Ces travaux de thèse portent principalement sur la génération de signal d'horloge haute fréquence. Dans un premier temps, la faisabilité d'un oscillateur à base de BAW y est démontrée par la conception d'un circuit en technologie CMOS 65 nm. Les deux principales innovations sont les performances en terme de stabilité (bruit de phase de -128dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) et en précision (implémentation d'une banque de capacités ayant un pas de 0.4ppm) de l'oscillateur. Sa consommation est optimisée (0.9mW). Il est suivi d'un diviseur faible bruit (-140dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) délivrant un signal à 500MHz. Dans un second temps, les imperfections des résonateurs BAW sont analysées. Une procédure de calibration comprenant une calibration initiale et une calibration en boucle ouverte est alors proposée. Cette dernière repose sur l'identification et l'utilisation d'un modèle comportemental du dispositif, régulièrement mis à jour grâce à un filtre de Kalman. Une précision de 0.4 ppm est atteinte

Localement, les mouvements du sol en surface peuvent être amplifiés durant un séisme. Les plus grands déplacements se situent à la fréquence naturelle du sol. Son estimation est donc nécessaire pour caractériser l'effet de site. L'analyse du bruit ambiant permet de déterminer directement la fréquence fondamentale hors activité sismique et sans nuisance pour l'environnement. Plusieurs campagnes de bruit ambiant ont été réalisées entre 2006 et 2007 par la commission géologique du Canada sur le territoire québécois. Les résultats obtenus ont permis de tester la validité de la méthode et d'en étudier les différents paramètres d'analyses. Une campagne d'enregistrement de bruit ambiant a été effectuée en juin 2007 dans le cadre d'une étude de stabilité de pente. Elle a permis de mettre en évidence le rôle important de la topographie dans l'estimation de la fréquence de résonance. Malgré une différence de hauteur du dépôt en amont et en aval de la pente, les fréquences naturelles sont identiques. Afin de confirmer l'influence de la topographie sur l'estimation locale de la fréquence de résonance, les résultats de deux méthodes d'investigation ont été comparés. La méthode MASW (Modal Analysis of Surface Waves), développée à l'université de Sherbrooke, permet de déterminer le profil des vitesses de cisaillement en surface et ainsi la fréquence propre. La méthode de Nakamura propose d'étudier le rapport spectral des composantes horizontales et verticales du bruit ambiant. Ce rapport spectral présente un pic à la fréquence fondamentale. Cette étude démontre que la méthode des rapports spectraux donne une estimation de la fréquence naturelle d'un sol qui prend en compte l'ensemble du relief. Les données obtenues à partir de la méthode MASW, ont permis d'effectuer des simulations numériques avec des vitesses de cisaillement du sol et des topographies différentes. Plusieurs modèles ont été réalisés pour trois vitesses de cisaillement, avec deux pentes différentes et avec une variation de topographie en surface et au niveau du roc. Les résultats obtenus indiquent que la topographie d'un site créée une bande de fréquence néfaste pour le dimensionnement parasismique. Cette bande est comparable au pic étalé en fréquence sur les rapports spectraux. Par ailleurs, les bornes de cette bande de fréquence sont les fréquences fondamentales théoriques des épaisseurs de dépôt extremum du site.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce mémoire aborde la synthèse de filtres H∞ sur des domaines fréquentiels finis pour différentes classes de systèmes dynamiques, tels que les systèmes linéaires avec incertitudes paramétriques, les systèmes à retard, les systèmes non linéaires de type Takagi-Sugeno (TS) et les systèmes sous contraintes de communication. Les contributions portent sur le développement de nouveaux outils d'analyse et de synthèse de filtres H∞, qui sont moins restrictifs par rapport aux résultats existants dans la littérature et permettent de réduire le conservatisme de celles-ci tout en garantissant que les méthodes proposées soient numériquement efficaces. Les conditions de stabilité et de synthèse de filtres pour les différentes classes de systèmes dynamiques sont formulées en des problèmes d'optimisation convexe sous contraintes d'inégalités matricielles linéaires (LMIs). Des exemples numériques et des comparaisons avec des résultats récents de la littérature sont également présentés afin de montrer les avantages et l'intérêt des approches proposées / This work is concerned with the H∞ filtering problem in a finite frequency domain for different types of dynamic systems, such that uncertain systems, nonlinear systems via TS fuzzy model, time delay systems and systems with communication constraints. The main contribution is the development of new H∞ filter analysis and design approaches which reduce the conservatism of results found in the literature. The filter stability and design problems, for different classes of dynamic systems, are formulated as optimization problems with Linear Matrix Inequality (LMI). Simulation examples are presented to demonstrate the effectiveness and the less conservatism of the proposed approaches in comparison with other solutions that appear in the literature

