Ce travail de thèse porte sur le couplage d’émetteurs fluorescents (en l’occurrence des nanostructures semi-conductrices colloïdales) à leur environnement optique. Il se décompose en deux parties : dans la première, des structures photoniques (modes de Tamm optiques) sont caractérisées par le biais de la fluorescence de nanocristaux insérés dans ces structures. Dans la seconde, des nanoplaquettes individuelles de CdSe/CdS sont caractérisées par des études de microphotoluminescence sur différents types de substrats. Dans ces deux études, la mesure du diagramme de rayonnement par imagerie dans le plan de Fourier joue un rôle important, et son principe sera présenté en détail. Le mode optique de Tamm est un mode électromagnétique confiné entre un miroir de Bragg et une couche métallique. Nous avons couplé une couche de nanocristaux de CdSe/CdS avec des modes de Tamm optiques 2D et 0D. Le confinement latéral dans le cas du mode 0D est mis en évidence. Nous avons étudié la relation de dispersion de l’émission issue de différentes portions du disque et comparé ces résultats avec les simulations numériques. Enfin, en excitant différentes position sur le disque, nous avons montré que la direction d’émission dépend fortement de la position de la source au sein de la structure. D’autre part, nous avons mis en place une méthode fine pour déterminer la nature dipolaire (dipôle 1D ou 2D) et l’orientation d’un nano-émetteur individuel. L’idée principale est de mesurer à la fois, pour un seul émetteur, le diagramme de rayonnement et la polarisation d’émission. En choisissant un substrat adapté (de l’or ou du verre), ces mesures donnent des résultats théoriques très différents selon la nature et l’orientation du dipôle. Nous avons ensuite appliqué cette méthode sur les émetteurs nanoplaquettes de CdSe/CdS (dimensions 20x20x2 nm). Un accord parfait entre les mesures et les calculs analytiques nous confirme que l’émission d’une plaquette carrée peut être décrite par un dipôle 2D orienté dans le plan de la plaquette. Nous avons ensuite étudié l’émission d’une plaquette rectangulaire et montré une asymétrie dans le dipôle émetteur. Cette étude montre le rôle de la forme de la plaquette sur son dipôle d’émission, qui pourrait être expliqué par un effet d’antenne diélectrique. / Technological progress in the recent 30 years for reducing the size of semi-conductor materials offers the possibility to fabricate devices in which the electrons and holes are confined in a very small volume in three dimensions. When the dimension of the material is small (a few nanometers), the charges experience quantum confinement effects. This kind of nanomaterial is called nanocrystal or quantum dot [1]. These structures have the remarkable property that the energy levels are discretized, in a sense making them artificial atoms. At the beginning of 1980s, Efros, Ekimov et al. started the growth of II/VI semi-conductor nanocrystals in a vitreous matrix [2]. A few years later, colloidal synthesis methods were developed and nanocrystals with increasingly good optical properties were obtained [3-5]. These emitters have drawn intense attention because of their versatile manipulation in solution and biochemical functionalization, high quantum effciency, and photostability, tunable emission wavelength and broad absorption spectrum. By fluorescence microscopy, it is possible to study the optical properties of individual nanocrystals ; non classical effects such as single photon emission (even for nanocrystals at room temperature) are evidenced. Studying individual nano-emitters offers new ways to test the concepts of electromagnetics in the visible domain. Other manipulations are possible by nano structuring the environment around an emitter ; for instance, the use of antennas, which is ubiquitous in the radio and microwave domains, can be extended to nano-photonics, provided that sufficiently precise nano-fabrication techniques are available. The group "Nanophotonics and quantum optics" at the Institut de NanoSciences de Paris (INSP) studies how to manipulate light by coupling fluorescent emitters (individually or collectively) with their optical environment. The emission properties of nanoemitters depend strongly on their optical environment. This is expressed, as for the decay time of a radiating dipole, by Fermi's golden rule: where the initial and final state of the nanoemitter transition are taken into consideration; the polarization of these states can infuence highly the emission properties (determined by the symmetries of the transition and its associated orientation). The local state density which is mainly determined by the optical environment around the emitter and depends on the emission angular frequency. The electric field at the emitter position is included in the Hamiltonian (for a dipolar electric transition). Previously, our team has studied the coupling between the nanocrystal and different nanophotonic structures such as photonic crystals, plasmonic structures, plasmonic patch antennas etc...

