La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d'une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l'intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d'onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d'obtenir un laser mono-longueur d'onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d'onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d'un laser accordable hybride III-V sur silicium.

Actuellement, un intense travail de recherche a lieu dans le domaine de la conception optique, tant au niveau industriel qu'académique. Cette thèse de doctorat s'incrit dans ce contexte général en abordant l'extension et l'utilisation de programmes commerciaux de conception optique dans de nouvelles branches de l'ingénierie optique, incluant l'optique intégrée, la mise en forme de faisceau et les sytèmes optiques hybrides diffractifs/conventionnels. Afin de modéliser ces nouveaux systèmes, j'ai développé de nouvelles techniques permettant de rendre leur analyse et leur conception plus "puissantes" que par les méthodes précédemment en usage, par la précision, la rapidité de calcul, la convivialité ou les degrés de liberté à la disposition du concepteur. Ces travaux ont parfois nécéssité la mise en place de nouvelles descriptions des phénomènes physiques mis en jeu, mais ils ont sutout été axés sur la recherche d'une mise en oeuvre efficace (usuellement basée sur le tracé exact de rayons) d'approches déjà connues...

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent sur l’alimentation d’actionneurs de type piézo-électrique qui seront placés sur la partie tournante d’une perceuse. Ces actionneurs possèdent un comportement capacitif et sont habituellement alimentés par des systèmes linéaires. Une étude de dimensionnement et de conception a été menée sur différents amplificateurs à découpage qui peuvent fournir, dans un repère fixe, un signal de puissance sinusoïdal à fréquence variable dans les meilleures conditions possibles (rendement et THD). Ensuite, un système pouvant transférer l’énergie sans contact à l’actionneur piézo-électrique placé sur un repère tournant a été analysé. Cela a été possible grâce à l’utilisation des systèmes à induction, c’est-à-dire, par couplage magnétique à travers un transformateur tournant présentant un entrefer. Trois types de systèmes de transfert d’énergie sans contact ont été étudiés : l’un qui travaille à la fréquence de l’actionneur [50-500 Hz] et deux autres basés sur des stratégies de résonance permettant ainsi de diminuer les dimensions du coupleur magnétique. Pour cela, la modélisation tant magnétique qu’électrique a été effectuée dans les trois systèmes.Un prototype d’onduleur en pont complet fournissant jusqu’à 680 VAR a été réalisé. Ce dernier est placé en amont d’un coupleur magnétique basse fréquence transférant 1,75 kVAR à l’actionneur piézo-électrique en rotation. Les résultats obtenus en pratique ont montré la pertinence du travail de dimensionnement et conception. / Placed on the rotating part of a drilling system. These actuators have a capacitive behavior and are usually supplied by linear systems. In this case, the design and the sizing of different switching amplifiers that provide, in a fixed frame, a sinusoidal power signal with modular frequency in the best possible conditions (efficiency and THD) have been made. Then, a contactless power system for piezoelectric actuators placed in a rotating frame was analyzed. This was possible thanks to the use of induction systems through a rotating transformer with an air gap. Three types of contactless systems were studied. The first one works at modular low frequencies [50-500 Hz] and the other two use resonant strategies in order to reduce transformer’s size. For this, both magnetic and electrical modeling was performed in the three cases.A full-bridge inverter prototype that can deliver up to 680 VAR and a low frequency contactless energy transfer system of 1.75 kVAR that supplies the piezoelectric actuator at rotating frame have been made. Experimental results showed satisfactory results and proved the system feasibility.

