Inaug.-dis.--Karisruhe.

Inaug.-dis.--Karisruhe.

L’objectif de ce travail est d’étudier les différents types d’intégration à base de guides optiques sur InP permettant d’aboutir à une matrice de commutation optique 2x2. Pour cela, nous avons tout d’abord étudié l’intégration monolithique de guides InP et de guides diélectriques à très fort confinement. La partie active est composée de guides sur InP et la partie passive de guides diélectriques qui jouent le rôle d’adaptateur de mode tout en étant très compact. Malgré tous les efforts technologiques et théoriques développés pour aboutir à l’objet convoité, il apparaît que l’intégration monolithique ne nous permet pas pour le moment d’aboutir à des pertes compatibles avec les besoins industriels. Cependant, ces travaux nous ont permis d’aboutir à une nouvelle structure de guide sur InP qui se couple parfaitement avec les guides sur verre de la société Teem Photonics. C’est donc cette approche que nous avons retenu, qui permet d’aboutir à un dispositif complètement fibré à faibles pertes d’insertion. Il est cependant nécessaire de démontrer l’aptitude de ce nouveau guide à la commutation. Nous avons donc conçu et réalisé des commutateurs DOS utilisant ce nouveau guide. Leurs caractérisations montrent l’intérêt de ce guide pour la commutation optique. / The aim of this work is the study of different ways of integration based on InP optical waveguides to obtain 2x2 optical switching matrixes. For this purpose, we started with the monolithic integration of InP waveguides and highly confinement dielectrics waveguides. The active part is composed of InP waveguides and the passive part is constituted of dielectric waveguides which are tapered and very compact. In spite of strong theoretical and technological efforts developed to reach our target up to now monolithic integration doesn’t lead to low insertion losses fitting with industrial needs. Nevertheless, we designed and fabricated a new InP waveguide which allows a good coupling with glass waveguides of Teem Photonics company. Finally, we designed and fabricated a Digital Optical Switch with the new InP waveguide. Its characterizations proved the advantage of this waveguide for the optical switching.

Current research and the price of semiconductors are making Matrix Converter topologies more attractive and practically viable for many applications. One of the key benefits claimed for the matrix approach is the possibility of greater power density due to the absence of a DC link. To capitalise on this it is necessary to make the input filter small by having a sufficiently high switching frequency. In order to arrive at optimised solutions in terms of filtering, heatsinking and packaging, it is important to have accurate models to predict power circuit losses as a function of operating point and switching frequency. This aim of this thesis is to further the understanding of Matrix Converter current commutation with a focus on switching losses. The commutation process is analysed in detail and a complete loss model for Matrix Converter circuits is developed. The use of circuit simulation software in the prediction of switching losses is investigated and comparisons are made with experimentally measured results. The loss model is used to compare Matrix Converter losses with a functionally equivalent sinusoidal front end inverter. A review of soft switching techniques for Matrix Converter circuits is given. A new auxiliary resonant soft switching Matrix Converter is presented which overcomes many of the problems of the previously proposed circuits. The design, construction and testing of a 6kW prototype soft switching Matrix Converter is presented to evaluate the feasibility of the topology.

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Th. doct-ing.--Toulouse, I.N.S.A., 1978. N°: 8.