L'imagerie ultrasonore haute résolution est aujourd'hui indispensable à l'établissement de nombreux diagnostics médicaux. Elle est basée sur l'utilisation de transducteurs piézoélectriques haute fréquence (HF) qui sont fabriqués à l'aide de matériaux et de techniques adaptés. L'optimisation de leurs performances nécessite en général l'utilisation de plusieurs modèles numériques pour simuler à la fois la vibration du résonateur et son rayonnement. Ce travail de thèse présente un nouvel algorithme basé sur un couplage pseudospectral / différences-finies, permettant de modéliser la génération et la propagation des ondes acoustiques dans un transducteur et son environnement avec un seul modèle. Cet algorithme hybride a été utilisé pour simuler le fonctionnement de différents transducteurs fabriqués au cours de cette thèse. Les résultats ont été validés de façons théorique et expérimentale, et ils ont permis d'étudier les influences de différents paramètres sur les performances des transducteurs fabriqués / High resolution ultrasonic imaging has become an essential tool to assist physicians for various medical diagnoses. This technique relies on the ability of piezoelectric transducers to generate a high frequency (HF) acoustic field into the scanned media. Such transducers are obtained using particular materials and fabrication processes.They are optimized through modeling of their electromechanical behaviour and acoustic radiation pattern, which usually requires the use of several models. A new algorithm has been developped and is presented in this report, which is based on the coupling of pseudospectral and finite-diffrence methods to simulate both the generation and the propagation of acoustic waves in the transducer and the surrounding media, using a single model. This hybrid algorithm has been used to simulate various transducers and the results were accordingly compared to theory and experiments. It has also been used to study the influence of various parameters on the performance of several single-element and array transducer devices.

Cette thèse rapporte le développement d’un nouveau montage expérimental pour la spectroscopie Térahertz basé sur une source de rayonnement réalisant la différence de fréquences, sur un substrat AsGa, de deux lasers émettant vers 820 nm pour générer du rayonnement infrarouge lointain. Ce montage s’inscrit dans le courant d’intérêt récent pour les possibilités du rayonnement Térahertz vues dans un premier chapitre. Le second chapitre s’intéresse à la génération de rayonnement par différence de fréquences sur un élément semi-conducteur et à son utilisation pour la spectroscopie. L’obtention d’une large accordabilité du rayonnement généré de cette manière s’appuie sur un système de modulateurs acoustooptiques en double passage. Le troisième chapitre s’attache à la stabilisation des sources infrarouges par une méthode Pound-Drever-Hall utilisant une cavité de haute finesse pour obtenir un rayonnement Térahertz généré de grande pureté spectrale. Enfin, le spectromètre mis en place a été caractérisé par des mesures du spectre du chlorure de méthyle et utilisé dans une étude exploratoire du paramètre d’élargissement collisionnel de raies de l’eau par N2, O2 et l’air. / This thesis reports on the construction of a new experimental set up for Terahertz spectroscopy based on the generation of the frequency difference of two near infrared laser diodes at 820nm on a GaAs substrate device. The first chapter describes the renewal of the interest for T-rays. The second chapter treats the FIR generation by frequency difference on the GaAs semiconductor device and its uses for spectroscopy. The broad tunability of this Far Infrared radiation obtained by double-pass acousto-optic modulators setup is also seen. The third chapter discusses about stabilisation of infrared sources by the Pound-Drever-Hall method using a high finesse cavity to generate a high spectral purity of the FIR emission. Finally, the spectrometer is characterised by measurements of the rotationnal spectrum of methyl-chloride and used in a primary study of the broadening parameter of water lines by N2, O2 and air.

