Nous couplons des sources de rayonnement infrarouge et un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) avec un microscope optique en champ proche (SNOM) à pointe diffusante pour sonder les propriétés optiques locales de la matière avec une résolution spatiale sub-longueur d'onde.Nous étudions l'émission thermique de champ proche d'un échantillon constitué d'une couche d'or recouvrant partiellement du carbure de silicium, puis d'un empilement de nano-couches semi-conductrices. Nous révélons expérimentalement la présence d'ondes de surface se propageant aux différentes interfaces de ces échantillons, en imagerie et en spectroscopie. Nous sondons l'évolution spatiale du spectre de la densité locale d'états électromagnétiques grâce à l'imagerie hyperspectrale super-résolue de l'émission thermique de champ proche. Nous montrons que la résolution spatiale et le contraste entre les structures diminuent lorsque la distance à laquelle la sonde effectue les balayages augmente.Nous couplons notre SNOM et un FTIR avec le rayonnement synchrotron et démontrons la capacité d'un tel couplage de mener des études de nanospectroscopie dans l'infrarouge moyen en l'illustrant sur les échantillons précédemment mentionnés. Nous démontrons l'imagerie térahertz super-résolue à l'aide du rayonnement synchrotron.Nous étudions expérimentalement l'influence de l'illumination sur les images obtenues en SNOM et montrons que la détection de l'émission thermique de champ proche permet d'obtenir des images exemptes de distorsions et donc plus simples à interpréter que celles obtenues en utilisant un laser monochromatique ou l'émission thermique de champ lointain. Nous développons un mode d'imagerie 3D. / We couple infrared sources with a scattering near-field scanning optical microscope (SNOM) combined with a Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) in order to probe the local optical properties of matter with sub-wavelength spatial resolution. We study the near-field thermal emission of a surface made of silicon carbide and gold, and then of a semiconductor-based multilayer. We reveal experimentally the presence of surface waves propagating at the different interfaces of these samples, by imaging and spectroscopy. We probe the spatial evolution of the electromagnetic local density of states spectrum thanks to super-resolved hyperspectral imaging of the near-field thermal emission. We show that spatial resolution and contrast between the structures decrease as the distance at which the probe performs the scans increases. We couple our SNOM and FTIR with synchrotron radiation and demonstrate the capability of such coupling to perform nanospectroscopy studies in the mid-infrared range by investigating the samples mentioned above. We demonstrate super-resolved terahertz imaging using synchrotron radiation. We experimentally study the influence of the illumination on the images obtained in SNOM and show that the detection of the near-field thermal emission provides distortion-free images and therefore are easier to interpret than those obtained using a monochromatic laser source or far-field thermal emission. We also develop a 3D imaging technique.

Aujourd'hui les circuits intégrés commerciaux sont de plus en plus utilisés dans les satellites de télécommunication ou d'observation. En effet les contraintes économiques imposent l'usage de circuits non durcis aux radiations. Ceci, associé au fait que la technologie évolue entrainant une baisse de consommation et donc une diminution des marges de susceptibilité électromagnétique, les rendent plus sensibles à la fois aux interférences électromagnétiques et à la dose ionisante. Cet ensemble met en péril la mission des satellites. Ce travail de thèse est donc précurseur dans le domaine de la fiabilité combinée vis à vis de la dose ionisante et des signaux hautes fréquences (HF) sur des transistors bipolaires destinés aux applications basse fréquence. Nous avons tout d'abord observé la modification du comportement d'un transistor bipolaire discret lorsqu'il est soumis à une agression sinusoïdale