Partant d'une structure de commutateur électro-optique sur InP de type DOS (Digital Optical Switch) fonctionnant par injection des porteurs, de faible diaphotie (-40dB) à la longueur d'onde 1.55µm, le but de ce travail de thèse a été d'étudier la possibilité de réaliser en optique intégrée sur InP des matrices de commutation à 2 entrées et 2 sorties conservant les mêmes performances en diaphotie. Pour atteindre cet objectif, nous avons tout d'abord optimisé la géométrie d'une matrice purement passive à l'aide de la méthode des faisceaux propagés (BPM) 2D ou 3D. Nous avons ainsi défini sept matrices 2X2 passives que nous avons réalisées et caractérisées dont certaines atteignent une diaphotie d'environ -40dB. Nous avons ensuite adapté ces matrices passives à une nouvelle géométrie de commutateur compatible avec les courbes de forme sinusoïdale de nos matrices, dont nous prévoyons pour certaines une diaphotie avoisinant -40dB. Les cinq matrices actives optimisées ont été réalisées et caractérisées en terme de pertes, consommation et diaphotie, Nous obtenons une forte sensibilité à la polarisation optique avec une diaphotie qui peut atteindre presque -30dB pour la matrice la plus performante. / Starting from a Digital Optical Switch based on carrier injection and InP optical integrated circuit techniques, which achieved high crosstalk performance (around -40dB), the aim of this thesis is to design and fabricate 2X2 optical switching matrixes keeping the same crosstalk performance. To reach such a goal, we first analyzed and designed, thanks to 2D and 3D Beam Propagation Method, passive matrixes that we fabricated and characterized. We obtained crosstalk close to -40dB in agreement with our theoretical predictions. We then matched our passive matrixes to a new structure of DOS which geometry fits better withsinusoidal shape of our matrix waveguides. We optimized five active matrixes that we fabricated and characterized to deduce the propagation and coupling losses, the consumption and the crosstalk. Which were found as a low as -30dB for the best matrix with the good optical polarization state.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La demande pour dispositifs électroniques plus rapides et efficaces n'a jamais été aussi intense. Malgré les avancements continus, les circuits intégrés à base de silicium atteignent leurs limites en matière de vitesse, de densité de stockage de données et de consommation d'énergie, suscitant un intérêt croissant pour les technologies alternatives émergentes. Les commutateurs résistifs, caractérisés par l'effet mémoire sur leur résistance en réponse à un stimulus externe, sont une technologie émergente qui pourrait être incorporée aux futures générations de circuits intégrés pour le traitement et le stockage des données. Leur changement de résistance peut être utilisé pour conserver des données en mémoires non volatiles ainsi qu'en circuits et en réseaux neuronaux implémentés directement sur puce. En plus, les commutateurs résistifs présentent une consommation d'énergie plus basse et une vitesse d'opération plus élevée comparé aux mémoires non volatiles traditionnelles, ce qui pourrait contribuer significativement aux performances des centres des données, serveurs réseau et infrastructures nuagiques. Malgré le potentiel significatif de ces dispositifs, leur incorporation dans les circuits intégrés est encore un défi, surtout en raison des problèmes de fabrication à grande échelle des matrices à haute densité de commutateurs résistifs. Ces défis sont reliés principalement à leur performance et au choix de matériel, ce dernier possédant un rôle central dans le développement des commutateurs résistifs. Le mécanisme et le comportement d'un commutateur résistif, ainsi que ses applications, sont déterminés par le matériel qui compose la couche active. Cette thèse révise les derniers avancements dans le domaine de commutateurs résistifs ainsi que leurs limitations, et propose l'emploi de verres complexes aux chalcogénures pour la fabrication des commutateurs résistifs comme une solution potentielle aux désavantages actuels, à travers de leur tension d'opération et consommation d'énergie plus basses et leur extensibilité. Les verres de chalcogénures présentent une structure électronique unique et conduction ionique qui peuvent être exploitées pour la fabrication des commutateurs résistifs. Dans cette thèse, on étudie un commutateur résistif qui fonctionne selon le mécanisme de métallisation électrochimique, dont des ions d'argent migrent dans un verre de chalcogénure, en changeant sa résistance. Dans la première section de ce travail, on explore la mobilité ionique de l'argent dans la composition binaire de chalcogénure As₂S₃ avec les microscopies Raman et conductive. On démontre que l'énergie thermique est capable de promouvoir l'intégration des ions d'argent à la matrice vitreuse de chalcogénure, apportant des changements microstructurels et de son comportement électrique. Dans la deuxième partie de ce travail, on a construit des commutateurs résistifs basés sur un verre riche en tellure qui présente des interactions plus faibles avec les ions d'argent, quand comparés à celle des compositions basées sur soufre. Les commutateurs résistifs présentaient des tensions de commutation aussi basses que 0.15 V et 0.6 V, lorsqu'ils fonctionnaient respectivement en courant continu et en impulsions, et étaient capables de résister à des milliers de cycles de commutation. Ces dispositifs sont utiles en réseaux de neurones artificiels en raison de leur basse tension de commutation intrinsèque et basse consommation d'énergie combinée avec leur capacité d'assumer des états de résistance intermédiaires. En plus, la couche de chalcogénure peut être structurée efficacement par photolithographie traditionnelle et gravure ionique réactive, offrant ainsi une compatibilité avec les procédures de fabrication conventionnelles. Les travaux développés dans cette thèse explorent la microfabrication et l'intégration de nouveaux éléments de circuit qui appartiennent à une nouvelle génération de dispositifs pour la mémoire numérique et de calcul dépendants de matériaux non basés sur silicium, en particulier des commutateurs résistifs. Ces dispositifs sont très prometteurs pour une gamme d'applications, des technologies de mémoire avancées aux plateformes informatiques de pointe. Néanmoins, leur mise en œuvre pratique nécessite une compréhension nuancée de l'interaction complexe entre les matériaux, la conception et les processus de fabrication. Malgré les progrès notables dans le domaine des commutateurs résistifs, il est évident qu'il reste encore une multitude de défis, ce qui justifie des opportunités d'exploration et d'investigation approfondies avant que ces dispositifs puissent être intégrés dans les circuits électroniques contemporains. / The demand for faster, more efficient electronics has never been greater. Despite the continuous progress, silicon-based integrated circuits are reaching their limit regarding the desired advancements in speed, data storage density, and power consumption, sparking a crescent interest in emerging alternative technologies. Resistive switches, characterised by the memory effect of their resistance in response to external stimuli, are an emerging technology that could be incorporated into future generations of integrated circuits for data processing and storage. Their resistance changes can be used to store data in nonvolatile memories, unique circuit designs, and neural networks implemented directly on chip. In addition, resistive switches present lower power consumption and higher speed than traditional nonvolatile memories, which could substantially improve the performance of data centres, network servers, cloud computing, etc. Despite the significative potential of these devices, their incorporation with traditional integrated circuits remains a challenge due to fabrication issues in large-scale manufacturing of high-density arrays of resistive switches. These challenges come mainly from material selection and performance, which also play a pivotal role in developing resistive switches. The mechanism and behaviour of a resistive switch, and ultimately its applications, are determined by the material composing the switching layer. This thesis reviews the latest advances in the field of resistive switches as well as their current limitations and proposes the use of complex chalcogenide glasses in resistive switches as a potential solution to current drawbacks by providing low operating voltages, low power consumption, and scalability. Chalcogenide glasses present unique electronic structures and ionic conduction, which can be exploited in the fabrication of resistive switches. In this thesis, we study a resistive switch based on the electrochemical metallisation mechanism, where silver ions migrate inside the chalcogenide glass, changing its resistance. In the first part of this work, we explore the ionic mobility of silver in the binary chalcogenide As₂S₃ through conductive and Raman microscopies. We demonstrate that thermal energy can promote the integration of silver ions into the chalcogenide glass matrix, changing its microstructure and its electrical behaviour. In the second half of this work, we built resistive switches based on tellurium-rich chalcogenide glasses, which offer less interaction with silver ions when compared to sulphur-based compositions. The resistive switches showed switching voltages as low as 0.15 V and 0.6 V, when operating in DC and pulsed conditions, respectively, and were able to withstand thousands of switching cycles. These devices are useful in artificial neural networks due to their intrinsic low switching voltages and low power consumption combined with their ability to assume intermediate resistance states. Also, the chalcogenide layer can be effectively patterned using well-established photolithography techniques in tandem with reactive ion etching, offering compatibility with conventional fabrication procedures. The work developed in this thesis explores microfabrication and the integration of novel circuit elements, which are integral components of a new generation of memory and computing devices reliant on non-silicon materials, specifically resistive switches. These devices hold substantial promise for a range of applications, from advanced memory technologies to cutting-edge computing platforms. Nevertheless, their practical implementation demands a nuanced understanding of the intricate interplay between materials, design, and fabrication processes. Despite the notable progress in the field of resistive switches, it is evident that there is still a multitude of challenges for enhancement, warranting comprehensive exploration and investigation opportunities before these devices can be integrated into contemporary electronic circuits.