Modélisation du couplage mutuel présent dans un réseau d'antennes : étude théorique, applications au radar MIMO et à un contexte RFID. Le couplage mutuel est un phénomène électromagnétique susceptible de se produire dans les réseaux d'antennes. Il est dû aux interactions électromagnétiques qui se produisent entre les éléments d'un réseau d'antennes et induisent une modification des paramètres intrinsèques des antennes. Lorsque la distance inter-élément diminue, les effets du couplage mutuel augmentent. La prise en compte du couplage mutuel dans les réseaux d'antennes, lors de leur conception ou dans les algorithmes de traitement d'antennes, permet d'avoir accès aux caractéristiques de rayonnement réel de chaque élément du réseau, ce qui peut par exemple permettre d'améliorer les performances de détection/localisation de cibles à l'aide d'un radar MIMO (Multiple Input Multiple Output). Dans un contexte RFID (Radio Frequency IDentification), modéliser le couplage mutuel permet de modéliser le système formé par un ensemble de tags et de statuer sur le comportement du système dans une configuration donnée. Cette thèse porte sur la modélisation du couplage mutuel présent dans un réseau d'antennes. Nous avons d'abord proposé une nouvelle méthode de modélisation du diagramme de rayonnement de l'élément actif basée sur la résolution de problèmes d'optimisation au sens des moindres carrés pour trouver les pondérations complexes qui modélisent les interactions électromagnétiques entre les éléments du réseau. Ces pondérations complexes peuvent être utilisées comme des lois d'excitation à appliquer à une antenne isolée décrivant les positions des éléments du réseau, afin d'étudier expérimentalement le comportement d'un réseau d'antennes. Cette modélisation du couplage mutuel est ensuite appliquée dans un contexte radar MIMO où nous montrons qu'il est possible de synthétiser le diagramme de rayonnement de l'élément actif sur une plateforme expérimentale de radar MIMO composée d'une seule antenne émettrice et d'une seule antenne réceptrice qui se déplacent sur des rails en des positions prédéfinies. A la réception, la matrice des signaux reçus est obtenue en appliquant le principe de superposition. Nous avons également cherché à modéliser le couplage mutuel en proposant une formulation théorique de l'impédance mutuelle entre les éléments d'un réseau de dipôles fins aléatoirement répartis dans un plan afin d'appliquer cette modélisation du couplage mutuel à un contexte RFID, où les tags, représentés par les dipôles, sont éparpillés dans un plan et éclairés par un lecteur. Nous avons également proposé une formulation théorique de l'impédance d'entrée du dipôle environné et avons étudié les effets du couplage mutuel sur les deux paramètres intervenant dans le bilan d'une liaison RFID : l'adaptation (la bande passante) et le diagramme de rayonnement du dipôle environné. Nous avons montré qu'il était possible de synthétiser le diagramme de rayonnement du dipôle environné et de trouver la modification de l'adaptation du dipôle environné, ce qui, à terme, permettrait de statuer sur le taux et/ou la distance de lecture d'une communication RFID dans un contexte haute densité / Modeling of the Mutual Coupling Present in an Antenna Array: TheoreticalStudy, Applications to MIMO Radar and RFID ContextMutual coupling is an electromagnetic phenomenon that can occur in antenna arrays. It is due to the electromagnetic interactions that occur between the elements of an antenna array and induce a modification of the intrinsic parameters of the antennas. Taking into account mutual coupling in antenna arrays, when designing them or in antenna processing algorithms, provides access to the real radiation characteristics of each array element which can, for example, improve target detection/localization performance using a Multiple Input Multiple Output (MIMO) radar. In an RFID (Radio Frequency IDentification) context, modeling mutual