continue (CW) dans la gamme 100 MHz - 5 GHz. Cette forme de signal nous a permis d'observer la réponse du transistor dans un régime établi. Il est important de noter que cette modification du comportement a lieu même pour des fréquences du signal d'interférence assez éloignées de la gamme de fréquence de fonctionnement du transistor. Nous avons pu alors mettre en évidence les différents mécanismes physiques mis en jeu. Ensuite nous avons étudié l'influence de différents paramètres : fréquence et puissance du signal d'interférence, boîtier du transistor, valeurs des éléments du circuit de polarisation, sur la réponse du transistor soumis à l'agression CW. Un critère simple permettant de prévoir le comportement du transistor sous agression CW est proposé. Nous avons ensuite étudié l'influence de la dose ionisante sur le comportement du transistor sous agression CW. Après avoir observé la modification du comportement statique du transistor suite à l'irradiation avec une source de cobalt 60, nous avons analysé l'évolution des grandeurs électriques du transistor sous agression HF, pour différentes valeurs de doses totales déposées. Nous avons donc pu monter que la dose ionisante influence effectivement le comportement du transistor sous agression. Enfin, nous avons soumis le transistor à une autre forme d'agression haute fréquence : un signal sinusoïdal modulé par un signal impulsionnel. Grâce à ce type de signal, nous avons pu faire une analyse du comportement transitoire du transistor, et mettre en évidence l'importance des capacités, à la fois internes et externes au composant. Ici encore la dose ionisante influence les comportements. / Nowadays, economic constraints push space and aeronautical industries to use Commercial Off The Shelf (COTS) components, even though natural space environment constitutes a real challenge for electronic reliability due to ionizing particles. In addition to this problem, technological advancements lead to a decrease in device consumption inducing smaller electromagnetic susceptibility margins. Hence, integrated circuits are more sensitive to both Electromagnetic Interferences (EMI) and ionizing dose, which may threaten satellite missions. This thesis reveals precursor work in the field of combined ionizing dose and high frequency (HF) interferences on bipolar transistors designed for low frequency applications. Classical discrete low frequency bipolar transistors biased at integrated-circuit level of currents are put under study. A change of the voltage output when the device is subject to a continuous sine aggression (CW) in the range 100 MHz - 5 GHz is observed. This CW waveform allows an analysis of the response of the transistor in a steady state. It is important to note that the change in behavior of the transistor occurs even for interference frequency bands way higher than the operating frequencies of the device. We identified the different physical mechanisms involved during high frequency interference injection: rectification and current crowding. Then we studied the influence on the behavior under interference of different parameters: frequency and power of the interference signal, low frequency and RF frequency package of the transistor, values of elements of the bias circuit. A simple criterion to predict the way of change in the output voltage of the transistor is proposed. The same experiments were conducted on the transistors irradiated with a cobalt 60 source. We highlighted the importance for high-frequency susceptibility of the change induced by ionizing dose near the emitter base junction. Hence the susceptibility must be considered for different bias operations for different ionizing dose rates. Finally, our interest focused on another type of HF interference: a sine wave modulated by a pulse signal. With this type of signal, the transient behavior of the transistor under interference is analyzed. It highlights the importance of internal and external capacitances of the device on its response. Here again ionizing dose influences the electromagnetic susceptibility of the transistor.

