Le présent travail de thèse a été effectué dans le cadre du projet CPER-FEDER MATISSE, projet coordonné par l’UTT regroupant deux autres partenaires : Nanovation et l’URCA. Le projet avait pour ambition la croissance des couches minces de ZnO de haute qualité et leur valorisation.Le ZnO cristallin est un semiconducteur à grand gap avec d’excellentes propriétés optiques. Son énergie de liaison excitonique de 60meV est l’une des caractéristiques qui lui valent tant d’attention malgré sa difficile gravure physique qui hypothèque la réalisation de composants photoniques compacts. En effet, la longueur d’onde d’émission du ZnO est de l’ordre de 375nm, impliquant l’utilisation de structures de petite taille dont la réalisation relève des nanotechnologies.Trois objectifs scientifiques ont été poursuivis : l’amélioration de l’extraction de l’émission excitonique dans les couches minces de ZnO par ingénierie de gap en utilisant les cristaux photoniques, l’émission laser et son contrôle et enfin, le transfert d’énergie du ZnO vers les QDots comme couche de phosphores pour la conversion de l’émission UV en lumière blanche. Pour y parvenir, deux technologies ont été utilisées : la croissance PLD (Nanovation) et la structuration par approche top-down délaissée par la communauté scientifique.La thèse traite de la structuration par lithographie électronique combinée à la gravure RIE-ICP et les études scientifiques associées. Les résultats obtenus sont concluants avec parfois des records comme pour le gain (>1000cm-1) et les pertes optiques (<10cm-1). Nous avons également procédé à la réalisation des premiers composants optoélectroniques : laser MIS et photodétecteur MSM / This work was conducted in the framework of the MATISSE project supported by the CPER-FEDER. Coordinated by UTT and including two other partners: Nanovation and URCA, the main project objective was the growth of high quality ZnO thin films and their valorization.ZnO is a wide band gap semiconductor with excellent optical properties. Its exciton binding energy (60meV) is one of the most important characteristics that earned to ZnO more attention despite its physical etching which is difficult to perform. Indeed, the excitonic emission of ZnO occurs approximately at 375nm, which involves the use of small structures whose achievement leads to the use of nanotechnology.Three scientific objectives were pursued: improving the extraction of the excitonic emission in ZnO thin films by engineering the photonic band gap by using photonic crystals, laser emission and control and finally, energy transfer from ZnO to QDots used as phosphors for down conversion of the UV emission to white emission. To achieve this, two technologies were used: PLD growth (Nanovation) and top-down structuring approach neglected by the scientific community.The thesis mainly deals with the structuring by electron beam lithography combined with ICP - RIE and related scientific studies. Conclusive results have been obtained such as high optical gain (>1000 cm-1) and low optical losses (<10 cm-1). We also carried out first optoelectronic components: MIS laser and MSM photodetector

Ces dernières années, les appareils photos/vidéos numériques grand public sont devenus omniprésents. On peut aujourd’hui trouver des systèmes de captures d’images dans toutes sortes d’appareils numériques comme les téléphones portables, les assistants personnels numériques etc. Malgré une augmentation croissante de la puissance et de la complexité de ces appareils, laqualité de la chaîne de capture d’image, composée du couple système optique/capteur est toujours contrainte à des limitations d’espace et de coût. Les défauts introduits sont nombreuxet dégradent considérablement la qualité des images produites : flou, déformations géométriques, artefacts de couleurs, effets de moire, bruits statiques et dynamiques, etc. Une idée intéressante est de corriger ces défauts de manière algorithmique en utilisant la puissance toujours croissante des architectures de traitements. Dans cette thèse nous nous intéressons particulièrement à deux problèmes issues de l’acquisition de l’image par le capteur : le dématriçage de la matrice de Bayer et la réduction du bruit. Dans la première partie, nous décrivons la structure générale de la chaîne de capture d’image dans les appareils photos/vidéos numériques. Nous présentons le rôle, le fonctionnement et les défauts introduits par chacun de ses éléments. Enfin, nous illustrons comment ces défauts peuvent être corriges par des traitements algorithmiques. Dans la deuxième partie, nous montrons comment l’information de couleur est introduite dans les capteurs numériques. Nous présentons ensuite un état de l’art des algorithmes de dématriçage. Un nouvel algorithme de reconstruction de la matrice de Bayer base sur le principe de l’interpolation directionnelle est