coupling makes it possible to model the system formed by a set of tags and to decide on the behavior of the system in a given configuration. This thesis focuses on the modeling of the mutual coupling present in an antenna array. We first new method for the active element pattern synthesis based on solving optimization problems in the least squares sense to find the complex weights that model electromagnetic interactions between network elements. These complex weights can be used as excitation laws to be applied to an isolated antenna describing the positions of the array elements, in order to experimentally study the behavior of an array of antennas. This mutual coupling modeling is then applied in a MIMO radar context where we show that it is possible to synthesize the radiation pattern of the active element on an experimental MIMO radar platform composed of a single transmitting and a single receiving antenna that moves on rails in predefined positions. On reception, the matrix of received signals is obtained by applying the principle of superposition. We also sought to model mutual coupling by proposing a theoretical formulation of the mutual impedance between the elements of an array of fine dipoles randomly distributed in a plane in order to apply this mutual coupling modeling to an RFID context, where the tags, represented by the dipoles, are scattered in a plane and illuminated by a reader. We also proposed a theoretical formulation of the input impedance of the surrounding dipole and studied the effects of mutual coupling on the two parameters involved in the balance of an RFID link: the adaptation (bandwidth) and the radiation pattern of the surrounding dipole. We have shown that it is possible to synthesize the radiation pattern of the surrounded dipole and to find the modification of the adaptation of the surrounded dipole, which, in the long term, would allow to decide on the read rate and/or the reading distance of an RFID communication in a high density context.

Le contrôle 3D de la lumière est réalisé, à l'échelle de la longueur d'onde, dans des circuits photoniques intégrés. La brique élémentaire choisie dans cette étude est le cristal photonique (CP) membranaire qui, par ses propriétés de dispersion, permet un contrôle de la lumière à la fois dans le plan (optique guidée) et hors du plan (dispositifs adressables par la surface). En particulier, l'exploitation de modes de Bloch situés au point Gamma de la courbe de dispersion (k//=0) permet l'émission de la lumière dans la direction verticale. Dans cette étude, nous nous sommes focalisés sur des cristaux photoniques à réseaux de micropiliers, comme alternative aux réseaux de trous, mais également en envisageant la possibilité d'intégrer ces structures dans des systèmes microfluidiques, les fluides ayant la capacité de circuler au travers des réseaux de piliers. Nous décrirons dans une première partie, des dispositifs à CP à émission par la surface. Nous démontrerons, pour la première fois, que l'utilisation de modes fortement résonants permet de réaliser des microlasers à réseaux de piliers en InP. Les modes faiblement résonants peuvent être utilisés pour la réalisation de miroirs à CP et de microcavités Fabry-Pérot constituées uniquement de tels miroirs. Les facteurs de qualité obtenus (>10000) rendent possible la fabrication de nouveaux types de VCSEL. Dans une seconde partie, nous nous intéresserons à la problématique de l'intégration de ces dispositifs dans un circuit photonique 3D. Tout d'abord, nous expliquerons comment il est possible d'optimisation le diagramme de rayonnement des composants. Ensuite, nous étudierons le couplage de dispositifs à cristaux photoniques avec un ou deux guides d'onde ruban en silicium. De fortes efficacités de couplage sont obtenues en simulation FDTD 3D (95%). Ces dispositifs en cours de fabrication en collaboration avec le LETI-CEA de Grenoble permettront de démontrer expérimentalement ce couplage.