Ce travail s’inscrit dans le contexte des microscopies optiques à très haute résolution. Nous proposons un nouveau concept de sonde active pour la microscopie optique en champ proche (SNOM), exploitant les effets de génération de second harmonique (SHG) de molécules. L’idée développée vise à s'affranchir de l’une des principales limitations des sondes actives fluorescentes réalisées jusqu'à présent : l'accrochage des sondes à l'extrémité de la pointe SNOM, étape toujours délicate et souvent peu fiable. Pour ce faire, nous avons mis en œuvre une technique qui consiste à utiliser la localisation du champ électrique au sein d’une jonction pointe métallique-substrat conducteur immergée dans une solution de molécules non-linéaires dipolaires. L’interaction champ-molécules entraine l’orientation locale un nano-volume de ces molécules dont l’excitation par un laser permet ensuite la génération d’un signal de second harmonique. Après avoir validé ce concept dit de « nano-EFISHG » (Electric Field Induced SHG) nous avons conçu un nouveau banc expérimental, dédié à l'imagerie de second harmonique haute résolution : celui-ci a permis d'obtenir les premières images présentant un contraste de second harmonique sur un échantillon structuré à l'échelle micronique.Nous avons ensuite travaillé à l’optimisation de la résolution de l’expérience mise en place : nous avons notamment démontré la possibilité de tirer parti d’effets d’exaltation locale du champ électromagnétique se produisant à l'extrémité de pointes ou de nano-objets métalliques. L’extrapolation des résultats obtenus montre que de telles exaltations devraient permettre d’atteindre des résolutions de l’ordre de 50 nm. / This work was achieved within the context of high resolution optical microscopy. We propose a new concept of active probe for near-field optical microscopy (SNOM), exploiting the effect of second harmonic generation (SHG) of molecules. The idea intends to avoid one of the main limitations of currently developed fluorescent active probes: the anchoring of the probes at the end of a SNOM tip which is a very delicate and often unreliable step. The technique implemented here consists in using the electric field localization in a metallic tip – conducting substrate junction immersed in a solution containing dipolar non-linear molecules. The interaction between the molecules and the electric field gives rise to the local orientation of a nano-volume of these molecules whose excitation by a laser allows generation of a second harmonic signal.After validation of this concept named as “nanoEFISHG” (Electric Field Induced SHG) we have designed a new experimental setup, dedicated to high resolution second harmonic imaging. Successful implementation of this setup has leaded to the recording of the first images presenting a second harmonic contrast on a sample structured at the micronic scale. Next step has consisted in working towards optimization of the experimental resolution: we have especially study the possibility of taking advantages of local field enhancement effects occurring at metallic nano-structures or sharp tip’s apex. The extrapolation of the obtained results shows that such effects should allow to reach resolutions about 50 nm.

Le développement de dispositifs optiques intégrés dans des domaines tels que l'information quantique et la détection de molécules est actuellement dirigé vers l'intégration de nanosources (NS) sur des systèmes sur puce avec faible pertes de propagation. Cette thèse montre une contribution à la conception, à la fabrication et à la caractérisation de structures photonique-plasmoniques en vue de l'intégration d'une seule NS sur des puces optiques à travers le spectre visible. Nous recherchons à optimiser l’efficacité d’excitation et de collection de l'émission de la fluorescence d'une NS en combinant un nano-prisme en or et une structure formée par une couche de dioxyde de titane (TiO2) et un guide d'ondes à échange d'ions (IEW) sur verre. Le couplage entre les modes permet un transfert efficace de l'énergie entre un mode faiblement confiné dans l'IEW vers un mode plasmonique confiné dans un volume effectif de quelques nanomètres cubes. Ce mode confiné interagit avec une NS en améliorant son émission de fluorescence par l'effet de facteur Purcell. En utilisant le théorème de réciprocité de l'électromagnétisme, nous avons étudié le cas réciproque où la lumière émise par la NS peut être collectée dans les modes photoniques du IEW.La caractérisation a été réalisée en champ lointain et en champ proche avec en particulier l'utilisation d'un microscope optique de champ proche à sonde diffusante (SNOM). Nous avons proposé une configuration SNOM qui permet d'imiter l'interaction d'une NS et des systèmes guidés, cartographiant la densité locale des modes guidés (LDOM) / The development of integrated optical devices in areas such as quantum information and molecular sensing is currently directed towards the integration of nanosources (NS) into systems on a chip with low propagation losses. This thesis shows a contribution on the design, fabrication, and characterization of photonic-plasmonic structures towards the integration of a NS on optical chips across the visible