propose. Il permet d’associer une qualité d’image produite sans artefacts avec une faible complexité de calculs. Pour mieux comprendre les comportements du bruit dans les capteurs numériques, nous énumérons ses différentes sources et leurs dépendances par rapport aux conditions de prises de vues. Apres avoir présenté l’état de l’art des méthodes de restauration des images bruitées, nous nous intéressons particulièrement aux algorithmes de débruitage à voisinage local et plus précisément au filtre bilatéral. Nous proposons un filtre bilatéral pour la mosaïque de Bayer, adaptatif en fonction de la puissance du bruit dans les images. Dans la troisième partie, nous présentons l’implémentation, l’optimisation et la simulation de l’exécution des algorithmes de dématriçage et de réduction du bruit proposes. La plateforme d’implémentation est le processeur TriMedia TM3270 de NXP semiconductors. Nous montrons que nous arrivons à traiter des images de taille 5 méga-pixels en moins de 0,5 secondes et des images de résolution VGA à une cadence supérieure à 25 images par seconde. Finalement, pour des raisons de standardisation, de rapidité d’exécution et de consommation d’énergie, nous avons conçu une architecture dédiée à l’algorithme de dématriçage propose. Cette architecture permet de multiplier par 10 la rapidité d’exécution obtenue sur le processeur TriMedia TM3270 / Digital cameras are now present everywhere. They are commonly included in portable digital devices such as mobile phones and personal digital assistants. In spite of constant improvements in terms of computing power and complexity, the digital imaging chain quality, including sensor and lenses system, is still limited by space and cost constraints. An important number of degradations are introduced by this chain that significantly decrease overall image quality : including blurring effects, geometric distortions, color artefacts, moiré effects, static and dynamic noise. Correcting these defects in an algorithmic way, using the increasing power of embedded processing architecture present in mobile phones and PDAs may appear like an interesting solution. In this thesis we are especially interested in reducing two major defects of the sensor acquisition chain : Bayer matrix demosaicing artefacts and photon noise. In the first part, we describe the general imaging chain commonly used in digital cameras and video devices. We show the function, the inner working and the defects introduced by each of its elements. Finally we exhibit possible ways to correct these defects using algorithmic solutions. In the second part, we introduce the principle of Bayer demosaicing. We present the state of the art and we propose a new method based on a directed interpolation principle. Our method yields a good image quality while retaining a low computational complexity. We then enumerate several noise sources present in imaging digital sensors and their dependencies with imaging conditions. We are particularly interested in local algorithms and more specifically in the bilateral filter. After presenting the state of the art in denoising algorithm, we propose a new adaptive bilateral filter for sensor colour mosaic denoising. In the third part, we present the implementation, the optimization and the execution simulation of the proposed demosaicing and denoising algorithms. The implementation target is the TM3270 TriMedia processor from NXP Semiconductors. We show that it is possible to process 5 megapixels images in less than 0.5 seconds and more than 25 images per second at VGA resolution. Finally, for standardization, execution speed and power consumption reasons, we describe a dedicated architecture for our proposed demosaicing algorithm. This architecture improves the execution speed by a factor of 10 compared to the TriMedia TM3270 processor

La connaissance de la dynamique des matières en suspension (MES) et des turbidités en milieu côtier est un élément clé pour comprendre les écosystèmes marins. Les processus de floculation/défloculation représentent des mécanismes essentiels contrôlant la dynamique des caractéristiques physiques des MES et, par conséquent, leur devenir dans l’environnement. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre la caractérisation des MES et leur variabilité de l’échelle tidale à l’échelle annuelle en mer côtière, en réponse aux différents forçages hydrodynamiques, hydrologiques et biologiques ayant lieu à l’interface entre estuaire et baie. À cette fin, des capteurs optiques et acoustiques ont été déployés in situ, lors de 6 campagnes en mer réalisées en 2016, en vue de caractériser et de quantifier les MES dans la colonne d’eau, à la sortie de l’embouchure de l’estuaire de Seine (France). Une analyse critique des mesures granulométriques issues du LISST-100X est proposée. Un travail de quantification des incertitudes de mesure associées à l’estimation de la concentration en MES a mis en avant le risqué lié à un rinçage insuffisant des filtres et a conduit à définir une masse minimum à filtrer, de l'ordre de 10 mg, quelle que soit la concentration. Ce travail a notamment permis de proposer une méthode d’estimation d’un volume optimal de filtration basée sur une mesure préalable de turbidité de référence. Les mesures à haute fréquence ont montré que la dynamique des caractéristiques physiques des MES en termes de concentration et de taille médiane sont contrôlées par le cycle advection-floculation-sédimentation-remise en suspension. Ces résultats ont permis de hiérarchiser les paramètres de contrôle des processus de floculation. La turbulence a été identifiée comme le principal paramètre de contrôle à l’échelle tidale et semi-lunaire, la taille médiane maximale des flocs étant inversement corrélée à l’intensité des courants. À l’échelle saisonnière, la variation des caractéristiques des MES (taille, densité, vitesse de chute) est liée à la variabilité du contenu en matière organique (MO), avec une floculation favorisée quand le taux de MO particulaire augmente. Ces flocs plus grands et moins denses sont également plus résistants à la fragmentation induite par cisaillement turbulent. Ces travaux ont également permis de discuter le concept de structuration fractale des flocs.La dynamique de la dimension fractale, déterminée en combinant des données in situ de concentration en MES et de distribution en classe de taille, peut traduire des variations de composition des MES, mais peut aussi résulter d'incertitudes de mesure associées aux instruments. Ces dernières sont discutées dans cette thèse. La variabilité saisonnière des caractéristiques des MES est plus prononcée au large que dans la zone sous influence de l’estuaire de Seine. À partir des observations ponctuelles en Baie de Seine et d’une série de mesure long terme dans la zone côtière belge acquise par le laboratoire RBINS, les méthodes acoustiques et optiques sont combinées. Ces dernières ont mis en avant une augmentation de la rétrodiffusion acoustique lorsque la densité moyenne des flocs diminue. / The knowledge of suspended particulate matter (SPM) and turbidity dynamics in coastal waters is essential for studying marine ecosystems. Flocculation/deflocculation processes are crucial mechanisms controlling the dynamics of SPM physical characteristics and thus, the fate of these SPM in the environment. This PhD thesis focuses on the SPM characteristics and their dynamics in coastal waters, from tidal to annual scales, in response to hydrodynamic, hydrological and biological forcing that take place at the interface between estuaries and coastal seas. To this end, optical and acoustic sensors were deployed in situ through 6 field campaigns in 2016, in order to characterize and quantify SPM in the water column, near the mouth of the Seine estuary (France). A critical analysis of LISST-100X measurements in coastal waters is presented. The quantification of uncertainties on SPM concentration measurements is investigated: it highlights the crucial effect of salt retention, and the need for a minimum mass to filter, around 10 mg. A method for estimating an optimal filtration volume based on a reference turbidity measurement is proposed. High frequency measurements show that the dynamics of SPM and median diameter are controlled by the advection-flocculationsedimentation-resuspension cycle.These results allow to classify the factors controlling flocculation processes. Turbulence is identified as the main factor at the semi-diurnal and semi-lunar tidal scales, as the maximum median size of flocs decreases when the tidal currents intensify.At the seasonal scale, the variation of SPM characteristics (size, density, settling velocity) is correlated to the variability of the organic matter (OM) content: in particular, flocculation is enhanced by an increase of the particular OM fraction. The resulting larger and lesser dense flocs are also more resistant to the fragmentation induced by shear. This work also investigates the fractal approach applied to flocs. The fractal dimension variability, calculated by combining in situ data of SPM concentration and particle size distribution, can be associated to variations of the SPM composition, but can also result from uncertainties linked to instrument limitations. The latter are discussed in this PhD thesis. The seasonal variability of SPM characteristics is more pronounced offshore than at the mouth of the Seine estuary. From short-term observations in the Seine Bay and from long-term series in the Belgian coastal zone provided by the RBINS, optical turbidity and acoustic backscatter measurements are combined. They highlight an increase of the acoustic backscatter intensity when mean floc density.