Que ce soit dans le domaine médical ou en contrôle non destructif, les systèmes d'imagerie ultrasonore sont devenus de plus en plus utilisés de nos jours. Leurs applications ne cessent de s'élargir et des performances toujours plus accrues sont vivement recherchées, afin d'améliorer la qualité des diagnostics réalisés. Nous sommes donc passés de l'utilisation de systèmes à base de transducteurs ultrasonores mono-élément à des systèmes utilisant des réseaux de transducteurs à une dimension (1D) et à deux dimensions (2D) composés d'éléments de plus en plus nombreux et petits. Néanmoins, un phénomène indésirable est fortement présent dans ces réseaux de transducteurs ultrasonores : il s'agit du couplage inter-éléments tendant à limiter leurs performances acoustiques et à modifier leur diagramme de rayonnement. Tout au long de ce travail de recherche, nous avons donc cherché à comprendre ce phénomène parasite et à apporter des solutions pour le réduire voire le supprimer. En se basant sur des modélisations éléments finis 2D et 3D et grâce à la fabrication de prototypes, nous avons d'une part, mis en évidence les différents types de couplages présents dans un réseau de transducteurs (acoustique, mécanique) et d'autre part, deux méthodes de correction basées l'une comme l'autre sur l'application de tensions convenables aux différents éléments du réseau ont été testées. La première méthode utilise les déplacements normaux moyens à la surface de chaque élément du réseau pour évaluer ces tensions, tandis que la deuxième fait appel aux courants motionnels parcourant chaque élément pour les déterminer. Les résultats numériques et expérimentaux concernant les déplacements et les diagrammes de rayonnement sont en bon accord. En outre, les deux méthodes s'avèrent particulièrement efficaces pour réduire le couplage inter-éléments.

Lors de cette thèse, on a développé un banc automatisé de relevé du diagramme de rayonnement particulièrement pour des antennes millimétriques avec faible directivité. On propose trois méthodes d'alimentation. La première méthode développée a été de concevoir une nouvelle sonde ayant un accès micro-coaxial de plus de 5cm afin de réduire la zone de masquage au minimum. Associée à une configuration de type flip-chip inversée, cette méthode a permis d'avoir une réduction de la zone de masquage de 80° à 20°. La deuxième méthode a été de concevoir une liaison souple par film souple de Kapton. Cette méthode présente l'avantage de placer une plus grande partie des connexions métalliques sous un plan de masse, mais nécessite une connexion optimale à la puce. Les résultats obtenus présentent une zone de masquage pratiquement inexistante, et sont conformes à l'état de l'art. La troisième méthode SER est basée sur la mesure de l'antenne sans placer de sondes ou de connecteurs spéciaux, mais en utilisant un système à charges connues. La simulation nous montre qu'il nous manque une dynamique par ces trois charges.

La chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM) est une cavité métallique fermée surdimensionnée, équipée d’un brasseur de modes. Le brassage de modes rend le champ électromagnétique homogène et isotrope à l’intérieur de la CRBM (dans son volume utile). Cette thèse illustre tout d’abord une nouvelle méthode pour évaluer les performances d’un brasseur de modes (via le spectre Doppler). Ensuite, elle présente une nouvelle méthode permettant de mesurer la surface équivalente radar (SER) d’un objet canonique en utilisant la technique de fenêtrage temporel ou time-gating. Enfin, elle présente une nouvelle méthode permettant de mesurer le diagramme de rayonnement d’une antenne dans une cavité surdimensionnée via la technique de time-gating. / The reverberation chamber (RC) is an oversized closed metal cavity, equipped with a mode-stirrer. The mode stirring makes the electromagnetic field homogeneous and isotropic inside the RC (in its useful volume). This thesis illustrates firstly a new method for evaluating the performance of a mode-stirrer (via the Doppler spectrum). Then, it presents a new method for measuring the radar cross section (RCS) of a canonical object using the time-gating technique. Finally, it presents a new method for measuring the antenna radiation pattern in an oversized cavity via the time-gating technique.

