A l'heure où la demande en quantité d'informations et le nombre d'utilisateurs explosent, toujours avec des limitations en allocation en fréquence et bande passante, les systèmes de télécommunication tendent à optimiser la gestion de leur capacité en s'orientant vers des systèmes reconfigurables. Dans le cas des filtres d'OMUX, apporter de l'accordabilité en conservant d'excellentes performances électriques, thermiques et mécaniques soulève de nombreuses difficultés.Nous avons dans un premier temps démontré la faisabilité sur un filtre à saut de canal à bande passante constante par le biais d'une cavité métallique chargée par un perturbateur en alumine en mouvement de rotation. Ensuite, nous avons proposé des solutions pour avoir un contrôle de la fréquence et de la bande passante en se basant sur la translation de matériaux diélectriques. Les facteurs de qualité mis en jeu sont de l'ordre de la dizaine de milliers. Enfin nous avons tiré profit de l'évolution des technologies d'impression plastique 3D pour valider différents concepts de filtres accordables. / At a time when the amount of information and the number of users go through the roof in telecommunication market, the telecommunication systems tend to improve the management of their capacity by moving toward reconfigurable RF devices. However frequency and bandwidth allocated are still restricted. Regarding tunable OMUX filters, the actuation systems generally degrade the overall performances of the device and raise questions in terms of mechanic and thermic.We first demonstrated the feasability of a two state filter with constant narrowband, using a dielectric material (alumina) in rotation inside a metallic housing. Then, we suggested solutions to control both frequency and bandwidth with the translation of a ceramics. We deal with quality factor in the range of ten of thousands for these applications. Eventually, we validated some principle for tunable filters thanks to the efficiency of 3D plastic printer.

Les microrésonateurs à modes de galerie en matériaux amorphes sont faciles à produire par des techniques de fusion. Leur facteur de qualité est cependant limité à quelques 108 du fait du phénomène de contamination de surface ou d'une absorption résiduelle plus importante que celle des matériaux cristallins. Nous avons développé deux méthodes utilisant des micro-résonateurs actifs, fabriqués par fusion de poudres de verres ZBLALiP dopés Erbium, permettant de dépasser cette limite. Il est tout d'abord possible de compenser les pertes en introduisant du gain optique dans le micro-résonateur. Des facteurs de qualité chargés de 5×109 correspondant à un facteur de qualité intrinsèque de 1010 ont ainsi pu être mesurés. En plus d'une augmentation du facteur de qualité, le gain interne offre un paramètre supplémentaire de contrôle du couplage, cela nous a permis d'obtenir tous les régimes de couplage d'un résonateur à partir du sous couplage jusqu'au régime d'amplification sélective. Nous avons atteint en particulier le régime de transparence, un micro-résonateur dans un tel régime peut trouver des applications comme ligne à retard variable transparente ayant un retard de groupe qui peut être modifié en jouant sur le taux de couplage entre le résonateur et la ligne d'accès. La deuxième méthode consiste à augmenter très fortement la valeur de l'indice de groupe du milieu par des effets de lumière lente. Un indice de groupe d'environ 4×106 a été obtenu via le phénomène d'Oscillations Cohérentes de Populations (OCP) ce qui caractérise un très fort ralentissement de la lumière. Ceci nous a permis d'augmenter, dans une micro-cavité, le temps de stockage des photons de 200 ps à 2,5 ms ce qui correspond à un facteur Q de 3×1012. / Glass-based whispering gallery mode (WGM) microresonators are easy to produce by melting techniques. However, they suffer from surface contamination or residual absorption which limits their long term quality factor to only about 108. We show that an optical gain provided by erbium ions can compensate for residual losses. Moreover it is possible to control the coupling regime of an ultrahigh Q-factor microresonator from undercoupling to spectral selective amplification by changing the pumping rate. We demonstrate a critically coupled fluoride glass WGM microresonator with a diameter of 220 μm and a loaded Q-factor of 5,3×109. We also show that by introducing slow-light effects in a monolithic WGM microresonator it is possible to enhance the photon lifetime by several orders of magnitude and circumvent fabrication limitations. We experimentally demonstrate Erbium-doped fluoride glass microresonators with a photon lifetime up to 2,5 ms at room temperature, corresponding to a Q-factor of 3×1012 at 1530 nm, by combining WGM resonance effect and population oscillations.