Dans un contexte où les besoins en capteurs de gaz sont de plus en plus importants, en particulier pour la métrologie de l'environnement, il est proposé dans ce travail la réalisation de guides d'onde droits, de guides spirales, de jonctions Y,…, éléments indispensables pour la fabrication de micro-capteurs optiques infrarouges. La réalisation de ces différents éléments, par empilement et gravure de couches amorphes du système ternaire Ge-Se-Te, a nécessité en premier lieu l'étude du dit système. Des couches minces Ge-Se-Te de compositions très différentes ont été déposées par co-évaporation thermique, puis caractérisées en termes d'homogénéité, stabilité thermique, gap optique et indice de réfraction. L'évolution des propriétés en fonction de la composition a ensuite permis de mettre en évidence un domaine de compositions du système Ge-Se-Te particulièrement attractif : dans ce domaine, correspondant aux compositions riches en sélénium (plus de 55 % atomique) et contenant entre 20 et 30 % de germanium, les couches sont en effet monophasées, caractérisées par des températures de transition vitreuse élevées, une grande stabilité thermique, et un domaine de transparence s'étendant de 1 à 16 µm environ. Dans ce domaine de compositions, deux d'entre elles ont été choisies, Ge25Te10Se65 et Ge25Te20Se55, et utilisées pour fabriquer différents circuits d'optique intégrée. Les éléments les plus simples, à savoir des guides d'onde canaux, ont été réalisés en déposant successivement deux couches (Ge25Te10Se65 puis Ge25Te20Se55) sur un substrat silicium, puis en modifiant la géométrie de la couche supérieure d'indice de réfraction plus élevé par usinage ionique, de sorte à obtenir un confinement bidimensionnel de la lumière. Les pertes de propagation de ces guides ont été estimées à 1 dB.cm-1 à la longueur d'onde 1,55 µm. D'autres éléments plus complexes ont ensuite été fabriqués : des guides d'onde courbes pour lesquels les propriétés de guidage ont été obtenues quel que soit le rayon de courbure, des guides spirales ayant donné lieu à un bon guidage de la lumière, des jonctions Y caractérisées par une division satisfaisante de l'intensité lumineuse, ainsi que des interféromètres de type Mach-Zehnder en sortie desquels la lumière a été correctement recombinée. / In a context where the needs for gas sensors are increasingly important, especially for environmental metrology, it is proposed in this work to achieve straight waveguides, spirals, Y-junctions, ..., elements essential for the fabrication of infrared optical micro-sensors. The realization of these elements, by stacking and etching of amorphous thin films from the Ge-Se-Te ternary system, first required the study of this system. Ge-Se-Te thin films of very different compositions were deposited by thermal co-evaporation and characterized in terms of uniformity, thermal stability, optical band gap and refractive index. The evolution of the film properties with the composition was then used to highlight a particularly attractive area of compositions in the Ge-Se-Te system: in this domain, corresponding to compositions rich in Se (more than 55 atomic %) and containing between 20 and 30 atomic % in Ge, the layers are indeed single-phase, characterized by high glass transition temperatures, high thermal stability, and a transparency window extending from 1 to about 16 microns. In this composition region, two of them were selected, Ge25Te10Se65 and Ge25Te20Se55, and used to realize different integrated optics circuits. The simplest elements, which are channel waveguides, were made by depositing successively two layers (Ge25Te10Se65 then Ge25Te20Se55) on a silicon substrate, and then by modifying the geometry of the higher refractive index top layer by ion beam etching, so as to obtain a two-dimensional confinement of light. Propagation losses of these straight waveguides were estimated at 1 dB.cm-1 at the 1.55 µm wavelength. Other more complex elements were then fabricated: S-bent waveguides for which the guiding properties were obtained whatever the curvature radius, operational spiral waveguides, Y-junctions able of a satisfactory division of the light intensity, and Mach-Zehnder interferometers at the output of which the light was successfully recombined.