Que ce soit dans le domaine médical ou en contrôle non destructif, les systèmes d’imagerie ultrasonore sont devenus de plus en plus utilisés de nos jours. Leurs applications ne cessent de s’élargir et des performances toujours plus accrues sont vivement recherchées, afin d’améliorer la qualité des diagnostics réalisés. Nous sommes donc passés de l’utilisation de systèmes à base de transducteurs ultrasonores mono-élément à des systèmes utilisant des réseaux de transducteurs à une dimension (1D) et à deux dimensions (2D) composés d’éléments de plus en plus nombreux et petits. Néanmoins, un phénomène indésirable est fortement présent dans ces réseaux de transducteurs ultrasonores : il s’agit du couplage inter-éléments tendant à limiter leurs performances acoustiques et à modifier leur diagramme de rayonnement. Tout au long de ce travail de recherche, nous avons donc cherché à comprendre ce phénomène parasite et à apporter des solutions pour le réduire voire le supprimer. En se basant sur des modélisations éléments finis 2D et 3D et grâce à la fabrication de prototypes, nous avons d’une part, mis en évidence les différents types de couplages présents dans un réseau de transducteurs (acoustique, mécanique) et d’autre part, deux méthodes de correction basées l’une comme l’autre sur l’application de tensions convenables aux différents éléments du réseau ont été testées. La première méthode utilise les déplacements normaux moyens à la surface de chaque élément du réseau pour évaluer ces tensions, tandis que la deuxième fait appel aux courants motionnels parcourant chaque élément pour les déterminer. Les résultats numériques et expérimentaux concernant les déplacements et les diagrammes de rayonnement sont en bon accord. En outre, les deux méthodes s’avèrent particulièrement efficaces pour réduire le couplage inter-éléments. / Whether in medicine or in non-destructive testing, ultrasonic imaging systems have become increasingly used nowadays. Their applications continue to expand and good performances are needed to improve the quality of the diagnosis. Moreover, significant progress has been made since these systems were originally based on single element ultrasonic transducers and are now made of mono-dimensional (1D) and bi-dimensional (2D) elements arrays ever more numerous and smaller. However, an undesirable phenomenon is strongly present in the ultrasonic transducer arrays: it is the cross-talk, which limits their acoustic performances and modifies their radiation pattern. Throughout this research, we have attempted on one hand to understand this parasitic phenomenon and on the other hand to provide solutions in order to reduce it or even remove it. To highlight the cross-talk types (acoustic and mechanical) and to test the proposed correction methods, we developed two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) finite element modeling and fabricated some prototypes. Both correction methods rely on the application of suitable voltages to the array elements. The first method uses the average of the normal displacements at the surface of each element to evaluate the voltages, while the second one utilizes the motional currents through each element to determine them. The numerical and experimental results concerning the displacements and the radiation patterns are in good agreement. In addition to this, both methods have been efficiently performed to reduce the cross-talk.

Cette thèse étudie l'ingénierie, à partir de boites quantiques uniques (BQ), de sources déterministes de paires de photons intriqués selon deux procédés: l'intrication en polarisation lors de la cascade radiative du bi-exciton, et l'intrication temporelle de deux photons indiscernables. Le degré d'intrication est calculé afin d'évaluer quantitativement l'impact de: la levée de dégénérescence de l'exciton (splitting), le renversement de spin, l'interaction de l'exciton avec son environnement. Dans les deux cas l'intrication peut être restaurée en accélérant la durée de vie radiative de l'exciton par effet Purcell. Pour cela, un moyen approprié est une cavité à cristal photonique gravée dans une membrane suspendue (CP2D) contenant la BQ, qui permet aussi une augmentation de l'efficacité de collection. Les requis technologiques d'alignement de la BQ avec la cavité sont aussi étudiés. Cependant les effets de cavité sont insuffisants pour corriger le splitting, qui peut être réduit avec un champ électrique variable vertical. Ceci a été vérifié expérimentalement en développant une technologie pour produire des diodes PIN compatibles avec les CP2D.

