Grâce à leurs propriétés électro-optiques remarquables, les cristaux liquides ferroélectriques suscitent un grand intérêt dans la réalisation des dispositifs d'affichage à faibles temps de réponse. Néanmoins, ces dispositifs présentent une faible résistance aux chocs et aux distorsions mécaniques. Pour pallier cet inconvénient, l'une des solutions préconisées est de disperser le cristal liquide sous forme de gouttelettes dans une matrice polymère. Les matériaux obtenus sont alors appelés Cristal Liquide Ferroélectrique Dispersé dans une matrice Polymère (PDFLC).<br />Ce travail concerne l'élaboration et l'étude des propriétés structurales, diélectriques et électro-optiques de composites PDFLC. L'objectif principal est d'étudier l'influence de la nature dispersée et confinée du cristal liquide sur les propriétés des composites. Pour cela, deux cristaux liquides ferroélectriques présentant respectivement un pas d'hélice faible et élevé par rapport à la taille des gouttelettes ont été utilisés pour élaborer ces composites.<br />Une étude comparative des propriétés des cristaux liquides et des films PDFLC a été réalisée. Les composites étudiés présentent des propriétés électro-optiques intéressantes, tels que l'existence d'un ancrage bistable, des temps de réponse et des tensions de commutation relativement faibles. La caractérisation des mécanismes de relaxation observés pour les composites montrent qu'ils sont liés à la ferroélectricité des cristaux liquides utilisés. Les caractéristiques de ces mécanismes, à savoir leur amplitude et leur fréquence critique, diffèrent fortement de celles observées pour les cristaux liquides purs. Ces différences ont été attribuées à l'hétérogénéité diélectrique des composites PDFLC.

Les domaines d'application de la détection infrarouge sont tellement nombreux (militaire, médical, astronomie, environnement) et spécifiques qu'un seul type de détecteur infrarouge ne peut pas répondre à l'ensemble des besoins. De nombreuses filières coexistent à ce jour. Or, les fonctions de mérite classiques ne sont pas suffisantes pour comparer les performances de détecteurs de filières différentes pour une application spécifique. Dans le cadre de cette étude, réalisée sur des détecteurs quantiques infrarouges de hautes performances tels que les détecteurs à multipuits quantiques (MPQ) et les détecteurs quantiques HgCdTe, nous nous sommes intéressés à deux nouvelles fonctions de mérite : la réponse spectrale dite « hors bande » et la réponse angulaire. La premièr! e consiste à étudier la réponse spectrale d'un détecteur loin de la gamme de longueur d'onde pour laquelle il a été optimisé, grâce à une très grande dynamique de mesure. La deuxième fonction de mérite traduit la variation de la réponse du détecteur en fonction de l'angle d'incidence du flux lumineux. La mise en place de ces caractérisations électro-optiques a nécessité le développement de bancs de test innovants. Parmi les résultats obtenus lors du travail sur la réponse angulaire, citons le fait que la forme de la réponse angulaire est indépendante de la profondeur de gravure du réseau d'un détecteur MPQ ou encore que la réponse d'un détecteur HgCdTe est quasi-plate sur une large plage angulaire. L'étude de la réponse spectrale a, quant à elle, permis de mettre en évidence des phénomènes physiques jamais observés jusque là sur un spectre de photocourant d'un détecteur MPQ. Ce travail montre l'importance de la compréhension des phénomènes physiques au sein des pixels. Les mesures associées à une modélisation fine des phénomènes physiques aboutissent ainsi à une étude complète des performances ultimes des détecteurs quantiques infrarouges.

