifying the in-band filtering characteristics. Thethird objective was to control the center frequency of the filter by using varactordiode.The bandpass filter topology treated in this thesis is based on Stub-LoadedResonators (SLR). The main features of this filter topology were treated. Equivalentcircuits based on J-inverters and susceptance parameters were derived. Based onthese equivalent circuits, synthesis formulas were developed. Simulations werepresented to validate the synthesis theory. For a proof-of-concept, third orderstripline bandpass filters were designed and fabricated based on this synthesis.Analysis technique using odd- and even- mode was achieved on the SLR. Thusresonance odd- and even-mode conditions were derived. These conditions aim toeasily control the first spurious frequency. Moreover, to go further in improving theout-of-band rejection a new technique, called “U corner structure”, was developedand design rules were derived. Based on these design rules an extended out-of-bandrejection was achieved without any modification in the passband and by maintainingthe compactness of the filter. A first spurious frequency was localized at up to ninetimes the working frequency in the case of the Parallel-coupled Stub-Loadedresonator (PC-SLR) filter. Also, by applying this technique into the classicalparallel-coupled filter the first and second spurious frequencies were rejected. Toaddress the issue of tunable filters, the SLRs were correctly loaded by variablecapacitors (varactor diode). The center frequency of the PC-SLR filter was easilycontrolled by maintaining a large out-of-band rejection.

Les techniques permettant de maitriser la vitesse de la lumière, au-delà de l'intérêt scientifique qu'elles suscitent, peuvent être appliquées au domaine radar. Elles permettent, ainsi, de remplacer avantageusement les retards optiques, jusqu'alors réalisés par des modifications géométriques du chemin optique. L’objectif de la thèse est d’étudier la lumière lente et rapide créée par oscillations cohérentes de population dans les amplificateurs à semi-conducteurs.Nous avons évalué théoriquement et expérimentalement les performances d’une ligne à retards accordables, en termes d’amplitude des retards et déphasages accordables, et de bandes passantes. Nous avons aussi étudié l’impact des oscillations cohérentes de population sur les facteurs de mérite de la liaison opto-électronique. La compréhension des mécanismes physiques mis en jeu nous a amenés à proposer des solutions pour contourner les limites identifiées du composant. Nous avons montré qu’il était possible d’utiliser les lignes à retards accordables au delà de l’inverse du temps de vie des porteurs (500 MHz) en utilisant la montée en fréquence des oscillations cohérentes de population par modulation croisée de gain. Nous avons ainsi obtenu des retards accordables de 389 ps à 16 GHz, sur une bande passante instantanée de 360 MHz. Enfin nous avons proposé une architecture permettant d’obtenir des déphasages accordables proches de 180 degrés à haute fréquence, en substituant l’effet du couplage gain-indice, révélé par l’utilisation d’un filtre optique, par l’excitation paramétrique des oscillations cohérentes de population. Nous avons utilisé ce principe, qui permet par exemple d’atteindre un déphasage accordable de 162 degrés à 2,2 GHz, pour concevoir un oscillateur optoélectronique fonctionnant à 2,2 GHz. La fréquence de ce dernier est rapidement accordable sur 6 MHz à l’aide du courant d’injection de l’amplificateur à semi-conducteur. / Slow and fast light is becoming a wide research field driven by an extensive effort to implement this new technology in real applications. Coherent population oscillations in semiconductor optical amplifiers constitute one of the most promising approaches, in particular for the processing of optically carried microwave signals, which includes the control of tunable true time delays and RF phase shifts.We studied theoretically and experimentally the available tunable delays and phase shifts and the associated bandwidths for a microwave photonics link including a semiconductor optical amplifier. We analyzed the influence of the coherent population oscillations on the dynamic range of the link.The understanding of the underlying physical mechanisms led us to propose new architectures in order to overcome the identified limitations of the components. We show how up-converted coherent population oscillations enable to get rid of the intrinsic limitation of the carrier lifetime (500 MHz), leading to the generation of true time delays at any high frequencies in a single semiconductor device. We demonstrated tunable delays up to 389 ps at 16 GHz, with an instantaneous bandwidth of 360 MHz.Lastly we demonstrate how to conceive a RF phase shifter up to 180 degrees at high frequency by forced coherent population oscillations. This effect replaces the enhancement of the coherent population oscillations by gain-index coupling effect, revealed by an optical filter. We used this principle, which enables to achieve a tunable phase shift up to 162 degrees at 2,2 GHz, in order to conceive an optoelectronic oscillator at 2,2 GHz. The frequency of this oscillator is fast tunable over 6 MHz by changing the current of the semiconductor amplifier.