spectrum. We pursue the efficient excitation and collection of the fluorescence emission of a NS by making use of the interaction between an electromagnetic field concentrator (gold nanoprism) and an integrated optics structure formed by a high-index layer of titanium dioxide (TiO2) and a low-contrast index ion exchanged waveguide on glass (IEW). The coupling mode allows an efficient transfer of the energy between a weakly confined mode in the IEW and a plasmonic mode confined in an effective volume of few cubic nanometers. This confined mode interacts with a NS enhancing its florescence emission through Purcell factor effect. Using the reciprocity theorem of electromagnetism, we studied the reciprocal case where the light emitted by the NS can be collected into the photonic modes of the IEW.The characterization was performed in the far and in the near field with the use of a scanning near-field optical microscopy (SNOM). We proposed a SNOM configuration that allows us to imitate the interaction of a NS and guided systems, mapping the local density of guided modes (LDOM)

L'un des sujets les plus importants concernant les signes vitaux pour personnaliser les soins de santé est la transmission ininterrompue. De ce fait, cela pourrait aider à réduire les coûts médicaux et à augmenter le confort d'un patient. Un système de surveillance de la santé à long terme et ininterrompu nécessite la technologie de communication sans fil. Les éléments les plus importants pour les capteurs sans fil sont une faible consommation énergétique, un faible coût de production, des protocoles simples et de courts retards de synchronisation entre les différents modes des émetteurs-récepteurs sans fil. Il existe différentes technologies courte portée pour les réseaux sans fil dans la bande de fréquence Wireless Body Area Networks (WBANs). Dans ce travail, nous utiliserons et comparerons deux configurations différentes pour les réseaux corporels sans fil. Dans la première configuration, le BLE (Bluetooth Low Energy) sera proposé et son taux d'erreur, ainsi que sa consommation d'énergie seront mesurés pour un système de surveillance en continu dans le domaine de la santé. Récemment BLE a annoncé des fonctionnalités plus convaincantes dans plusieurs aspects et seulement quelques études ont été publiées soutenant ces allégations sur le BLE. Les nœuds de détection (tels que le nœud de détection de la respiration, le nœud de capteur ECG (Electrocardiogram) et le nœud de capteur d'oxymétrie de pouls) peuvent être utilisés pour surveiller certains signaux biomédicaux du corps humain. Après l'acquisition du signal, il est prétraité et l'information est transmise par BLE à la station de base ou à un téléphone intelligent comme un nœud central. Le téléphone intelligent peut fournir une rétroaction médicale en temps réel aux utilisateurs par le biais de dispositifs mobiles afin d'éviter des situations dangereuses. Le système est connu pour sa très-faible consommation d'énergie. Cette nouvelle conception permet de réduire la consommation d'énergie de façon significative, ce qui est un problème essentiel qui doit être pris en compte dans les questions de WBANs. La performance de transmission pendant une expérience a été évaluée et les résultats ont montré que cette solution satisfait aux exigences des applications de soins de santé en termes de consommation d'énergie, de latence et de taux d'erreur de paquets. Les caractéristiques d'intervalle de latence et de connexion par rapport à la perte de paquets et à la vitesse de transmission montrent qu'avec l'augmentation de l'intervalle de connexion, le taux de perte de paquets et le taux de transmission diminuent. La consommation maximale de courant pour l'architecture BLE, avec une alimentation de 3.0V, est seulement de 5mA peu importe le type d'activité radio. À titre d'exemple, la consommation du système BLE représente 50% de moins que celle d'autres solutions sans fil qui ont une portée petite ou moyenne et une faible puissance. Ainsi, on peut s'attendre à une vie prolongée pour ce système. Dans la deuxième configuration qui est proposée, à savoir une nouvelle conception de détection textile avec capacité de communication RF, le système de communication du capteur est composé d'un tissu textile avec un système intégré qui communique à travers la bande 2,4 GHz ISM avec une bonne qualité du signal. La performance de transmission de ce nouveau textile de détection avec la communication de RF a été analysé. La caractéristique de perte de paquets par rapport à la longueur de paquets montre que pour les paquets de moins de 12 octets de long et à une distance d'un mètre, le taux de perte de paquets est inférieur à 5%. Le BLE ouvre une nouvelle génération d'occasions pour les systèmes de communication et les applications médicales et annonce des fonctionnalités plus convaincantes dans plusieurs domaines. La faible consommation de puissance de ce protocole et le faible taux de pertes des paquets nous offre un système robuste en application médicale. Considérant que le dispositif BLE transmet seulement pendant un petit pourcentage du temps total, la pile du dispositif devrait avoir une durée de vie allant de plusieurs mois à plusieurs années.

