Dans un contexte d'?volution incessante des moyens de communications sans fil, les inqui?tudes perdurent malgr? les l?gislations existantes. L'accroissement d'usages divers et vari?s des t?l?phones mobiles impliquent des questionnements sur l'exposition induite par ces nouveaux usages. Ce manuscrit permet d'enrichir les connaissances en dosim?trie num?rique en prenant en consid?ration la variabilit? des conditions d'utilisation. Pour une ?valuation pr?cise de l'exposition, la m?thode des Diff?rences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD) qui a prouv? son efficacit?, est employ?e. L'objectif est de quantifier pr?cis?ment le D?bit d'Absorption Sp?cifique (DAS) induit dans des organes comme le cerveau et les organes reproducteurs. Dans cette analyse, une attention particuli?re sera port?e sur les usages potentiels des t?l?phones portables par les enfants. Le choix des configurations couvre diff?rentes technologies, usages et bandes de fr?quences permettant d'?tudier la sensibilit? du DAS ? la variabilit? de ces param?tres, pour une meilleure ma?trise de l'exposition r?elle, au-del? du probl?me de la conformit?. Le nombre important des variables oblige ? simplifier les mod?les de simulation par la construction de m?ta-mod?les statistiques afin de r?duire les co?ts de calcul. La m?thode spectrale par Chaos Polynomial (CP) d?di?e ? la gestion des incertitudes et ? l'analyse de sensibilit? est adopt?e pour la mise en place d'un mod?le approch? du DAS. Afin d'aboutir ? une repr?sentation par CP fiable et peu co?teuse en termes de simulations, l'utilisation par CP creux et adaptatif est appliqu?e. Seuls les termes les plus significatifs sont retenus dans la d?composition par CP. Cette approche est appliqu?e aux probl?mes en dosim?trie num?rique afin de propager les incertitudes portant sur les param?tres d'entr?e dans les simulations et de quantifier l'impact de ces incertitudes sur l'exposition (e.g. impact de la localisation du t?l?phone sur la dispersion du DAS) avec un faible co?t de calcul / Nowadays, wireless communication are being more and more developed, however, concern about their effects persist, despite of existing legislations. Indeed, the increasing use of mobile phone leads to address exposure issues to these devices. The objective of this thesis is to give better insights on numerical dosimetry, based on its configurations' variability. In order to evaluate the real exposure, we employ the well-known Finite-difference time-domain method (FDTD), which has already proven its efficiency. We aim at quantifying precisely the generated Specific absorption rate (SAR) on some human organs such as the brain and reproductive organs. In this work, we particularly focus, among other aspects, on the impact of mobile phones on children. We investigate different configurations involving various technologies, usages and frequency bands, such that we can study the SAR sensitivity to these parameters and, consequently, has the best possible estimate of the actual exposure level, independently of conformity issues. Due to the large number of parameters to be considered to deal with such an analysis, we simplify our simulation model by building statistical meta-models that enable us to reduce the calculation cost. Regarding the SAR modeling, we opt for Polynomial Chaos (PC) spectral methodology to deal with both uncertainty management and sensitivity analysis. To simplify the model and reduce simulation costs, we used parsimonious approximations, which aim to automatically identify the most significant terms in the PC decomposition, by a sparse and adaptive conception. Such approximations are applied to numerical dosimetry problems, where uncertainties are introduced on input parameters of the simulation and their impact is studied at the outputs, using low calculus cost. Using this approach, we analyze for example the position effect of the mobile phone on the SAR dispersion