L'objectif de cette thèse est l'étude et la réalisation d'une nouvelle application des convertisseurs multicellulaires parallèles. Le but est de concevoir un système pouvant injecter des forts courants transitoires (milliers d'Ampères) dans l'âme conductrice de câbles haute tension à courant continu afin de mesurer la répartition des charges électriques dans l'isolant par la méthode de l'onde thermique. La structure proposée est basée sur la mise en parallèle de modules de convertisseurs DC/DC à phases couplées utilisant des transformateurs intercellules (ICT). La solution proposée permet de concevoir un dispositif à faible encombrement (portabilité). Une approche de dimensionnement des ICT cycliques basée sur la détermination d'un modèle analytique généralisé permettant de quantifier le flux et la densité de flux à travers le circuit magnétique, est présentée. Une méthode d'optimisation consistant en une permutation des ordres de commande des phases est utilisée pour réduire l'encombrement du coupleur magnétique. Un prototype de convertisseur multicellulaire utilisant un ICT cyclique planar de puissance a été réalisé. Il s'agit d'un module 12 phases, fonctionnant comme une source de courant régulé de 1200 A (grâce à une boucle de régulation de courant), et dont la puissance est de 30 KW. Des résultats expérimentaux validant la possibilité d'utiliser la solution proposée pour la caractérisation diélectrique des câbles haute tension à courant continu sont présentés dans le mémoire. / The purpose of this study is the design of a new application for parallel multi-cell converters. The aim is to setup a portable system that can inject a high current (several Amps current) within 2 s in the conducting core of a HVDC cable, and determinate the distribution of electrical space charge through the insulation using the Thermal Step Method (TSM). The proposed structure will be constituted of paralleled coupled multiphase buck converters using InterCell Transformers (ICT). A dimensioning theoretical approach of planar intercell transformer based on the magnetic core saturation condition is presented. The proposed method is based on calculating a generalized expression on the magnetic flux density matrix for any number of cells. Permutation method is used in order to reduce the magnetic core volume. Its principle is to reduce the flux concentration in the magnetic core by modifying the phase-shift of two successive cells.Finally, the experimental prototype (12-cells 30 kW power converter) using cyclic planar ICT is designed and tested. The converter is used to generate regulated current pulses of 1200 Amps (its operating mode is similar to a current source). Experimental results (thermal step current measurements) are includes in order to confirm the ability of using the proposed solution for power cable dielectric characterization.