Au cours de ces dernières années, les chercheurs ont démontré l’importance de l’accordabilité dans les systèmes de télécommunications fonctionnant pour des multiples bandes de fréquences, afin de réduire leur complexité et leur coût. Ce travail se focalise sur des filtres innovants accordables optiquement et propose ainsi une solution alternative aux méthodes plus classiques comme les MEMS ou les diodes. Cette thèse retrace la conception de trois résonateurs pouvant être de bons candidats à intégrer dans le système accordable optiquement développé au travers du manuscrit. Ces éléments sont conçus par le biais de différentes technologies comme : la technologie « Substrate Integrated Waveguide » combinée avec un effet dit métamatériau et la méthode de cavité chargée par un plot capacitif. Tous ces résonateurs ont été créés dans le but d’avoir des performances intéressantes pour trois critères : le facteur de qualité à vide (Q0), la plage d’accord (TR) et la taille. La dernière partie, quant à elle, se consacre au système d’accordabilité basé sur l’utilisation de capacité CMS et de switches RF contrôlés optiquement et fabriqués à l’aide de la technologie silicium CMOS. Plusieurs méthodes ont été utilisées afin d’améliorer les pertes d’insertion des switches RF et par conséquent les performances du système global, démontrant la faisabilité de ce concept innovant accordable optiquement. / Researchers have demonstrated over the last decade the importance of tunability to reduce the complexity and the cost of telecommunication systems operating at multiple frequency bands and standards. This work focuses on novel optically tunable filters for microwave applications and therefore proposes alternative solution to commonly used tuning methods such as MEMS or diodes. The thesis has investigated different resonators for having good candidates for the novel optically tunable system developed throughout this manuscript. Different technologies are used to design such components, namely: Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology combined with metamaterial effect and cavity loading. All manufactured resonators are designed to be balanced between three features: the unloaded quality factor (Q0), the tuning range (TR) and the size. The last part deals with the tuning system based on SMT capacitance and optically controlled RF switches based on Si CMOS technology. Several methods have been used to improve the insertion loss of manufactured switches and therefore the performance of the whole system, demonstrating the feasibility of this novel optically based tunable concept.

Les microrésonateurs à mode de galerie passifs à base de cristal ou de verre fabriqués par la méthode de fusion possèdent un facteur de qualité limité à quelques 10E8. Ceci est généralement dû à la contamination de la surface du résonateur lors de sa fusion. Dans ces travaux, nous proposons de contourner cette limitation en utilisant des microrésonateurs actifs pour compenser les pertes. Afin de caractériser les microrésonateurs actifs de très haut facteur de qualité ainsi obtenu, nous nous appuyons sur la méthode CRDM (Cavity Ring Down Measurement). Cette méthode interférométrique est d'une part bien adaptée à la caractérisation de résonateurs de très haut facteur de qualité et d'autre part elle permet de remonter de manière univoque aux facteurs de qualité intrinsèque Qo et extrinsèque Qe du résonateur. Dans un régime de compensation de pertes, nous avons pu atteindre tous les régimes de couplage et obtenus des facteurs de qualité intrinsèques excédant les 10E10. En régime d'amplification sélective, nous avons démontré expérimentalement que l'on pouvait obtenir des gains élevés allant jusqu'à 33 dB et des retards de groupe excédant 2,3 µs dans ces microrésonateurs actifs. Ces microrésonateurs de très haut facteur de qualité et de très haute finesse peuvent présenter un couplage modal se manifestant par un doublet de résonances. Une confrontation théorie/expérience avec la méthode CRDM permet de mesurer un écart très faible entre les doublets. Par ailleurs, ces microrésonateurs présentant un fort confinement spatial et une forte surtension, sont propices à l'observation d'effets non-linéaires. Une modélisation intégrant l'effet thermique et l'effet Kerr a été réalisée. Une confrontation théorie/expérience nous a permis d'estimer la puissance réellement injectée dans le mode ainsi qu'à estimer le volume du mode. / Glass-based whispering gallery mode (WGM) microresonators are easy to produce by melting techniques. However, they suffer from surface contamination which limits their long term quality factor to only about 10E8. In this thesis, we show that an optical gain provided by erbium ions can compensate for residual losses. The optical characterization method is based on frequency-swept “Cavity-Ring-Down-Measurement”. This method can fully describe the linear properties of microcavities such as coupling regime and group delay. In compensation loss regime we demonstrate that it is possible to control the coupling regime of an ultrahigh Q-factor microresonator from undercoupling to spectral selective amplification. Under the selective amplification regime, we obtain an internal Q-factor exceding 10E10. In selective amplification, we experimentally show that it is possible to obtain high amplification up to 33 dB and a high group delay. The microresonators with high Q-factor and high finesse could give rise to a modal coupling which exhibits a splitting of the resonance in the transmission. A characterization of this phenomenon with the cavity ring down method was realized. Moreover, these microresonators, are conducive to the non-linear effect observation. A model incorporating the thermal effect and the Kerr effect has been achieved. Confrontation between theory and experiment allowed us to estimate the real optical power injected into the mode as well as estimating the mode volume.