The new concept of Multi-Level Current Reinjection (MLCR) combines the advantages of DC ripple reinjection, multi-level conversion and soft-switching technique. Taking advantage of the soft-switching technique which uses zero current switching for the main bridge switches, thyristor based MLCR current source converter (CSC) is proposed. This concept adds self-commutation capability to thyristors and produces high quality line current waveforms. Various thyristor based MLCR CSC topologies have been simulated extensively using PSCAD/EMTDC in this thesis and their performance characteristics investigated. Questions have been raised about the ability to force the main thyristors off using the reinjection bridge in a real-world implementation, where there are inevitable stray capacitances and inductances which may influence the thyristor turn-off; and simulation switching models may not represent the switching characteristics fully or accurately. For this proof of concept, a small scale prototype has been built in the laboratory. The 3-level MLCR CSC, which increases the pulse number from 12 to 24, is chosen to verify the concept. The experimental investigation of the 3-level MLCR CSC, under steady-state conditions, verified the following: • The reinjection current allows the main bridge thyristors to be switched at negative firing angles. • This current reinjection technique allows self-commutation capability in a practical system despite the finite turn-off times of the thyristor. • This current reinjection technique improves the harmonic characteristics of the thyristor based converter. • It is observed that the deviation of the actual waveforms from the theoretical waveforms is mainly due to the snubber across the reinjection switch, and a trade-off in the choice of snubber components is required.

Th. doct.-ing.--Génie électrique--Nancy--I.N.P.L., 1980.