Globally increasing levels of bandwidth and capacity requirements force the optical communications industry to produce new products that are faster, more powerful, and more efficient. In particular, optical-electronic-optical (O-E-O) conversions in Wavelength Division Multiplexing (WDM) mechanisms prevent higher data transfer speeds and create a serious bottleneck for optical communications. These O-E-O transitions are mostly encountered in the Wavelength converters of WDMs, and as a result, all-optical wavelength conversion methods have become extremely important. The main discussion in this thesis will concentrate on a specific all-optical wavelength conversion mechanism. In this mechanism, photonic crystal structures are integrated with moving MEMS/NEMS structures to create a state-of-the-art all-optical wavelength converter prototype. A wavelength conversion of 20% is achieved using this structure. Since the interaction of light with moving MEMS/NEMS structures plays an important role in the proposed wavelength conversion mechanism, modeling and simulation of electromagnetic waves becomes a very crucial step in the design process. Consequently, a subsection of this thesis will focus on a proposed enhancement to the finite-difference time-domain (FDTD) to model moving structures more efficiently and more realistically. This technique is named "Linear Dielectric Interpolation" and will be applied to more realistically and efficiently model the proposed photonic crystal MEMS/NEMS wavelength conversion mechanism.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-03-07T15:43:59Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AnaliseBidimensinalEfeitos.pdf: 2618190 bytes, checksum: 98294a9109bd96f5e30f9814eb8f51b9 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-05-15T12:40:26Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AnaliseBidimensinalEfeitos.pdf: 2618190 bytes, checksum: 98294a9109bd96f5e30f9814eb8f51b9 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-05-15T12:40:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AnaliseBidimensinalEfeitos.pdf: 2618190 bytes, checksum: 98294a9109bd96f5e30f9814eb8f51b9 (MD5) Previous issue date: 2013 / Neste trabalho é analisado o comportamento da densidade de corrente em cabos OPGW quando submetidos a descargas atmosféricas. Para esta análise, foram aplicados dois modelos de corrente, uma vez que a descarga atmosférica tem duas componentes principais que causam mais danos aos cabos em geral: a componente impulsiva e a componente contínua. O método numérico utilizado para as simulações computacionais é o método ADI-FDTD (Diferenças Finitas no Domínio do Tempo de Direções Alternadas Implícitas), o qual é truncado pela técnica CPML (Convolutional Perfectly Matched Layers). Com base no comportamento da corrente no cabo, é feita uma avaliação para determinar qual das duas componentes de descarga atmosférica pode causar mais danos aos cabos OPGW. / In this work it is analyzed the behavior of the electrical current density in OPGW cables when they are subjected to lightning. For this analysis, two models of current were applied, since lightning has two main components that usually cause more damages in the cable: the impulsive component and the direct-current component. The numerical method used for computer simulations is the method ADI-FDTD (Finite Difference Time Domain of Alternating Directions Implicit), which is truncated by CPML technique (Convolutional Perfectly Matched Layers). Based on the behavior of current in the cable, it is done an evaluation to determine which lightning component can cause more damages to the OPGW cable.

Submitted by camilla martins (camillasmmartins@gmail.com) on 2017-01-27T18:05:44Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AntenasGrafenoControle.pdf: 2872139 bytes, checksum: 640c2c9b2c6b1b40e710e9158282cd11 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-01-30T14:20:13Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AntenasGrafenoControle.pdf: 2872139 bytes, checksum: 640c2c9b2c6b1b40e710e9158282cd11 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-30T14:20:13Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AntenasGrafenoControle.pdf: 2872139 bytes, checksum: 640c2c9b2c6b1b40e710e9158282cd11 (MD5) Previous issue date: 2015-08-28 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, é desenvolvida uma formulação matemática para representar folhas de Grafeno no grid 3D utilizado para resolver as equações de Maxwell com o algoritmo de Yee. A técnica, válida para a faixa de intrabanda, é baseada em convoluções recursivas e na técnica de planos finos (thinsheets). O software HFSS é utilizado para projetar, pela primeira vez, antenas de grafeno com controle dinâmico da direção do lóbulo principal de radiação através do potencial eletroquímico de folhas de grafeno utilizadas como elementos passivos. O método numérico desenvolvido neste trabalho concorda muito bem com os resultados obtidos via HFSS (que é baseado no método dos elementos finitos). / In this work, it is developed a mathematical formulation for modelling Graphene sheets in the three-dimensional lattice used to solve Maxwell’s equations with Yee’s algorithm. The technique is based on piecewise linear recursive convolution method and on thin material sheets technique, valid in intraband range. The HFSS software is used for to designing, for the first time, graphene antennas with dynamic control of the radiation pattern main lobe by tuning the chemical potential of graphene sheets used as passive elements. The numerical method developed in this work fully agrees with the results obtained by using HFSS (this one is based on the Finite Element Method).