L'augmentation du débit des télécommunications nécessite la réalisation de circuits intégrés utilisant des transistors dont les fréquences de coupure sont de plus en plus élevées. L'évaluation des performances intrinsèques de ces composants fonctionnant aujourd'hui jusqu'à plusieurs centaines de GHz pose un gros problème d'instrumentation. Les capacités des analyseurs de réseaux généralement utilisés pour ces caractérisations sont en effet dépassées.<br /><br />Les méthodes d'échantillonnage électro-optique basées sur l'utilisation d'un laser impulsionnel femtoseconde constituent une méthode alternative de caractérisation hyperfréquences. Ces mesures dont la résolution temporelle peut être inférieure à la picoseconde permettent d'étudier la réponse en fréquence de composants intégrés jusqu'à plus de 1 THz.<br /><br />La méthode d'échantillonnage ultra-rapide que nous proposons est basée sur un effet d'électroabsorption présent dans de nombreux semiconducteurs massifs : l'effet Franz-Keldysh. Cet effet nous permet de sonder optiquement des impulsions électriques ultra-brèves se propageant sur une ligne de transmission déposée sur Arséniure de Gallium (GaAs). Ces impulsions sont également générées par voie optique grâce à un matériau photoconducteur ultra-rapide : le GaAs épitaxié à basse température.<br /><br />La démonstration expérimentale de cette méthode de caractérisation est tout d'abord effectuée en utilisant les propriétés intrinsèques du substrat semiconducteur. Dans un deuxième temps, des améliorations technologiques sont apportées au dispositif expérimental pour permettre une généralisation de la technique de mesure à tout type de substrat. Pour cela, nous avons en particulier mis au point une technique de « lift-off » épitaxial permettant le report des matériaux nécessaires à la mesure sur un circuit ayant déjà subi les étapes technologiques. Ces différentes méthodes de mesure sont ensuite appliquées à la caractérisation de lignes de transmission ou de composants passifs THz. Elles ont permis entre autre la mise en évidence du phénomène de couplage par onde de choc électromagnétique entre deux lignes de transmission coplanaires, ou l'évaluation des paramètres S d'un filtre réjecteur de Bragg intégré sur substrat de quartz jusqu'à 1,2 THz. Enfin, la possibilité d'étudier un transistor bipolaire à hétérojonction à doigt d'émetteur submicronique par cette technique de mesure est envisagée.

Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer une nouvelle technique de caractérisation électro-optique de barrettes de diodes Laser de puissance (DLPs), au niveau émetteur individuel à partir d'un banc dédié, utilisées pour le pompage optique à 808nm de système LIDAR en environnement spatial et en régime QCW. Après une étude métrologique fine, ils décrivent une méthodologie de sélection d'un indicateur précoce de défaillance potentielle et sa capacité à estimer la fiabilité de DLPs en conditions opérationnelles (> 109 impulsions à 100Hz/200µs). L'analyse de la dégradation des DLPs se base sur l'identification de signatures paramétriques de défaillance mises en lumière après une série de tests accélérés ciblés et relatives à l'évolution de la puissance optique, du spectre optique (λmax) et du degré de polarisation (DOP) de chaque émetteur de la barrette. Nous montrons également la forte complémentarité entre la mesure du DOP par électroluminescence et par photoluminescence et nous proposons une méthodologie de sélection précoce des émetteurs en considérant leur localisation dans le plan (λmax, DOP). Ces études expérimentales, confortées par des simulations thermiques et mécaniques par éléments finis en introduisant un grand nombre de paramètres technologiques, ont permis de quantifier les niveaux de contraintes résiduelles dans les DLPs en fonction de différentes configurations d'assemblage et d'établir un lien avec leur fiabilité intrinsèque.