Les métamatériaux, de par leurs propriétés originales de dispersion, sont de plus en plus étudiés. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte en mettant un accent particulier sur les structures composites équilibrées, de faibles pertes, l’agilité et les résonances de Mie. Une structure dont le motif élémentaire a la forme d’une lettre oméga est proposée en satisfaisant la condition d’équilibre. La mesure expérimentale confirme une bande passante de 8 à 16 GHz avec un point d’indice nul à 13.6 GHz. Un raisonnement identique est appliqué afin de fabriquer un prototype fonctionnement en bande millimétrique. La bande main gauche est observée aux alentours de 80 GHz avec de faibles pertes d’insertion (0.5dB/cellule). L’agilité de cette structure peut être réalisée à l’aide de cristaux liquides nématiques. Des résonateurs à anneaux fendus (SRR) ont été rendus agiles par ce biais et montrent un décalage fréquentiel du pic de résonance d’environ 300 MHz par l’application d’un champ magnétique extérieur. Par la suite, la commande d’un prototype « main gauche » est aussi effectuée. Enfin, les résonances de Mie à travers des cubes de Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) sont étudiées afin de créer une particule magnétique isotrope. Cette voie permettant de synthétiser le magnétisme artificiel, une application d’amélioration de la directivité des antennes est ici montrée. De plus, un dispositif d’invisibilité en technologie « tout diélectrique » est étudié par calcul numérique. / Recently, metamaterial has attracted much attention due to unique property such as negative index. This thesis is devoted to various aspects of this field: left and right handed balanced structure, low loss, tunability and Mie resonance based metamaterial. An omega-like left and right handed balanced metamaterial was proposed following the guideline of equality of magnetic and electric plasma frequency. It is shown that this metamaterial exhibits a broad passband from 8.0 - 16.0 GHz with a transition frequency at 13.6 GHz between negative and positive index branches. Then, an omega-type left handed metamaterial (LHM) operating at millimeter wavelengths was fabricated. The left handed passband centered around 80 GHz was observed. The low insertion loss of -0.5 dB/cell may meet requirement of practical application. We studied tunable metamaterial based on nematic liquid crystal. Magnetically tunable split ring resonator shows a resonance dip shift of 300 MHz under external magnetic field. Then a tunable LHM was fabricated. Effective index variation of 0.25 arising from liquid crystal reorientation was found. Finally, we investigated Mie resonance based dielectric resonator and its related application. Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) cube exhibits isotropic magnetic resonance for tilted incidence. Besides, a thin layer of BST cubes can perform as an artificial magnetic conductor (AMC) due to in-phase reflection around magnetic resonance. Such an AMC enhances directivity of antenna more than two times. In addition, a full dielectric cloak was also demonstrated numerically by radically positioning BST rectangular bricks.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La non-linéarité des photodétecteurs constitue un obstacle à l'élargissement des frontières en spectroscopie double-peigne. Cette limitation restreint la puissance qui peut être envoyée au photodétecteur, et par conséquent, entrave les performances des spectromètres jusqu'à un point où l'étude de phénomènes exigeant une courte durée de mesure et un rapport signal sur bruit élevé devient impossible. En limitant la puissance sur le détecteur, il devient nécessaire de moyenner le signal pour améliorer le rapport signal sur bruit et ce, jusqu'à plusieurs heures ce qui n'est simplement pas possible pour plusieurs applications. Alors que la non-linéarité est déjà reconnue comme problématique en interférométrie par transformée de Fourier, la communauté optique travaille sur les peigne de fréquence offrant des niveaux de puissance dix fois supérieurs à ce que peut accepter un photodétecteur en régime linéaire et la qualité des mesures révèle maintenant que la non-linéarité produit un niveau d'erreur systématique significatif. Il s'en suit donc un besoin de comprendre le phénomène, de gérer les erreurs systématiques et d'améliorer la chaine de détection pour tirer avantage du niveau de puissance disponible. Le problème de non-linearité des photodétecteurs est étudié en profondeur dans cette thèse. D'abord, le problème de la détection est abordé en étudiant la réaction du photodétecteur à une impulsion unique, ce qui permet de simplifier la situation. Ce faisant, il a été possible d'identifier l'amplificateur du détecteur comme une source majeure de non-linéarité pour plusieurs détecteurs couramment utilisés. La non-linéarité du photodétecteur altère les impulsions optiques qui dépendent de la puissance incidente sur le détecteur, entraînant ainsi une déformation de l'information interférométrique encodée dans l'amplitude des battements entre les deux sources pulsées. Il est d'ailleurs montré que les raies d'absorption encodées dans le signal subissent des déformations en raison de la non-linéarité, pouvant conduire à