Les propriétés singulières des ondes évanescentes ont permis le développement de la microscopie en champ<br />proche optique, mais également l'émergence de capteurs moléculaires basée sur l'excitation de plasmons de<br />surface. Ce travail de thèse est consacré au développement de nano-sondes à base de fibres optiques destinées à ces<br />deux applications.<br />Après un état de l'art des différents procédés de la littérature, ce travail aborde une nouvelle approche pour<br />créer des nano-sondes optiques. La gravure chimique, pour créer une pointe à l'extrémité d'une fibre conique, est<br />premièrement optimisée. Les étapes suivantes sont réalisées dans un dispositif plasma original, basé sur une<br />décharge en régime de cathode creuse cylindrique. Pour finaliser la fabrication des sondes, les pointes métallisées<br />sont ouvertes in situ avec une micro-étincelle obtenue via une décharge couronne en configuration pointe-plan.<br />Notre microscope est ensuite détaillé et une étude paramétrique est menée afin d'optimiser la formation des<br />images, les capacités de résolution du sont discutées. A titre d'exemple, le microscope est ensuite appliqué à la<br />science des nano-matériaux, et quelles pistes d'investigation de nano-structures sont explorées, ainsi que le<br />potentiel de spectroscopie Raman en champ proche.<br />La spectroscopie résonante des plasmons de surface est aussi abordée. Les sondes spécialement modifiées<br />sont ici destinées à la détection moléculaire en milieu aqueux. Les capteurs ainsi élaborés sont testés dans des<br />microvolumes de solution, et leur capacité d'exaltation du signal Raman est présentée.

Les nanostructures et les cristaux photoniques en particulier ont enrichi les possibilités de l'optique guidée : guides d'onde de tailles submicroniques, virages à angle droit, cavités résonnantes, fibres. Associés aux guides d'onde traditionnels, ils devraient permettre une intégration d'un nombre croissant de fonction sur le composant : adressage, filtrage spectral, traitement du signal, capteurs... Cependant, la fabrication de telles structures reste un défi technologique, notamment à cause de la parfaite homogénéité ainsi que de la taille nanométrique des gravures qu'elle nécessite. Dans cette thèse, après en avoir déterminé les différents paramètres par calcul de bande et FDTD, nous proposons deux méthodes de fabrication de nanostructures associées à des guides d'onde basées sur l'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé (FIB). Une première méthode permet la gravure des nanostructures par FIB seul, une seconde combine l'action du FIB et de la RIE. Les structures sont réalisées sur des substrats où ont été préalablement déposés les guides d'onde. La fabrication a été validée pour une structure multicouche SiO2/SiON/SiO2 déposée sur un substrat de Silicium. Des résultats partiels ont été obtenus pour le niobate de lithium, qui est un matériau difficile à nanostructurer par les méthodes habituelles. Enfin un microscope en champ proche optique de type SNOM a été développé dans le but de caractériser les nanostructures, cette méthode étant imposée par le fort confinement de la lumière.

Cette thèse porte sur la localisation et la manipulation de la lumière à l'échelle de la longueur d'onde. Les travaux ont d'abord porté sur des micro-cavités à grands facteurs de qualité (Q) intégrées sur des guides rubans reposant sur un substrat (SOI). L'optimisation des miroirs grâce à une ingénierie de mode basée sur l'adaptation des profils des modes, a permis d'obtenir des Q allant jusqu'à 60000 pour un volume modal de 0,6(lambda/n)3. Le confinement a pu être observé par microscopie en champ proche et nous avons montré qu'il était possible de contrôler ces cavités par une pointe SNOM. . Enfin, nous nous sommes intéressés aux modes lents en abordant de façon théorique l'injection efficace de la lumière dans un mode lent.