Plusieurs standards de téléphonie mobile ont été définis et sont utilisés actuellement. Dans un avenir proche, avec le développement de la 5G de nouveaux standards et de nouvelles bandes de fréquence faire leur apparition. De ce fait, avec l'utilisation de nombreux circuits dédiés à un standard et donc à une bande de fréquence, des difficultés d'intégration et desproblèmes de coûts apparaissent. Il est donc devenu nécessaire pour les concepteurs de proposer des circuits intégrés reconfigurables pour plusieurs gammes de fréquences avec des modes de fonctionnement différents.Dans un système d'émetteur récepteur, le duplexeur permet l'établissement d'une communication simultanée en utilisant une seule antenne pour la transmission et la réception de données, sans que celles-ci soient corrompues. C'est un composant vital, surtout pour la chaine de réception car la réception du signal désiré dépend de ses caractéristiques. Ce dispositif est conçu sur du matériau piézoélectrique, qui ne permet pas d'obtenir un filtre agile en fonction de la fréquence. Dans ce contexte, il est intéressant de rechercher une nouvelle architecture de duplexeur, permettant une réalisation intégrée et un fonctionnement agile.Plusieurs architectures de duplexeur ont été retenues en se basant sur des études récentes menées dans différentes équipes de recherche. Un classement de ces architectures a été proposé, avec des améliorations pour les rendre intégrables et reconfigurables. Parmi toutes les solutions de duplexeurs passifs étudiées, le duplexeur à coupleur hybride 3dB est unesolution permettant d'obtenir des performances attractives. Les simulations pour différentes bandes de fréquences ont montré qu’il était difficile de respecter les spécifications de l’isolation Tx/Rx. Des solutions possibles ont été présentées et des modifications de la structure d'un amplificateur du LNA ont été évaluées en simulation. Ainsi, les performancesd’isolation peuvent être améliorées grâce à des structures actives d’annulation du signal résiduel Tx.La conception, la réalisation et le test de coupleurs hybrides et duplexeurs sont présentés. Le circuit a été implémenté en utilisant la technologie SOI 0.13 micromètre de ST Microelectronics et mesuré avec un boitier BT soudé sur un support de test PCB. Les performances RF du duplexeur peuvent être ajustées en fonction de la bande de fréquence désirée grâce aux capacités commutées. Les performances RF du coupleur hybride 3dB permettent d’envisager l’application de la structure proposée pour les futurs développements de systèmes de téléphonie. / Several standards have been defined and are currently used on mobile phones. With the high request for the broadband, several new standards are developed and introduced in 5G. This results in the use of many circuits, dedicated to one standard and thus one frequency band, which increase the difficulty of integrating these dedicated circuits and therefore costly. It hasbecome necessary for designers to propose tunable integrated circuit that can address several frequency ranges with different operating modes.The duplexer allows the establishment of simultaneous communications, using a single antenna for sending and receiving data, without any interferences. It is a vital component, especially for receiver. In fact, the quality of the received signal depends greatly on the duplexer characteristics. This device is designed on the piezoelectric material, which does not allow to achieve a tunable filter according to the frequency. In this context, it seems interesting to study a new architecture of duplexer. Therefore, it is necessary to define the duplexer function based on studies and system simulations, thus identify the constraints and technology limitations. Several duplexer architectures were selected based on recent studies in different research teams.A classification of these architectures was proposed and also improvements to make them integrated and tunable. Among all the solutions studied, the duplexer using hybrid 3dB coupler shown the most attractive performance. Simulations for different frequency bands showed that it's difficult to achieve Tx/Rx isolation requirements. Different solutions have been presented and LNA structure have been changed and thus evaluated by simulations. Thanks to that, the Tx/Rx isolation can be improved through active cancellation structures.The final chapter presents the design, implementation and testing of hybrid 3dB coupler and duplexer. It has been implemented using SOI 0.13 micrometer from ST Microelectronics and tested on BT-resin substrat. The RF performance of the duplexer can be corrected according to the desired frequency band through the switched capacitor. The RF performance of the hybrid 3dB coupler is in the line with expectations and allows to consider its integration in future system developments.

La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d’une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l’intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d’onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d’obtenir un laser mono-longueur d’onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d’onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d’un laser accordable hybride III-V sur silicium. / Silicon photonics knew an impressive development in the last ten years. Almost all the fundamental building blocks have been demonstrated and reveal competitive performances. However, the lack of an efficient silicon integrated laser source has led the researchers to develop heterogeneous integration of III-V materials on silicon.In this thesis I describe the design, the fabrication and the performances of these hybrid III-V on silicon lasers. I propose the use of an adiabatic coupler that totally transfers the optical mode between the III-V and the silicon waveguides. The active waveguide on III-V materials at the center of the device provides the optical gain, while, on both side, adiabatic couplers allow a loss-less transfer of the optical mode to the silicon waveguide. Single wavelength emitting lasers are fundamental elements for high bandwidth optical links. I review all the effective solutions enabling single waveguide hybrid III-V on SOI lasers. DBR, microring based, DFB and AWG laser solutions were analysed. Single wavelength operating lasers have been fabricated and characterized. A laser threshold of only 21 mA, an output power of more than 10 mW and tunability over 45 nm with a SMSR of 45 dB have been measured. These devices represent the first demonstration of a monolithically integrated hybrid III-V/Si tunable laser made by wafer bonding technique.