Submitted by camilla martins (camillasmmartins@gmail.com) on 2017-02-10T18:57:29Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_DesenvolvimentoImplementacaoGerador.pdf: 7993868 bytes, checksum: 33fa33f123f54fd3e73540b41d5b35e3 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-02-14T15:02:21Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_DesenvolvimentoImplementacaoGerador.pdf: 7993868 bytes, checksum: 33fa33f123f54fd3e73540b41d5b35e3 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-14T15:02:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_DesenvolvimentoImplementacaoGerador.pdf: 7993868 bytes, checksum: 33fa33f123f54fd3e73540b41d5b35e3 (MD5) Previous issue date: 2015-09-21 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, são apresentadas em detalhes, as etapas do projeto e construção de um gerador de surto de tensão com base em normas internacionalmente estabelecidas (IEC 61000-4-5). Os dois sinais de saída implementados possuem formas de onda características de surtos devidos às descargas atmosféricas primeira e subsequente, respectivamente. Ainda, seus parâmetros obedecem aos valores padronizados pelas normas IEC 60060-1 e IEEE Std-4. A fim de validar o gerador de surto construído, foram analisados os comportamentos transitório e estacionário de diversos sistemas de aterramento quando submetidos a descargas atmosféricas, utilizando o referido gerador como fonte do sinal de injeção. Os sistemas de aterramento foram analisados mediante experimentos em campo, sendo que cada experimento foi reproduzido numericamente através do método FDTD. Baixos erros percentuais foram obtidos entre os sinais medidos durante os experimentos e os sinais numéricos correspondentes. Isso, aliado ao fato de que os aterramentos analisados se comportaram conforme o esperado na literatura, valida o gerador de surto construído neste trabalho. / In this work, the design and construction steps of a voltage surge generator are detailed based on established international standards (IEC 61000-4-5). The waveforms of the two output signals implemented are representative of surges due to the first and subsequent lightning strokes, respectively. Also, their parameters meet the requirements imposed by the standards IEC 60060-1 and IEEE Std-4. In order to validate the surge generator, it was analyzed the transient and steady-state behaviors of several grounding systems when subjected to lightning strokes, using the developed generator as the source of the injection signal. The grounding systems were analyzed by field experiments, and each experiment was reproduced numerically using the FDTD method. Low percentage errors were obtained between the signals measured during the field experiments and the corresponding numerical signals. Moreover, the analyzed grounding systems behaved as expected in literature. Those two facts validade the surge generator built in this work.

Cette thèse constitue un ensemble de travaux et de réflexions sur la question de la modélisation des applications électromagnétiques en nano-optique en utilisant la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). Dans un premier temps, des codes FDTD bidimentionnels pour le calcul de bandes interdites photoniques ont été mis en oeuvre. Ces algorithmes tiennent comptes de la dispersion des métaux nobles dans la gamme optique décrite par le modèle de Drude ou de Drude-Lorentz. Ces programmes FDTD permettent de tenir compte de la propagation soit dans le plan perpendiculaire au plan d'invariance (appelé "cas dans le plan" ou "in-plane" en anglais) pour les deux polarisations TE et TM ainsi que le cas d'une propagation quelconque hors du plan (ou off-plane). Plusieurs diagrammes de bandes sont calculés et présentés pour les structures carrées et triangulaires dans les cas diélectriques et métalliques. Ensuite, nous avons implémenté un code BOR-FDTD, basé sur la discrétisation des équations de Maxwell exprimées en coordonnées cylindriques, pour la modélisation des guides d'ondes (ou d'autres objets) à symétrie de révolution. Les conditions absorbantes PML pour décrire l'espace libre sont intégrées à la BOR-FDTD ainsi que les deux modèles de Drude et de Drude-Lorentz. Des simulations ont été effectuées pour le calcul de modes propres de guides d'ondes coaxiaux et cylindriques sub-longueurs d'ondes faits en métal parfait et en métal réel (argent par exemple). Les résultats montrent la possibilité de guider des signaux optiques sans beaucoup de pertes dans un guide coaxial fait en argent de dimensions sublongueur d'onde. Ce dernier résultat est original et constitue une très importante avancée dans le domaine de la "nanoconnectique" en optique, plus particulièrement pour l'optique intégrée. Puis, un autre code numérique FDTD-3D a été élaboré pour la modélisation des structures périodiques (type cristaux photoniques tridimensionnels) éclairées en incidence oblique. Ce code intègre aussi les couches absorbantes PML ainsi que les modèles de dispersion de Drude et de Drude-lorentz. Les résultats obtenus sont comparés à ceux issus d'autres modèles théoriques. Les applications de ce code à l'étude de radôme, à l'excitation du mode TEM de la structure métallique à ouvertures annulaires et aux calculs des spectres d'extinction Raman montrent l'efficacité de la FDTD pour la modélisation de telles structures.