une mauvaise estimation de la concentration de gaz mesurée dans une expérience de détection de gaz. La distortion de l'information qui se produit lors du fonctionnement d'un détecteur en régime non linéaire soulève la question de savoir si de l'information a été perdue dans la détection ou si une correction a posteriori permet de retrouver l'information originale. Il est démontré qu'en respectant certaines conditions expérimentales, la non-linéarité peut être considérée statique et qu'il est possible de retrouver un spectre minimalement entaché par des erreurs systématiques dues à la non linéarité, et ce même si la chaine de détection est opérée en régime fortement non linéaire. Un algorithme de correction basé sur la minimisation des artéfacts spectraux hors bande permet de retrouver un spectre corrigé avec un fort rapport signal sur bruit pour une courte durée de mesure. Il est également démontré qu'il existe des conditions expérimentales qui minimisent les impacts de la non-linéarité. Une première solution consiste à utiliser un détecteur sans amplificateur qui sature. Il est montré que sans amplificateur, la réponse non linéaire de la photodiode en régime de haute puissance crête n'a aucun impact lorsque le signal est adéquatement filtré, ce qui permet de préserver la condition de linéarité sur les interférogrammes mesurés. Ceci est possible pour les détecteurs qui présentent une relation linéaire entre l'aire de leur réponse impulsionnelle et la puissance incidente. Lorsque la relation entre l'aire et la puissance d'un photodétecteur n'est pas linéaire, il est nécessaire d'avoir recours à l'algorithme de correction mentionné précédemment. Ayant géré et minimisé les impacts de la non-linéarité des photodétecteur, des signaux haute puissance peuvent être utilisés pour produire des mesures avec de forts rapports signal sur bruit pour de courtes durées de mesure, ce qui crée de nouvelles possibilités. Par exemple, il a été possible de mettre en évidence des formes de raies asymétriques suivant le modèle de Fano et dépendant de la puissance crête excitant le gas sous étude en spectroscopie moléculaire. L'expérience a permis de montrer que les conditions d'étirement temporel des impulsions influencent le niveau d'asymétrie des raies, puisque celui-ci est influencée par l'intensité crête des impulsions. Les deux premiers chapitres de la thèse s'attardent à la manifestation de la non-linéarité dans le contexte de la spectroscopie par double-peigne. L'impact de la non-linéarité est décrit pour des détecteurs commerciaux afin de montrer que les détecteurs sont utilisés dans un régime non linéaire bien avant la limite de puissance moyenne donnée par le fabricant. L'impact de la non-linéarité en spectroscopie double-peigne est comparé à celui en spectroscopie classique pour noter les similitudes et les différences. Une mesure d'absorption est réalisée dans un régime linéaire et non linéaire pour bien comprendre l'impact de la non-linéarité. Les chapitres trois et quatre donnent une vue d'ensemble sur la gestion de la non-linearité, que ce soit en la corrigeant par traitement numérique ou en la réduisant en respectant certaines conditions expérimentales. Le chapitre cinq présente l'observation d'un phénomène visible seulement avec un fort rapport signal sur bruit : la résonance de Fano. Finalement, le chapitre 6 dresse un portrait complet de la photodétection linéaire en spectroscopie double-peigne. / Photodetector nonlinearity (NL) is a substantial roadblock to expanding the frontiers of dual-comb spectroscopy (DCS). It restricts the power sent to a detector and ultimately limits the performances of spectrometers, reaching a point where it can hinder the study of phenomena that require both rapid measurement and a high signal-to-noise ratio (SNR). By limiting the power on a detector, experimentalists resort to averaging the signal to improve the SNR, but averaging for hours may become impractical for several applications. While detector NL has been known to be an issue in classical Fourier transform spectroscopy (FTS), the community has been using frequency combs with power levels more than ten times the amount a detector can tolerate in its linear operating regime, and the quality of measurement has reached a point where NL produces significant systematic errors. There is thus a need to understand what happens when a detector is over-illuminated, in order to provide adequate management of systematic NL errors and improvements to the detection chain to fully benefit from the information carried by the optical signal. This nonlinearity problem is thoroughly studied in this thesis. First, the photodetector's response to a dual-comb interferometric signal is analyzed by breaking it down into its reaction to a single optical pulse to gain insight into the core of the issue. This has enabled the identification of the amplifier as a main source of nonlinearity for several widely used detectors, marking a significant step towards addressing the nonlinearity problem. The nonlinearity of the photodetector creates optical pulse distortions that depend on the incident power on the detector, thus deforming the interferometric information encoded in the amplitude of the beatings between the two pulsed