La dynamique des Matières en Suspension (MES) dans les estuaires macrotidaux est fortement variable à la fois spatialement (du compartiment fluvial à l'embouchure de l'estuaire) et temporellement (de la seconde à plusieurs années), mais reste primordiale pour comprendre et quantifier la dynamique sédimentaire des environnements estuariens. Avec le développement croissant des réseaux de mesures haute-fréquence à l'échelle internationale, l'objectif principal de cette étude est de qualifier et de valoriser les mesures de turbidité acquises par un réseau de mesures haute fréquence (réseau SYNAPSES) implanté d'amont en aval sur l'estuaire de la Seine (France) à la fois (i) en matière de suivi de la dynamique des MES du compartiment fluvial au bouchon vaseux et (ii) en matière d'estimation des flux de MES sur différentes échelles spatio-temporelles de l'estuaire de la Seine. Les données acquises à partir du réseau SYNAPSES et des campagnes in situ (81 journées de 12 h - OBS-3+/YSI/LISST 100X-C/ADCP 600 kHz) sur quatre stations réparties de l'estuaire fluvial à la zone du bouchon vaseux, constituent un set de données extrêmement riche et unique sur les domaines estuariens. La variabilité des relations, établies entre les mesures de turbidité [NTU] et les mesures de concentrations en MES [g.L-1] sur chacune des campagnes de l'échelle tidale à annuelle, met en évidence l'effet (i) de la technologie interne du capteur et (ii) de la variabilité des propriétés optiques inhérentes des particules (diamètre médian D50), densité sèche rhô et efficacité de diffusion Qc) sur la sensibilité des différents capteurs optiques. L'analyse conjointe des données in situ et des données SYNAPSES a permis de calibrer les mesures de turbidité en concentration massique, avec une relation validée sur le cycle annuel, spécifique à chacune des stations et des incertitudes minimisées. Après une étude de la représentativité des stations du réseau vis-à-vis de la section, les flux instantanés de MES sont estimés (i) à partir des données de concentrations en MES et de débits acquis par l'ADCP sur l'intégralité de la section et (ii) à partir des concentrations ponctuelles en MES du réseau SYNAPSES couplées au modèle hydrodynamique MARS-3D. Les comparaisons des flux de MES in situ par rapport à ceux estimés par la combinaison SYNAPSES/MARS-3D permettent de proposer un coefficient spécifique à chacune des stations du réseau SYNAPSES, dans le but d'ajuster les flux instantanés de MES estimés, avec leurs incertitudes, à partir du réseau SYNAPSES à la réalité in situ. Les outils et les démarches développés dans la thèse sur l'estuaire de la Seine pauvent être appliqués à d'autres estuaires macrotidaux pour estimer les flux sédimentaires. / The dynamics of Suspended Particulate Matter (SPM) in macrotidal estuaries is highly variable both spatially (from the fluvial compartment to the estuary mouth) and temporally (from the second to several years), but it is essential to understand and quantify the sedimentary dynamics of estuarine environments. With the development of high-frequency measurement networks around the world, the main objective of this study is to qualify the turbidity measurements acquired by a high-frequency measurement network (SYNAPSES network) located on the Seine estuary (i) in terms of monitoring the SPM dynamics from the fluvial compartment to the turbidity maximal zone (TMZ) and (ii) in terms of estimation of the SPM fluxes on different spatio-temporal scales of the Seine estuary. Data acquired from the SYNAPSES network and complementary in situ campaigns (81 days of 12 h - OBS-3+/YSI/LISST 100X-C / ADCP 600 kHz) on four stations from the fluvial estuary of the Seine Estuary to the turbidity maximal zone, are an extremely rich and unique dataset on estuarine environments. The variability in the relationship between turbidity measurements [NTU] and SPM concentration measurements [g.L-1] on each campaign, reveals the effect of (i) the internal sensor technology and (ii) the variability of the particle inherent optical properties (median diameter D50, dry density rho and scattering efficiency Qc) on the sensitivity of different optical sensors. The analysis of the in situ and the SYNAPSES data allowed to calibrate the turbidity measurements in mass concentration, with a validated relationship on the annual cycle, specific to each of the stations and reduced uncertainties. After a study of the SYNAPSES station representativeness across the section, the instantaneous fluxes of SPM are estimated (i) from the SPM concentration and liquid flow data acquired by the ADCP on the global section and (ii) from the SPM concentrations of the SYNAPSES network coupled to the hydrodynamic model MARS-3D (estimation of the liquid flow). Comparisons of SPM fluxes in situ to those estimated by the combination SYNAPSES/MARS-3D allow to propose a specific coefficient for each of the SYNAPSES network stations, xith the aim of adjusting the SPM instantaneous fluxes estimated from the SYNAPSES network to the in situ reality, with reasonable uncertainties. the tools and approaches developed in the PhD thesis on the Seine estuary can be applied to other macrotidal estuaries to estimate sedimentary fluxes.