En microscopie à force atomique (AFM), l'étude des échantillons est réalisée à l'aide d'une pointe montée sur un microlevier. Le coeur de la technique est la mesure de la force d'interaction pointe-surface, directement proportionnelle à la déflexion du levier. Plus généralement, la compréhension profonde des propriétés mécaniques des microstructures joue un rôle significatif dans le développement des microsystèmes électromécaniques (MEMS), ou encore de capteurs chimiques ou biologiques miniatures.<br /><br />Au delà du dispositif traditionnel de mesure de déflexion angulaire, nous avons conçu et réalisé un AFM avec une détection interférométrique différentielle (entre la base encastrée et l'extrémité libre du levier). La résolution ultime est de 10^-14 m/Hz^1/2, la mesure est de plus intrinsèquement calibrée, indifférente aux dérives thermiques lentes et sans limitation de la plage d'amplitude de la déflexion. <br /><br />Grâce à notre dispositif, nous mesurons le bruit thermique le long du levier. Une reconstruction de la forme spatiale des quatre premiers modes propres en flexion révèle un excellent accord avec le modèle de poutre de Euler-Bernoulli. Un ajustement simultané sur les quatre résonances thermiquement excitées est réalisé à l'aide d'un seul paramètre libre : la raideur du levier, qui est ainsi mesurée avec une grande précision et robustesse. <br /><br />Les fluctuations thermiques de déflexion à basse fréquence démontrent qu'un modèle d'oscillateur harmonique avec dissipation visqueuse n'est plus pertinent hors résonance. De plus, on observe des différences substantielles entre les leviers avec et sans revêtement métallique. Pour ces derniers, l'approche hydrodynamique de Sader rend compte fidèlement du comportement des fluctuations en dessous de la résonance dans l'air. La présence du revêtement introduit une deuxième source de dissipation : la viscoélasticité. Elle se manifeste comme un bruit en 1/f à basse fréquence. L'utilisation du Théorème Fluctuation-Dissipation (TFD) et des relations de Kramers-Kronig permettent une caractérisation complète de la réponse du levier à l'aide des spectres de fluctuations. Une estimation quantitative de la viscoélasticité et de sa dépendance en fréquence est notamment obtenue.

Les microrésonateurs à mode de galerie passifs à base de cristal ou de verre fabriqués par la méthode de fusion possèdent un facteur de qualité limité à quelques 10E8. Ceci est généralement dû à la contamination de la surface du résonateur lors de sa fusion. Dans ces travaux, nous proposons de contourner cette limitation en utilisant des microrésonateurs actifs pour compenser les pertes. Afin de caractériser les microrésonateurs actifs de très haut facteur de qualité ainsi obtenu, nous nous appuyons sur la méthode CRDM (Cavity Ring Down Measurement). Cette méthode interférométrique est d'une part bien adaptée à la caractérisation de résonateurs de très haut facteur de qualité et d'autre part elle permet de remonter de manière univoque aux facteurs de qualité intrinsèque Qo et extrinsèque Qe du résonateur. Dans un régime de compensation de pertes, nous avons pu atteindre tous les régimes de couplage et obtenus des facteurs de qualité intrinsèques excédant les 10E10. En régime d'amplification sélective, nous avons démontré expérimentalement que l'on pouvait obtenir des gains élevés allant jusqu'à 33 dB et des retards de groupe excédant 2,3 µs dans ces microrésonateurs actifs. Ces microrésonateurs de très haut facteur de qualité et de très haute finesse peuvent présenter un couplage modal se manifestant par un doublet de résonances. Une confrontation théorie/expérience avec la méthode CRDM permet de mesurer un écart très faible entre les doublets. Par ailleurs, ces microrésonateurs présentant un fort confinement spatial et une forte surtension, sont propices à l'observation d'effets non-linéaires. Une modélisation intégrant l'effet thermique et l'effet Kerr a été réalisée. Une confrontation théorie/expérience nous a permis d'estimer la puissance réellement injectée dans le mode ainsi qu'à estimer le volume du mode.