sources. It is demonstrated that absorption features are distorted and may lead to an incorrect estimation of gas concentration in a gas detection experiment. The distortion of information occurring under NL conditions raises a concern to know if any information is lost in the process, or if a posteriori correction is possible to retrieve the original information. It is shown that if experimental conditions are such that NL can be assumed static, the retrieval of a linear spectrum is possible. A correction algorithm based on the minimization of out-of-band spectral artifacts allowing to retrieve a high SNR spectrum acquired in a short measurement time is provided. It is also shown that there are experimental conditions that one can respect to minimize the impact of nonlinearity on a measurement. Having a detector without a saturating amplifier is a first solution. It is shown that without amplifier, the detector may still show nonlinear behaviour due to the photodiode's nonlinear response to an over-illumination, but it can be managed by proper filtering to preserve the linearity of the dual-comb signal. This is possible for detectors whose impulse response area present a linear relation with input power. If the area to power relation is not linear, the previously mentioned NL correction may be applied. With NL impacts on dual-comb interferometry properly handled and minimized, higher powers can be used to produce a useful signal and thus higher SNR measurement can be performed in short durations. This paves the way to new possibilities. As such, it has been possible to observe Fano resonances in molecular spectroscopy. This has been observed as asymmetric absorption lines in a transmission spectrum. It is demonstrated that temporal pulse broadening through chirping can reduce the impact if the pulses are sufficiently broadened to reduce the high intensity excitation of gas molecules. The first two chapters of this thesis focus on the manifestation of nonlinearity in the context of dual-comb spectroscopy. The impact of NL are described in commonly used photodetectors to show that the detectors reach a nonlinear regime well below the power threshold provided by the manufacturer. The impact of NL in DCS is then compared to its impact in FTS to highlight the similarities and differences. A spectroscopic measurement for linear and nonlinear signals is also demonstrated. The third and fourth chapters provide insights on how to manage nonlinearity whether it is necessary to correct for it or whether it is possible to avoid it by respecting given conditions. The fifth chapter presents an observation of a phenomenon in dual-comb spectroscopy that high SNR has allowed to see : Fano resonance. Finally, the sixth chapter draws a complete picture of the optimal photodetection in dual-comb interferometry.

Le mandat de ce mémoire est de vérifier la possibilité d'effectuer la spectroscopie d'une cellule de gaz HCN et d'une cellule de gaz méthane avec la technique d'interférométrie à l'aide de deux lasers indépendants sans l'auto référencement du battement 1f − 2f.L'approche choisie est d'analyser les spectres de fréquence obtenus à partir d'un double peigne stabilisé que l'on déstabilise en enlevant la boucle de contrôle des fCEO et de comparer ces spectres expérimentaux avec des spectres de référence provenant soit de la base de données HITRAN (cas du méthane) ou soit par une construction à partir de données expérimentales provenant du NIST (cas du HCN). Afin de pouvoir reconstruire adéquatement les spectres de fréquence, on utilise un algorithme d'autocorrection des interférogrammes (IGM) qui permet d'augmenter les temps de cohérence des IGM et ainsi d'étendre le temps de moyennage tout en conservant la résolution spectrale. Déjà utilisée pour des lasers stables à forts taux de répétition, son utilisation sur des lasers à taux de répétition beaucoup plus faible nécessite certaines modifications pour son bon fonctionnement. La première modification est l'ajout d'un prétraitement des données qui consiste par l'extraction de l'évolution des phases des signaux de battement à fopt et par la démodulation du signal contenant les IGM avec la combinaison extraite des phases. La seconde modification permet son utilisation sur de grandes quantités de données évitant ainsi des dépassements d'espace mémoire vive lors de l'exécution de l'algorithme sous MATLAB®. Les résultats obtenus avec le HCN démontrent que la spectroscopie à l'aide d'un double peigne de fréquences est possible lorsque la régulation des lasers s'effectue uniquement par l'asservissement des fopt et que le battement des peignes est prétraité et post-traité permettant ainsi de conserver la résolution spectrale. En ce qui concerne la spectroscopie du méthane, nos résultats montrent que le système interférométrique fonctionne seulement lorsque que la stabilisation du double peigne s'effectue par les asservissements du fCEO et du fopt. Toutefois, certaines modifications à notre système telles que : l'utilisation d'un laser CW à1650 nm au lieu de celui à 1550 nm ; l'ajout d'un second laser CW ou bien par la mesure de f r ou d'une harmonique permettraient d'obtenir une spectroscopie adéquate du méthane et cela sans utiliser l'autoréférencement des peignes.