Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques. Ils permettent de contrôler la lumière en interdisant, par exemple, la propagation des photons dans certaines directions et pour certaines fréquences contenues dans ce que l'on appelle le gap photonique. De part leur compatibilité avec la filière silicium et leur relative simplicité de fabrication, les cristaux photoniques bidimensionnels réalisés sur substrats silicium-sur-isolant (SOI) sont particulièrement attractifs pour la fabrication de circuits intégrés photoniques et ils pourraient constituer la base des futures interconnexions optiques en microélectronique. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à la conception, la fabrication et la caractérisation de guides d'onde, de filtres, de cavités planaires et d'extracteurs de lumière. Dans une première partie, nos efforts se sont portés sur les structures passives. Un banc d'optique original à été monté pour caractériser celles-ci en optique guidé sur un large plage de longueur d'onde (de 1,1 à 1,7 µm). Le guidage dans des guides à cristaux photoniques mono-rangée a été caractérisé spectralement et la transmittance de miroirs et de cavités unidimensionnelles à cristaux photoniques a été étudiée. Des modes résonnants avec des facteurs de qualité jusqu'à 150 ont été mesurés. Ces résultats sont en très bon accord avec les simulations menées par la technique FDTD (Finite Difference Time Domain) et avec les calculs de diagrammes de bandes obtenus par la méthode des ondes planes. Dans un second temps, nous avons regardé les propriétés de photoluminescence hors du plan de certaines structures à cristaux photoniques. Deux voies différentes sont explorées : le confinement des photons dans le plan à l'aide de cavités hexagonales et l'utilisation de propriétés particulières de dispersion de certains modes du cristal photonique pour extraire la lumière. Ces deux approches sont abordées parallèlement sur des substrats SOI et sur de nouveaux substrats, appelés « substrats optiques », développés spécialement pour nos applications et constitués d'un guide planaire en silicium monocristallin déposé sur un miroir diélectrique multicouche. Ainsi, l'influence du confinement dans la direction verticale est abordée. Pour les extracteurs de lumière sur substrat SOI, une efficacité d'extraction de plus de 45 % est mesurée sur une face et dans un angle solide réduit.

Les performances des systèmes de sondage radar sont liées à leur capacité de pénétration dans les matériaux géologiques qui constituent les sites observés. Notre thématique de recherche consiste à étudier expérimentalement les propriétés géo-électrique du sous-sol martien et à modéliser l'écho radar rétro-diffusé afin, de quantifier les capacités des futurs radars sondeurs basse fréquence (de 1 à 20 MHz) à détecter la présence de possibles réservoirs d'eau situés à quelques centaines de mètres de profondeur dans le sous-sol de Mars. Ce sont principalement les propriétés électromagnétiques des roches (permittivité électrique et perméabilité magnétique) qui contrôlent la profondeur de pénétration et l'identification de zones humides. Ainsi, la connaissance des propriétés géo-électriques et de la stratigraphie de la sub-surface de Mars est nécessaire pour modéliser et interpréter les données issues des futurs radars d'exploration martienne. Dans la première partie de notre travail nous avons effectué des mesures de permittivité électrique et de perméabilité magnétique des échantillons représentatifs des couches géologiques constituant le modèle général du sous-sol martien. Cette première étape nous a permis d'établir un profil diélectrique général de la sub-surface de Mars à 2 MHz, que nous avons ensuite utilisé pour évaluer les profondeurs de pénétration et les atténuations dans le signal radar rétro-diffusé. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons construit quatre modèles géologiques et géo-électriques correspondent à des contextes locaux représentant un intérêt particulier pour la recherche de lentilles d'eau dans la proche sub-surface de Mars. Ces sites pourrant constituer des cibles d'atterrissages potentiels pour les GPR de la mission Netlander. Enfin, nous avons utilisé un code FDTD pour simuler le signal radar rétro-diffusé à 2 MHz pour chacun de ces sites, en considérant les paramètres instrumentaux des GPR de la mission Netlander.