Lors de cette thèse, on a développé un banc automatisé de relevé du diagramme de rayonnement particulièrement pour des antennes millimétriques avec faible directivité. On propose trois méthodes d’alimentation. La première méthode développée a été de concevoir une nouvelle sonde ayant un accès micro-coaxial de plus de 5cm afin de réduire la zone de masquage au minimum. Associée à une configuration de type flip-chip inversée, cette méthode a permis d’avoir une réduction de la zone de masquage de 80° à 20°. La deuxième méthode a été de concevoir une liaison souple par film souple de Kapton. Cette méthode présente l’avantage de placer une plus grande partie des connexions métalliques sous un plan de masse, mais nécessite une connexion optimale à la puce. Les résultats obtenus présentent une zone de masquage pratiquement inexistante, et sont conformes à l’état de l’art. La troisième méthode SER est basée sur la mesure de l’antenne sans placer de sondes ou de connecteurs spéciaux, mais en utilisant un système à charges connues. La simulation nous montre qu'il nous manque une dynamique par ces trois charges. / In this thesis, we designed and built a new 3D test bench, particularly for low-directivity integrated antennas at millimeter-wave frequencies. We proposed three feeding techniques for the antenna under test (AUT): a probe-fed technique, a flexible-transmission-line-fed technique and a radar-cross-section (RCS) method. The probe-fed method was developed with a customized probe, which involves an elongated (50 mm) coaxial line between the probe tip and the probe body, wherein the probe body is reversed (relative to the conventional measurement configuration) so it lies below the plane of the AUT. This method reduces the range of angles that are masked from 80° (for a conventional probe setup) to 20°. The second method was developed using a flexible transmission line with a modified flip-chip connection to the AUT. This method completely eliminates the masked zone. The third method characterizes the radiation pattern using a radar cross-section (RCS) method. This method requires neither a probe system nor connectors. However the simulation results demonstrate that there is insufficient variation in the ratio of received power to incident power as the load on the AUT is varied in order to make precise measurement with conventional measurement equipment.

Le développement des antennes modales, qui sont des antennes actives reconfigurables en diagramme de rayonnement mais pas en réseaux, a commencé pour pouvoir implémenter le dépointage électronique dans les téléphones portables. Cette solution est généralement réalisée par un réseau d’antennes, ce qui est très difficile, voire impossible, dans un téléphone portable. Le dépointage permettrait d’améliorer le bilan de liaison et d’augmenter le débit des données.Le premier objectif de cette thèse est donc de développer des antennes modales pour la norme LTE. Trois concepts d’antennes modales ont été présentés. Le premier est une antenne de type « folded loop » active reconfigurable par permutation des points d’alimentation et de retour à la masse. Le deuxième propose une architecture pour rassembler l’antenne principale et l’antenne diversité en bas du téléphone, tout en supportant le MIMO et l’agrégation de porteuses, deux des spécificités de la LTE. Le dernier optimise l’utilisation de la seconde antenne des systèmes LTE MIMO pour procéder au dépointage électronique.Ces antennes modales ne peuvent délivrer leur réel potentiel qu’en étant utilisées avec un algorithme de pilotage, qui choisira la configuration ou le mode approprié(e) à la situation. Le second objectif de cette thèse est donc le développement d’algorithmes intelligents de pilotage d’antennes modales. Le premier algorithme développé et breveté par la société Ethertronics a la particularité de prédire à chaque instant quel sera le meilleur mode à l’instant suivant, à l’aide de données en bande de base pour la LTE. Le second algorithme est déterministe et permet d’estimer et de suivre la direction d’arrivée du signal. Il sélectionne ensuite le mode qui possède le meilleur gain dans cette direction, dans le but d’améliorer le bilan de liaison. / The development of modal antennas which are radiation pattern reconfigurable active antennas, but not arrays, started in order to implement beam forming in cellphones. This solution is generally made with an antenna array, which is very difficult, even impossible, in a mobile phone. Beam forming could improve the link budget and increase the data rate. The first aim of this thesis is the development of modal antennas for LTE standard. Three modal antennas concepts were presented. The first one is a reconfigurable “folded loop” active antenna by permutation of feed and ground points. The second one is a solution to gather the main and the diversity antenna in the bottom part of the phone, and to support MIMO and carrier aggregation, which are two features of LTE. The last one optimizes the use of the second antenna in LTE MIMO systems in order to perform beam forming. These modal antennas will provide their real potential only by being used by a driving algorithm which will choose the best mode or configuration according to the situation. So, the second aim of this thesis is the development of smart modal antenna driving algorithms. The first algorithm, developed and patented by Ethertronics, has the specificity to predict, at each moment, which mode will be the best for the next moment, by using baseband data for LTE. The second algorithm is deterministic and can estimate and track the direction of arrival of the signal. Then, it selects the mode which has the best gain in this direction in order to improve the link budget.