L’objectif de ces travaux est le développement en technologie intégrée standard d’une topologiede ligne de propagation optimisée en termes de pertes, d’encombrement et de facteur de qualitéaux fréquences millimétriques. Cette topologie nommée S-CPW (Shielded CoPlanarWaveguide) utilise le phénomène d’ondes lentes afin de miniaturiser longitudinalement la ligned’un facteur compris entre 1,3 et 3,2 par rapport à des topologies classiques. Disposantégalement de faibles pertes, les lignes développées présentent un facteur de qualité élevé parfoissupérieur à 40, à 60 GHz. A partir de l’étude du champ électromagnétique dans la structure, unmodèle électrique a été développé. C’est le premier modèle dans la littérature prenant en compteles pertes dans ce type de guide d’onde. Plusieurs dispositifs passifs intégrés réalisés avec deslignes S-CPW dans différentes technologies CMOS ont été caractérisés jusqu’à 110GHz. Lacompacité et les faibles pertes d’insertion obtenues pour la mesure de filtres à stubs et dediviseurs de puissance permettent de réussir l’intégration de circuits passifs compacts entechnologie microélectronique CMOS standard aux fréquences millimétriques. / This work focuses on high-performance S-CPW (Shielded CoPlanar Waveguide) transmissionlines in classical CMOS integrated technologies for the millimeter-wave frequency band.Thanks to an important slow-wave phenomenon, the physical length of S-CPW decreases by afactor from 1.3 to 3.2 compared with classical transmission lines. Presenting also lowattenuation loss, the developed transmission lines show very high quality factor (higher than 40at 60 GHz). The precise study of the electromagnetism field leads to an electrical model forS-CPWs. This is the first model that takes the losses in this topology into account. Then, somebasic passive circuits designed with S-CPWs and characterized up to 110 GHz are presented invarious CMOS technologies. The low insertion losses and relative low surfaces of a powerdivider and a passband filter show the great interest of S-CPW to integrate compact passivecircuits in classical CMOS technologies at millimeter-wave frequencies.

L'influence de l'épaisseur et de la durée de vie des porteurs sur l'efficacité de la mise en résonance d'une membrane clipsée de silicium excitée par effet photo-thermo-acoustique a été étudiée. Pour cela, nous avons modélisé les phénomènes physiques spécifiques aux semi conducteurs mis en jeu afin de connaître leur influence sur la vibration créée pour augmenter l'efficacité de la conversion photo-acoustique. Un modèle analytique du mode d'encastrement de la membrane a également été développé. Puis, un banc expérimental utilisant une diode laser pour l'excitation lumineuse et un vibromètre optique pour la détection des déplacements induits a été conçu pour obtenir la réponse en fréquence de membranes de différentes épaisseurs (de 100 à 3000µm) et durées de vie de porteurs (de 1 à 45µs). Ces essais ont montré un décalage vers les basses fréquences d'environ 1kHz de la fréquence du premier mode de résonance et une faible valeur du facteur de qualité de l'ordre de la dizaine dus au choix de l'encastrement par serrage des wafers de silicium à l'aide de joints toriques en nitrile dans l'air. Cette étude a permis de montrer que, dans nos conditions expérimentales, le facteur de qualité était optimal pour une valeur particulière de l'épaisseur de membrane de l'ordre de 300µm par l'effet combiné de la pression extérieure de l'air ambiant et des pertes dans ce type d'encastrement. L'augmentation de la durée de vie des porteurs n'a pas d'effet sur le facteur de qualité alors qu'il semble faire augmenter légèrement l'amplitude de la résonance. / The influence of mechanical housing conditions and electronic properties of clamped silicon wafers in resonance configuration induced by photo-thermal-acoustic effect is studied. First, we have modelised the specific physical phenomena involved in semiconductors in order to increase the efficiency of the photo-acoustic conversion. A simplified model of clamped membrane has also been developed. Next,, an experimental set up to observe this phenomenon and to obtain the frequency response of the membrane has been built to test numerous silicon wafers with thickness from 100 to 3000µm and carrier life time between 1and 45µs. These tests showed a shift to lower frequency of about 1 kHz of the first resonance mode frequency and a low quality factor value of the order of ten due to our choice of soft clamping of silicon wafers using Nitrile O-ring in air. With our experimental conditions, the quality factor was found optimal for a thickness value of about 300µm due to the combined effects of mounting and air losses. The increase of carrier lifetime does not change the quality factor but seems to slightly increase the resonance amplitude.