In 2000, a controversial paper by John Pendry surmised that a slab of negative index material could act as a perfect lens, projecting images with resolution detail beyond the limits of conventional lensing systems. A thin silver slab was his realistic suggestion for a practical near-field superlens - a 'poor-mans perfect lens'. The superlens relied on plasmonic resonances rather than negative refraction to provide imaging. This silver superlens concept was experimentally verified by the author using a novel near-field lithographic technique called Planar Lensing Lithography (PLL), an extension of a previously developed Evanescent Near-Field Optical Lithography (ENFOL) technique. This thesis covers the computational and experimental efforts to test the performance of a silver superlens using PLL, and to compare it with the results produced by ENFOL. The PLL process was developed by creating metal patterned conformable photomasks on glass coverslips and adapting them for use with an available optical exposure system. After sub-diffraction-limited ENFOL results were achieved with this system additional spacer and silver layers were deposited onto the masks to produce a near-field test platform for the silver superlens. Imaging through a silver superlens was achieved in a near-field lithography environment for sub-micron, sub-wavelength, and sub-diffraction-limited features. The performance of PLL masks with 120-, 85-, 60-, and 50-nm thick silver layers was investigated. Features on periods down to 145-nm have been imaged through a 50-nm thick silver layer into a thin photoresist using a broadband mercury arc lamp. The quality of the imaging has been improved by using 365 nm narrowband exposures, however, resolution enhancement was not achieved. Multiple layer silver superlensing has also been experimentally investigated for the first time; it was proposed that a multi-layered superlens could achieve better resolution than a single layer lens for the same total silver thickness. Using a PLL mask with two 30-nm thick silver layers gave 170-nm pitch sub-diffraction-limited resolution, while for a single layer mask with the same total thickness (60 nm) resolution was limited to a 350-nm pitch. The proposed resolution enhancement was verified, however pattern fidelity was reduced, the result of additional surface roughness. Simulation and analytical techniques have been used to investigate and understand vi ABSTRACT the enhancements and limitations of the PLL technique. A Finite-Difference Time- Domain (FDTD) tool was written to produce full-vector numerical simulations and this provided both broad- and narrowband results, allowing image quality as a function of grating period to be investigated. An analytical T-matrix method was also derived to facilitate computationally efficient performance analysis for grating transmission through PLL stacks. Both methods showed that there is a performance advantage for PLL over conventional near-field optical lithography, however, the performance of the system varies greatly with grating period. The advantages of PLL are most prominent for multi-layer lenses. The work of this thesis indicates that the utilisation of plasmonic resonances in PLL and related techniques can enhance the performance of near-field lithography.

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Existing unified numerical electromagnetic methods are often unable to analyze electrically large structures due to the amount of memory and processing power required, necessitating approximate analyses with limited applicability. In this research a hybrid modeling methodology is adopted to solve these complex problems more efficiently than unified numerical methods and more accurately than analytical methods. Electromagnetic modeling problems are divided into two or more levels of scale. Each level analyzes a specific level of detail and only promotes the required information to the next level. The method is demonstrated by successful application to three important problems: (1) remote sensing of snow, (2) modeling an optical Bragg resonator, and (3) modeling the MIMO wireless channel. First, complex snow media is analyzed with a hybrid FDTD/radiative transfer model. FDTD is used to compute phase matrices and extinction coefficients required for radiative transfer. Comparison with exact analytical methods proves the validity of the FDTD method for modest domain sizes ([5λ^3]) and number of Monte Carlo realizations (32). The method is used to illustrate a penetrating sphere model, which is not possible with existing analysis techniques. Backscatter from the resulting model is about 3 times higher than that of existing dense-medium theories, underlying the importance of exact characterization of the media. Second, a hybrid FD/FDTD/S-parameter analysis is developed to model a large (10^4 section) optical Bragg resonator: a simple FD method computes propagation constants and field profiles, FDTD analysis provides reflection and transmission coefficients for the single section, and S-parameter analysis combines the sections to obtain the complete device response. A detailed study on error suggests that the method provides better than 2% accuracy in reflection and transmission response. Third, a hybrid electromagnetic/SVA model is developed to study the indoor MIMO wireless channel. A MIMO measurement platform is discussed for simultaneous probing of up to 16 transmit and receive antennas, which was required to assess the validity of later modeling. FDTD or MOM antenna analysis coupled with the SVA model gives capacity predictions which match measured data. The model is used to explore the impact of antenna spacing, directivity, and polarization on channel capacity. Closely spaced antennas lead to an approximate halving of receive power. Directivity effectively doubles receive power for aligned transmit and receive. Dual polarization increases system capacity anywhere from 10% to 70%, depending on the spacing of elements and the amount of multipath richness. This analysis of MIMO systems underlines the need for models that describe both multipath richness and average receive power.