Cette thèse CIFRE adresse le développement de diodes laser, émettant à 975nm, de très forte puissance, rendement à la prise élevé, et stabilisées en longueur d’onde pour pompage de fibres dopées Er/Yb et réalisation de lasers à fibre. La thèse a été développée dans le cadre d’un partenariat étroit entre le Laboratoire IMS, le GIE III-V Lab, principal fondeur français de composants à semiconducteurs III-V pour des applications électroniques et photoniques, et THALES Research & Technology à Palaiseau en région parisienne. Un travail en profondeur de caractérisation et d’analyse a porté sur les aspects thermiques qui contribuent, en particulier,à limiter les niveaux de puissance optique de sortie. Dans ce cadre, nous avons réalisé un ensemble de caractérisations complémentaires au GIE III-V lab et à l’IMS nous permettant d’envisager des solutions correctives d’optimisation technologique portant en particulier sur la profondeur de gravure définissant la largeur de la zone d’émission et la nature du substrat dissipateur. Ces solutions ont été proposées à partir de modélisations physiques mises en oeuvre avec un simulateur dédié, propriété de III-V Lab et de simulations par éléments finis thermiques et thermomécaniques (approche multiphysique) de la structure microassemblée définitive. Ces travaux se sont prolongés par la fabrication et la caractérisation électro-optique et thermique de plusieurs structures verticales : LOC (Large Optical Cavity), SLOC (Super Large OpticalCavity) et AOC (Asymetrical Optical Cavity). Les diodes laser de type LOC et SLOC sont stabilisées en longueur d’onde en intégrant un réseau de Bragg (DFB). Une puissance optique de 8W avec une efficacité de 60% a été obtenue ; ce qui permet de situer ces travaux à l’état de l’art international notamment vis-à-vis de ceux publiés par l’Institut Ferdinand-Braun.L’originalité des travaux menés dans cette thèse nous a permis d’avoir accès à une bourse du Cluster européen « Laserlab » (The Integrated Initiative of European Laser Research Infrastructures), pour conduire des campagnes d’expérimentation à l’Institut Max Born à Berlin dans le groupe du Dr J.W. Tomm. Les travaux ont porté sur la caractérisation thermique de ces diodes laser de forte puissance émettant à 975nm, à double hétérostructure symétrique et asymétrique (SLOC et AOC), en utilisant des techniques complémentaires (microphotoluminescence,photoluminescence résolue en temps, spectroscopie de photocourant et mesures L-I pulsées) et permettant d’évaluer le type de contraintes résiduelles apportées par les étapes de report de la diode Laser ainsi que la cinétique de dégradation catastrophique de type COD. / This PhD addresses the development of high-power laser diodes emitting at 975nm withhigh efficiency and wavelength stabilized using a Bragg grating. This thesis was conducted in the framework of a close partnership between IMS Laboratory, the GIE III-V lab, who is themain French founder of III-V semiconductor devices for electronic and photonic applications,and THALES Research & Technology in Palaiseau. An in-depth characterization and analysiswork has addressed thermal aspects that contribute, in particular, to limit the optical outputpower of a laser diode. In such a context, we have carried out a set of complementary characterizations both at III-V lab and IMS allowing us to provide some corrective solutionsfor technological optimization concerning the etching depth of the grooves that defines the emitting stripe of the laser diode and the nature of the submount acting as a thermocompensator.These solutions have been proposed from optical modelling implemented with a dedicated simulator, property of III-V lab, and thermal and thermomechanical (multiphysics approach) finite element simulations of the overall microassembled structure. All this work has resulted in the fabrication as well as electro-optical and thermal characterizations of three vertical structures namely LOC (Large Optical Cavity), SLOC (Super Large Optical Cavity)and AOC (Asymmetrical Optical Cavity). The LOC and SLOC vertical structures have been processed with a Fabry-Perot cavity and also including a Bragg grating (DFB architecture) while the AOC one was only fabricated with a Fabry-Perot cavity. State-of-the-art results aredemonstrated since in particular an optical power of 8W with an efficiency of 60% has been obtained that can be compared to those recently published by the Ferdinand-Braun Institute.The originality of the work carried out in this PhD has allowed us to receive a grant from the European Laserlab Cluster (The Integrated Initiative of the European Laser Research Infrastructures), to conduct dedicated experiments at the Max-Born Institute (Berlin) in thegroup of Dr. J.W. Tomm. The work aimed to characterize mechanical strain of the laser diode induced by the soldering process. Two vertical structures (SLOC and AOC) were investigated using complementary techniques (microphotoluminescence, time-resolved photoluminescence,photocurrent spectroscopy and pulsed L-I measurements), allowing to quantify the level of residual stress provided by the laser diode mounting process as well as the kinetics of the catastrophic degradation process (COD).

Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de lentilles planaires nano-structurées dédiées aux capteurs d’images CMOS dans le proche-infrarouge. L’étude des applications et des systèmes d’imagerie optronique mis en jeu ont mis en évidence l’intérêt de l’utilisation des capteurs d’images CMOS dans la bande 800-1100 nm. Les inconvénients liés au silicium et à la structure du pixel justifient l’intégration de lentilles planaires nano-structurées compatibles avec le procédé de fabrication CMOS : une lentille plasmonique, une lentille diffractive métallique dite de Huygens, une lentille diélectrique dite de phase de Fresnel et une lentille à gradient d’indice effectif. Les simulationsélectromagnétiques 2D d’un pixel CMOS complet avec chaque lentille planaire ont démontré l’intérêt de la lentille métallique dans un pixel à faible facteur de remplissage et de la lentille de phase de Fresnel pour un pixel standard. Les simulations électromagnétiques 3D ont permis la conception de ces deux dernières lentilles pour leur fabrication tandis que la lentille à gradient d’indice effectif, susceptible d’approcher le profil de phase idéal, a montré son potentiel pour les pixels CMOS. La caractérisation électro-optique a mis en évidence la performance expérimentale de la lentille de phase de Fresnel fabriquée en "post-process" au LPN-CNRS et de la lentille de Huygens fabriquée "in-process" en fonderie CMOS. Les nombreuses perspectives de ce travail liés à la fabrication et à la marge de progression des lentilles ont été explorées. / This work deals with the design, fabrication and characterization of nanostructuredplanar lenses dedicated to near infrared detection for CMOS image sensors.Applications and optronic systems involved in near infrared imaging have been investigatedin order to highlight the strong interest of CMOS images sensors for the 800-1100 nmspectral band. Limitations of silicon and pixel structure explain the integration of nanostructuredplanar lenses compatible with CMOS fabrication process : a plasmonic lens, a dielectricphase-Fresnel lens, a metallic Huygens lens and a gradient-index lens. 2D electromagneticsimulations of a CMOS pixel with each planar lens have demonstrated the good performanceof the Huygens lens for low fill factor pixels and the phase-Fresnel lens for standard pixels.3D simulations of these lenses have been performed for their integration and fabrication inCMOS image sensors. The 3D design by numerical simulations of a gradient-index lens hasshown its potential interest for CMOS pixels. The experimental performance of a dielectriclens "post-process" integrated/fabricated at LPN-CNRS and a metallic lens "in-process" by aCMOS foundy have been evaluated by electro-optical characterization. Several perspectivesof this work about lens fabrication and potential for improvement have been explored.

Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer une nouvelle technique de caractérisation électro-optique de barrettes de diodes Laser de puissance (DLPs), au niveau émetteur individuel à partir d'un banc dédié, utilisées pour le pompage optique à 808nm de système LIDAR en environnement spatial et en régime QCW. Après une étude métrologique fine, ils décrivent une méthodologie de sélection d'un indicateur précoce de défaillance potentielle et sa capacité à estimer la fiabilité de DLPs en conditions opérationnelles (> 109 impulsions à 100Hz/200µs). L’analyse de la dégradation des DLPs se base sur l'identification de signatures paramétriques de défaillance mises en lumière après une série de tests accélérés ciblés et relatives à l'évolution de la puissance optique, du spectre optique (λmax) et du degré de polarisation (DOP) de chaque émetteur de la barrette. Nous montrons également la forte complémentarité entre la mesure du DOP par électroluminescence et par photoluminescence et nous proposons une méthodologie de sélection précoce des émetteurs en considérant leur localisation dans le plan (λmax, DOP). Ces études expérimentales, confortées par des simulations thermiques et mécaniques par éléments finis en introduisant un grand nombre de paramètres technologiques, ont permis de quantifier les niveaux de contraintes résiduelles dans les DLPs en fonction de différentes configurations d'assemblage et d'établir un lien avec leur fiabilité intrinsèque. / This thesis work aimed to propose a new methodology for electro-optical characterization ofQCW laser diodes array (LDA) at emitter level by using a dedicated test bench. After detailedmetrological study, a methodology for selecting an early failure indicator and its ability to assess theLDA reliability in operational conditions (> 109 Shots at 100Hz/200μs) has been described. The LDAdegradation analysis were based on identification of parametric failure signatures highlighted after aset of accelerated tests and have been focused on the evolution of optical power, optical spectrum(λmax) and the degree of polarization (DOP) of each emitter on the LDA. We also explain the strongcomplementarity between the measured DOP of photoluminescence and the DOP ofelectroluminescence and a methodology for early selection of emitters have been proposed by takinginto account their location in the plane (λmax, DOP). These experimental studies were comforted bythermal and mechanical finite element simulations, by introducing several technological parameters inorder to quantify levels of induced mechanical stresses in LDA under different assemblyconfigurations and to establish the link with their intrinsic reliability.