Réseaux locaux, quelques structures. Principes du mecanisme de communication. Implémentation du mecanisme de communication. Réalisation du coupleur

L'apparition des dernières applications de l'internet à haut débit engendre une augmentation importante des échanges d'informations à travers le monde. Pour éviter une saturation inexorable du réseau de télécommunications, les liaisons par fibre optique avec multiplexage en longueur d'onde (DWDM) se généralisent pour permettre la transmission de données avec un débit actuel maximum de 1Tbit/s. L'aiguillage en longueur d'onde des signaux entre les différentes boucles de ce type de réseau est réalisé à l'aide de Multiplexeurs Insertion- Extraction (MIE). Ce mémoire est consacré à l'étude et à la réalisation de deux MIE réalisés par photoinscription de réseaux de Bragg (=filtres sélectifs en longueur d'onde photoinscrits par un champ d'interférence de lumière laser UV) dans des guides optiques à coeur dopé en germanium. Le premier MIE étudié lors de cette thèse est réalisé sur la base d'un coupleur directif en optique intégrée SiO2/Si dans la zone de couplage duquel deux réseaux de Bragg ont été photoinscrits. Le travail a consisté à améliorer à la fois la fabrication des guides optiques (diminution de leur biréfringence) ainsi que leur photoinscription (meilleure apodisation de la réponse spectrale du spectre réfléchi). La conception et la réalisation de premiers prototypes permettant l'extraction de canaux espacés de 200 GHz ont alors pu être effectuées. La deuxième étude se concentre, quant à elle, sur l'optimisation d'un MIE plus mature basé sur un interféromètre de Mach-Zehnder à réseaux de Bragg réalisé en fibre bicoeur. L'influence néfaste du déphasage engendré par les réseaux de Bragg sur la réponse spectrale de l'interféromètre a été discutée et minimisée. La reconstruction de la dispersion chromatique de ces réseaux via la réponse spectrale de l'interféromètre a aussi été étudiée. Des composants industrialisables pour réseaux d'espacements intercanaux de 100 GHz et 50 GHz ont alors pu être réalisés.

Cette thèse apporte une contribution à l'évaluation des potentialités de filières SiGe de type BiCMOS pour les futures applications de télécommunications en bande millimétrique. Dans ce cadre, les topologies équilibrées ou différentielles sont très attrayantes, en raison de leur bonne immunité aux perturbations électriques et électromagnétiques. La montée en fréquence des applications hyperfréquences sur silicium s'accompagne de nouvelles difficultés. Les pertes introduites par les éléments passifs augmentent et les performances des structures différentielles classiques chutent très rapidement. Il est alors nécessaire d'exploiter d'autres techniques et de rechercher des topologies innovantes permettant la réalisation de fonctions équilibrées performantes. Une première partie est consacrée à l'évaluation des potentialités des différentes technologies d'interconnexions (microruban, guides coplanaires et lignes à rubans coplanaires) exploitables pour la conception de circuits monolithiques sur silicium. Dans un second temps, une bibliothèque d'inductances optimisées pour une utilisation en bande K et Ka est constituée. Les mécanismes physiques à l'origine des pertes dans ce type d'élément sont détaillés afin de dégager les solutions permettant d'améliorer leurs performances. Une deuxième partie traite de l'optimisation des performances des circuits différentiels pour les futures applications dans la gamme 20-40 GHz. Dans un premier temps, nous détaillons les caractéristiques hautes fréquences du transistor qui pénalisent le fonctionnement d'une structure différentielle classique. Des topologies de structures différentielles originales permettant de résoudre ce problème sont ensuite proposées. Ces structures sont appliquées à la conception d'un diviseur de puissance actif 180° original, optimisé pour une fréquence centrale de fonctionnement de 20 GHz. Enfin, un convertisseur de fréquences 20 GHz vers 1 GHz a été conçu et réalisé. Celui-ci intègre, outre le mélangeur, le s trois coupleurs actifs 180° nécessaires à la génération / recombinaison des signaux différentiels utiles au mélangeur. La caractérisation de ce convertisseur de fréquences démontre la pertinence des configurations choisies pour les interconnexions ainsi que le grand intérêt des structures différentielles originales mises en Suvre.

L'organisation des systèmes d'entrées sorties. Les entrées sorties dans le système IBM 360. Présentation de l'UCB. Une application de l'UCB : le module interface-canal du système PIAR. Un logiciel de test pour l'UCB. Améliorations et perspectives.