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電気鉄道の安全安定輸送を確保するため，雷害防止が求められている。本論文では，電気鉄道設備の雷サージ特性実測を行い，接地インピーダンス特性を雷サージの視点から検討した。さらに，電力系統解析技術を応用して鉄道特有機器の回路解析モデルを開発し，その精度を実測で確認し，鉄道設備雷電流侵入時の応答を実測および計算結果より明らかにした。これらの成果は，電気鉄道の設計・保守・解析に十分に生かすことが可能である。 / Lightning protection is required to ensure safe and stable electric railway transportation. In this thesis, the lightning surge characteristics of the facilities in electric railway systems were measured. The characteristic of earthing impedance was also investigated from the viewpoint of lightning surge. In addition, some numerical models of railway specific apparatuses for circuit analysis method were developed by applying simulation technology for power system and confirmed their accuracies by actual measurements. The responses to lightning currents invaded into the facilities were clarified by the measured and calculated results. These results can be fully utilized in the design, maintenance and analysis of electric railway systems. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

Ces travaux de recherche proposent une approche expérimentale pour étudier les capacités de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection des zones humides dans le sous-sol des régions arides terrestres et martiennes et la cartographie géologique de leur proche subsurface. En particulier, l'analyse phasimétrique d'images SAR (bande L) de la Dune du Pyla nous a permis de mettre en évidence un comportement particulier de la différence de phase copolaire, lié à la présence d'une zone humide dans la subsurface. Afin d'interpréter et de modéliser ce phénomène, nous avons développé un modèle analytique de diffusion simple, de type IEM, complété par une expression analytique du terme de diffusion par réflexion multiple. Simulant avec succès le phénomène observé, notre modèle confirme que le signal de phase est généré par le profil d'humidité des structures enfouies occasionnant une composante de diffusion par réflexion multiple. Il a également été montré que ce signal de phase copolaire permet la détection d'interfaces humides à des profondeurs plus importantes que celles autorisées par l'analyse des indicateurs radiométriques classiques. Participant au programme Terrestrial Analog to Mars de la NASA, nous avons également travaillé à la définition des performances d'un système SAR orbital en bande P pour la détection d'humidité dans la proche subsurface de la planète Mars, au moyen de la phase radar. Incluant un terme de diffusion de volume, notre précédent modèle IEM montre que la présence d'hétérogénéités dans les premiers mètres de la croûte martienne pourrait altérer les performances de la différence de phase copolaire pour la détection d'humidité en terme de profondeur d'investigation. Néanmoins, nos résultats de simulations indiquent qu'un tel système SAR, exploitant la phase copolaire, autoriserait la détection de l'humidité et son suivi à l'échelle saisonnière jusqu'à des profondeurs de 3 mètres dans les régions présentant un contexte géologique favorable i.e. une faible concentration de diffuseurs de surface et de proche subsurface. Au-delà de la détection d'humidité des sols, nous avons également cherché à mettre en évidence l'apport de l'imagerie radar pour les applications de cartographie d'interfaces géologiques à grande échelle au moyen de systèmes radar orbitaux. L'analyse polarimétrique de données SIR-C/XSAR pour la Mauritanie a permis de montrer le potentiel de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection de structures géologiques de surface ainsi que pour la cartographie de la paléo-hydrologie de la proche subsurface en contexte aride. En particulier, nos résultats ont montré que les données polarimétriques fournissent non seulement des éléments d'information sur les mécanismes de diffusion mis en jeu, mais permettent également de différencier les structures de surface par la rugosité qu'elles occasionnent, des structures de subsurface par la diffusion de volume qu'elles génèrent.