L'évaluation de la stabilité des falaises est complexe, du fait de l'incertitude des mécanismes de rupture et de la méconnaissance de l'état de fracturation interne du massif. Les méthodes géophysiques permettent d'obtenir de l'information sur la structure interne du massif. Le radar géologique a montré son efficacité pour détecter et caractériser les fractures. Plusieurs profils radar (réflexion, transmission, CMP) sont testés sur deux falaises verticales calcaires proches de Grenoble. La combinaison de profils verticaux et horizontaux permet de mieux contraindre la géométrie 3D du réseau de fractures. Les analyses de vitesses radar, déduites des acquisitions CMP, permettent de caractériser directement les larges fractures ouverture en profondeur. La tomographie radar fournit une image 2D de l'intérieur du massif, mais avec une trop faible résolution. Dans une gamme de fréquences donnée, la détection de fractures par le radar va dépendre de l'ouverture et du remplissage, qui contrôlent le coefficient de réflexion. Une stratégie de caractérisation des fractures est proposée en utilisant la sensibilité fréquentielle de la réflectivité. L'inversion des coefficients de réflexion radar, basée sur un algorithme de voisinage, permet de retrouver les paramètres caractéristiques des fractures modélisées. La méthode du rapport spectral entre un signal réfléchi (mesuré) et un signal de référence (connu), permet de calculer facilement le coefficient de réflexion. Une étude numérique 2D (FDTD) est menée pour le choix du signal de référence. L'inversion des coefficients de réflexion radar synthétiques est testée pour une configuration de fracture ouverte rencontrée sur le terrain.

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à divers aspects de la propagation d'une onde ultrasonore dans des milieux hétérogènes périodiques et désordonnés.<br /><br />Nous avons tout d'abord conçu et caractérisé des échantillons périodiques, autrement appelés "cristaux phononiques". Ces matériaux se comportent comme des filtres fréquentiels et présentent un grand intérêt technologique et théorique. <br />Nous avons étudié le temps de groupe à la traversée de monocristaux, qui révèle un effet analogue à l'effet tunnel en mécanique quantique. Dans une structure de type Fabry-Pérot constituée de deux cristaux phononiques, nous avons mis en évidence des résonances en transmission. L'étude du temps de groupe montre un phénomène de piégeage de l'onde dans la cavité, analogue de l'effet tunnel résonant. Les résultats obtenus sont confirmés par la modélisation numérique.<br />Par la suite, des expériences de Retournement Temporel dans les cristaux phononiques ont révélé une absence d'hyperfocalisation, caractéristique des milieux désordonnés.<br /><br />Nous avons ensuite cherché à mettre en évidence la diffusion multiple en régime non-linéaire dans les nuages de bulles. A cet effet, nous avons conçu un dispositif expérimental qui nous a permis de générer des populations de bulles relativement stables et contrôlées. Plusieurs méthodes de caractérisation de la fonction de distribution du rayon des bulles ont été mises en oeuvre, et l'une d'elles nous a permis d'estimer la fraction volumique de bulles.<br />Les densités de bulles mises en jeu n'ont pas permis de mettre en évidence un régime de diffusion multiple fort, tandis que l'origine des non-linéarités observées reste incertaine.

L'intégration de composants optiques actifs dans des microsystèmes est étudiée à partir d'approches génériques, fondées sur les procédés de fabrication collective de la microélectronique. La première approche étudiée exploite la technologie CMOS pour démontrer la faisabilité de nouvelles fonctions de détection associant un détecteur silicium et une fonction optique passive, l'ensemble permettant l'intégration de circuits de traitement de signal. Nous montrons dans ce contexte un nouveau principe de détecteur de déphasage reposant sur l'intégration d'un réseau de diffraction à la surface d'une photodiode. Une seconde approche vise à étudier les potentialités des cristaux photoniques pour le développement de diodes laser compatibles avec une intégration planaire de fonctions optiques actives ou passives. L'étude réalisée dans le cadre de ce mémoire porte sur une diode laser à ruban comportant un miroir à cristal photonique unidimensionnel. Les performances du miroir en fonction des paramètres technologiques sont modélisées et un procédé de fabrication est proposé.

The principle of coordinate invariance states that all physical laws must be formulated in a mathematical form that is independent of the geometrical properties of any particular coordinate system. Embracing this principle is the key to understand how to systematically incorporate curved material interfaces into a numerical solution of Maxwell’s equations. This dissertation describes how to generate a coordinate invariant representation of Maxwell’s equations in differential form, and it demonstrates why employing such representation is crucial to the development of robust finite-difference discretisations with consistent global error properties. As part of this process, two original contributions are presented that address the issue of constructing finite-difference approximations at the locations of material interfaces. The first contribution is a domain-decomposition procedure to enforce the tangential field continuity conditions with a second-order local truncation error that can be applied in 2-D or 3-D. The second contribution is a similar domain-decomposition procedure that enforces the tangential field continuity conditions with a local truncation of order 2L—where L is an integer greater or equal to one—but that can only be applied in 1-D. To conclude, the dissertation also describes the interesting connection that exists between the use of a coordinate invariant representation of Maxwell’s equations to design artificial materials and the use of the same representation to model curved material interfaces in a finite-difference discretisation.