Les travaux visant au développement de capteurs passifs interrogeables sans fil pour sonder des températures supérieures à 600 °C s’inscrivent dans le projet européens SAWHOT. Des capteurs à ondes élastiques de surface sont modélisés, réalisés et caractérisés par une liaison radiofréquence. Le paramètre physique mesuré par ce capteur est la température, avec une mesure au-delà de 900°Cpour les applications de maintenance préventive des turbines à combustion ou pour le contrôle de procédés dans les fours de synthèse de nano-tubes de carbone. Les substrats piezoélectriques standards tels que le quartz ou le niobate de lithium ne sont pas envisageables : l’ensemble de ces travaux s’articule autour de la langasite, substrat piezoélectrique opérant jusqu’à 1470°C et ne présentant aucune température de transition (température de Curie) jusqu’à sa température de fusion située à 1470°C. Compte tenu de la vitesse des ondes élastiques de surface des coupes considérés et également des limitations imposées par les moyens de réalisations technologiques, ces résonateurs sont mesurés sans fil à une fréquence proche de la bande ISM centré en 434 MHz. Les dispositifs ainsi réalisés ont été encapsulés via une procédure innovante de mise en boîtier qui permet alors la mesure de capteurs à ondes élastiques de surface dans des environnements où la température dépasse 700°C. De nombreuses études expérimentales ont alors été menés dans le but d’évaluer les performances des capteurs à ondes élastiques de surface en terme de bilan de liaison radiofréquence, reproductible de la mesure, vieillissement au cours des cycles en températures / Development of wireless passive sensor for temperature measurement above 600°C has been performed in the frame of the European SAWHOT project. In this context, surface acoustic wave sensors have been designed, fabricated and characterized by radiofrequency measurement. Physical parameter measured by these sensors is the temperature, reaching values up to 900°C for monitoring in combustion engines andIn ovens used for carbon nano-tubes growth. In order to measure temperature in harsh environments, classical piezoelectric substrates are not usuable: langasite substrate has been considered as a favorable option since it exhibits no transition temperature and is able to operate until its exhibits no transition temperature and is able to operate until its melting temperature, at 1470 °C. regarding the parameters of the surface acoustic waves and the limitation of the fabrication process and devices, the resonators are measured wirelessly in the ISM band centered at 434 MHz (3μm of interdigital transducer period and a transducers with of 1μm). Two main manufacturing technologies are considered, stepper and nano-imprint technologies. The fabricated devices have been packaged by using an innovative process protecting the devices and allowing fir wireless measurements until 700°C. Multiple experiments have been performed in order to characterize the radiofrequency link between the reader and the sensor, the reproducibility of the measurement, the aging effect on the response of the device after high temperature cycles.

La spectrométrie photoacoustique QEPAS constitue l’une des méthodes les plussensibles pour la détection de gaz à l’état de traces. Ses performances sont étroitement liées àcelles de sa source de lumière infrarouge cohérente et de son résonateur mécanique qui détecteles ondes acoustiques. La thèse a pour objectif de développer ces deux briques élémentaires.Dans un premier temps, les performances des résonateurs mécaniques sont modélisées, permettantde mieux comprendre leur comportement. Une formule analytique originale de leurfacteur de qualité y est incorporée, permettant de prédire avec précision les pertes qu’ils subissentlorsqu’ils résonnent dans un gaz. Grâce à ces modèles, de nouveaux résonateurs optimiséssont conçus et réalisés, aboutissant à des performances améliorées. Dans un secondtemps, les sources cohérentes infrarouges QCL et OPO sont améliorées pour la photoacoustique.L’impulsion de pompe optimale pour un OPO est présentée pour distribuer au mieuxl’énergie de pompe disponible dans le temps, et ainsi maximiser le rendement de rayonnementinfrarouge disponible. Un logiciel de simulation numérique original des OPOs est égalementcréé, et permet de simuler rapidement le spectre d’émission d’un OPO quelconque. / Infrared photoacoustic spectrometry QEPAS is one of the most sensitive techniquefor trace gas sensing. The goal of the thesis is to improve the two key elements of the instrument: the mechanical resonator and the coherent infrared light source.First, the use of resonators as an acoustic waves sensor is investigated, allowing to better understandtheir behavior. Our modeling include a new analytical formula of their quality factor,predicting the amount of losses they experience when immersed within a gaz. The models areused to design and fabricate new custom resonators, leading to enhanced performances. Second,two infrared sources named QCL and OPO are optimized for the photoacoustic application.The optimal pump pulse for an OPO is derived to efficiently distribute the available pumpenergy in time, hence maximizing the yield of infrared light. A simulation software has alsobeen created for OPOs, able to quickly predict the spectrum of any type of OPO.