Avec le développement rapide des technologies sans fil modernes et la miniaturisation des antennes et des systèmes électriques, l'emploi des antennes à l'intérieur du corps humain pour le suivi thérapeutique est devenu possible. Des batteries permettent d'alimenter ces antennes ; la réduction de la consommation de puissance implique l'augmentation de la durée de vie de circuits ingérables. Le corps humain, qui a une conductivité non nulle, n'est pas un milieu idéal pour la transmission des ondes RF à cause de l'atténuation liée aux propriétés diélectriques des tissus biologiques. Cependant, les tissus humains ne perturbent pas le champ magnétique car celui-ci dépend de la perméabilité du milieu qui est égale à un dans le corps humain. Bien que la puissance du champ magnétique décroisse avec l'exposant six de la distance, la technique utilisant les communications par induction magnétique en champ proche a été adoptée dans cette étude pour concevoir une liaison sans fil à faible portée à travers le corps humain. Durant ces travaux de thèse, après une caractérisation détaillée de la bobine d'émission située à l'intérieur du corps humain et de la bobine de réception localisée à sa surface, nous avons mis en place un bilan de liaison pour contribuer à l'amélioration du transfert de puissance dans ce milieu dissipatif. Un modèle analytique, déterminant les facteurs qui peuvent affecter le bilan de liaison par induction magnétique, a été vérifié à travers les simulations et les mesures. La variation de la position et de l'orientation de l'antenne ingérable ont été prises en compte pour évaluer la réponse de couplage entre la bobine émettrice et la bobine réceptrice. Les résultats obtenus constituent un pas en avant vers de futures recherches sur la conception de antennes dans les milieux dissipatifs et en particulier le corps humain

Les propriétés optique des nanoparticules ont ouvert de nouvelles voies dans de nombreux domaines, de l'optique fondamental avec la compréhension des interactions dans la matière, la biologie et la compréhension du fonctionnement des milieux cellulaires, en passant par la microscopie en champ proche, qui permet de sonder localement les propriétés physiques de divers nano-systèmes. Au cours de ce travail, nous avons réalisé l'étude de la génération de seconde harmonique (GSH) de nanoparticules de KTP ainsi que de dimères d'or isolés. Des mesures optiques du rayonnement émis par ces nano-objets montrent qu'ils sont parfaitement photostables. Par ailleurs, nous avons aussi étudié de nouvelles particules actives qui permettent d’obtenir un double signal, de luminescence ainsi que de GSH. Ces nanosources bimodales sont constituées des nanoparticules de KTP dopées avec des ions Europium. Dans une seconde partie, nous tentons de fabriquer des sondes optiques pour le champ proche en utilisant les nanocristaux non-linéaires de KTP, ceci dans le but de développer une nouvelle microscopie optique en champ proche capable de sonder localement et vectoriellement un champ électromagnétique. Une pointe de microscopie à force atomique est fonctionnalisée par une particule d'or, puis approchée d'un nanocristal de KTP. Des résultats préliminaires montrent qu'il est possible par cette méthode de sonder le champ électromagnétique présent autour d'une nanoparticule d'or. / The optical properties of nanoparticles have opened new avenues in many areas of optics with the fundamental understanding of the interactions in matter, biology and understanding of the functioning of cell media, through the near-field microscopy, which allows us to probe locally the physical properties of various nano-systems. In this work, the study of second harmonic generation (SHG) has been performed on isolated nanoparticles of KTP and dimers of gold. Optical measurements of radiation emitted by these particles show that nanoparticles are perfectly photostable.Furthermore, we also explored new active particles that deliver a double signal, luminescence and GSH. These nanosources bimodal nanoparticles consist of KTP doped with europium ions. In the second part, we try to manufacture optical probes for near field using nonlinear nanocrystals in this case the probe is KTP nanocrystals. A tip of atomic force microscopy is functionalized by a particle of gold, then approached a nanocrystal of KTP. Preliminary results showed that it was possible to probe the electromagnetic field present around a gold nanoparticle.