Les travaux presentes dans ce memoire concernent l'etude de l'amplification parametrique en regime femtoseconde. Ils visent surtout son application au developpement de sources femtosecondes accordables dans le visible. Ils touchent egalement a l'utilisation d'un amplificateur parametrique optique en tant que porte ultrarapide amplificatrice pour realiser de l'imagerie en milieu diffusant. Lors de cette etude, nous avons construit une chaine laser femtoseconde basee sur des cristaux de saphir dope au titane. Cette chaine produisait des impulsions a 780 nm de 100 fs de duree et de plus de 1 mj d'energie a un taux de repetition de 20 hz. Elle nous a ainsi permis d'effectuer des etudes sur l'emission conique qui accompagne la generation d'un continuum de lumiere blanche en milieu solide. Une analyse de nos observations experimentales dans le contexte de theories physiques connues telles la generation raman, le melange a quatre ondes et l'effet cerenkov nous a amenes a conclure qu'aucune theorie ne permet actuellement de decrire ce phenomene. Nous avons ensuite construit un amplificateur parametrique optique afin de realiser une source coherente femtoseconde accordable dans le visible. Cette source delivre des impulsions subpicosecondes de plus de 4j et accordables de 470 nm a 700 nm. Nous avons compare ses performances a celles d'un amplificateur parametrique injecte par un continuum spectral. Cette deuxieme source avait l'avantage de produire des impulsions plus courtes (200 fs). En revanche, l'energie de ces impulsions etait moins elevee (1 j), moins stable, et leurs profils spatiaux etaient moins beaux. Enfin, en se servant d'un amplificateur parametrique, nous avons reussi a detecter une mire a travers 20 libres parcours moyens d'une solution aqueuse de microspheres de latex avec une resolution spatiale de l'ordre de 200 m. Nous avons ainsi demontre la possibilite d'utiliser l'amplification parametrique pour realiser de l'imagerie en milieu diffusant.

Le sujet de ce mémoire concerne l'étude de systèmes laser utilisant un cristal de cr#3#+:lisaf comme milieu amplificateur. Ce cristal, découvert en 1989, possède une bande d'absorption, entre 600 et 700 nm, qui encadre la longueur d'onde d'émission des diodes laser rouges en gaalinp (670 nm) et une large bande d'émission dans l'infrarouge proche, entre 800 et 1000 nm. C'est l'un des meilleurs candidats a la realisation de lasers solides accordables pompes par diodes. En prevision de la commercialisation des premieres diodes laser rouges de puissance, nous avons tout d'abord utilise comme source de pompage un laser a krypton ionise emettant a 647 nm et 676 nm. Ce laser nous a permis de tester le cristal de cr#3#+:lisaf dans differentes configurations de fonctionnement. D'une part, en regime continu, nous avons obtenu des performances comparables a celles des lasers a saphir dope au titane; la seule grande difference se situant au niveau des problemes thermiques, beaucoup plus importants dans le cr#3#+:lisaf. D'autre part, en regime impulsionnel, nos systemes laser prouvent que le cr#3#+:lisaf est bien adapte a la production d'impulsions de quelques microjoules, accordables, a un taux de repetition eleve, sur une gamme temporelle s'etalant de la nanoseconde a la femtoseconde. Nous avons, ensuite, defini et realise un laser cr#3#+:lisaf pompe par une diode laser de 500 mw fonctionnant en regime quasi continu. Aujourd'hui (janvier 1994), ce laser est le plus puissant des lasers cr#3#+:lisaf pompes par diode laser rouge mentionnes dans la litterature. Nous avons repris, par la suite, les memes composants optiques pour realiser l'un des premiers lasers cr#3#+:lisaf a modes bloques, pompes par diode, delivrant des impulsions picosecondes accordables sur plus de 70 nm

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire s'inscrit dans l'objectif général d'étudier la faisabilité de filtres monolithiques radiofréquences (RF) à capacités commutées pour la radiocommunication mobile, et de pouvoir procéder à l'analyse et à la conception de ces filtres en technologie standard BiCMOS 0,35 μm. L'analyse comportementale de ces filtres a nécessité la mise au point d'un algorithme original basé sur le formalisme des matrices de conversion, dont le principe général consiste à effectuer une linéarisation des éléments non-linéaires autour du point de fonctionnement grand signal. Cette méthode d'analyse, spécialement utilisée pour l'analyse du bruit de phase des oscillateurs, semble à ce jour parmi les plus rigoureuses et les plus efficaces en terme de temps de calcul pour l'analyse de ce type de filtres. Traditionnellement, à basse fréquence la commande de ces filtres est réalisée à l'aide d'un registre à décalage. Cependant, cette technique n'est pas envisageable en RF. Une solution originale qui consiste à commander le filtre à partir d'un oscillateur en anneau contrôlé en tension et de portes logiques " ou exclusif " a été proposée. Grâce à cette solution, il a été montré que l'association d'un tel circuit de commande appliqué à ce type de filtre présente des avantages importants et par conséquent devrait le rendre beaucoup plus attractif pour les concepteurs. Pour répondre aux spécifications de la radiocommunication mobile, la structure classique du filtre a été optimisée pour réduire le facteur du bruit et augmenter la dynamique, ainsi une nouvelle architecture (filtre LC à capacités commutées) a été proposée. Des simulations ont été réalisées sur l'ensemble du circuit afin de prévoir les dégradations éventuelles qui peuvent être générées par ces circuits lors d'une transmission numérique (ex. p/4-DQPSK) et d'étudier ainsi l'impact du bruit de phase (gigue temporelle) généré par le circuit de commande sur le comportement du filtre. Parallèlement, un prototype composé d'un filtre LC à capacités commutées et de son circuit de commande a été fabriqué en technologie standard BiCMOS 0,35 mm, sur une puce de taille de 1,1 x 1,75 mm². Ce premier circuit a permis de prouver la faisabilité de cette architecture dans le domaine des RF. Les résultats expérimentaux confirment les simulations et sont susceptibles de rendre cette architecture originale attractive pour des applications radiofréquences.