L'électrodynamique quantique en guide d'onde étudie le comportement de circuits électriques supraconducteurs composés entre autres de jonctions Josephson et de lignes à transmission. Ces circuits présentent peu de pertes puisqu'ils sont supraconducteurs. De plus, grâce à la non-linéarité des jonctions Josephson, ils peuvent présenter des comportements typiquement quantiques. Dans cette thèse, nous élaborons un cadre théorique qui permet de traiter la connexion entre les lignes à transmission et les éléments de circuits localisés (lumped element). Nous présentons ensuite la théorie d'entrée-sortie dans le contexte de ce cadre théorique. Comme son nom l'indique, celle-ci lie les observables à la sortie du circuit à celles à son entrée et elle permet de faire des prédictions expérimentales. Nous obtenons aussi une équation maîtresse qui décrit le circuit lorsque l'information contenue dans les lignes à transmission est perdue ou ignorée. Nous utilisons le cadre théorique développé pour étudier la situation où deux circuits qui se comportent chacun comme un atome sont connectés à une ligne à transmission. Nous montrons que la physique dans ce type de système dépend de la distance entre les deux atomes artificiels. Lorsque la distance est telle que la phase [phi] acquise par le champ électromagnétique entre les deux atomes artificiels est un multiple entier de [pi], on observe qu'une superposition d'états particulière des atomes est couplée à la ligne à transmission. On dit que cet état est brillant tandis que l'autre état est dit sombre. Lorsque la phase [phi] acquise par le champ électromagnétique est un multiple impair de [pi]/2, on observe plutôt une interaction cohérente entre les deux atomes artificiels. Nous suggérerons des protocoles pour observer des signatures expérimentales de cette physique. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus suite à ces prédictions par nos collègues du groupe d'Andreas Wallraff à Zurich. Ces résultats confirment la théorie. Parmi ces données, on retrouve la première mesure d'une signature claire de l'interaction cohérente entre deux atomes. Nous utilisons aussi le cadre théorique développé pour étudier des circuits dans lesquels les inductances dépendent du temps. Nous nous intéressons à ces circuits puisqu'ils sont généralement non réciproque, ce qui en fait des candidats idéaux pour implémenter des circulateurs. Ces dispositifs qui permettent d'obtenir un couplage unidirectionnel entre deux circuits sont généralement réalisés à l'aide d'aimants. Ainsi, un défi important du domaine est de concevoir un circulateur qui peut s'intégrer à un circuit supraconducteur. On utilise notre cadre théorique pour décrire les circuits avec des inductances variables à l'aide d'un opérateur de transfert qui relient les entrées du circuit à ses sorties. Cet objet permet d'extraire les conditions sous lesquelles ce type de circuit se comporte comme un circulateur. On utilise aussi l'opérateur de transfert pour étudier un modèle de circuit qui sera testé sous peu par nos collaborateurs de JILA dans le but d'implémenter un des premiers circulateurs sans conversion de fréquence nette, sans pertes et sans ferrite. On montre que ce modèle de circuit se comporte bien comme un circulateur, avec une largeur de bande de l'ordre de 200 MHz et un niveau d'imperfections de -20 dB.

Les textiles sont utilisés dans de nombreux dispositifs médicaux extra et intra corporels (pansements, prothèses vasculaires, etc...). La recherche vise à leur apporter des propriétés thérapeutiques (antibactérienne, cicatrisante, régénérative). Parmi les solutions développées on peut transformer le dispositif en un réservoir libérant des substances actives. Le défi est de modifier le support chimiquement inerte selon des procédés non agressifs qui permettent l’incorporation de quantités suffisantes de la molécule active pour constituer une dose thérapeutique efficace dont la libération couvrira la période de cicatrisation. Le travail présenté dans cette thèse décrit une évolution du concept précédemment élaboré par le Laboratoire UMET, basé sur le greffage de cyclodextrines sur des biomatériaux variés pour la libération prolongée de médicaments. Il s’agit de l’application de la technique layer-by-layer (LbL) consistant à élaborer un assemblage multicouche - sur un support textile (PET) par superposition alternée de deux polyélectrolytes de charges opposes, pour former un enrobage des fibres par un film multicouche qui permettra au dispositif libérer un principe actif de manière prolongée. Notre système multicouche est basé sur un polymère anionique de β-cyclodextrine, alternant avec le chitosan (polymère cationique). L’optimisation de la construction LbL du film multicouche a été étudiée en parallèle par spectroscopie optique par guide d’onde (OWLS) et sur le textile ; sa dégradation et la libération de molécules modèles de principes actifs ont été suivies dans différents milieux, et les propriétés biologiques et microbiologiques ont été étudiées. / Textiles are widely used in medical devices which are implantable or not (wound dressing, vascular prosthesis etc…) and researches currently aim to bring them therapeutic properties (antibacterial, healing, regenerative). Among the most efficient solutions, transforming the device into a drug delivery system capable of releasing some drugs or bioactive substances is investigated. The main challenges are firstly to chemically modify such inert materials with soft methods in order to keep their original properties, and secondly to adsorb a sufficient therapeutic dose of the drug that should then be released covering the critical healing period. The concept developed by the UMET laboratory consists of grafting cyclodextrins on several biomaterials for extended drug release. This work presents an evolution of this latter concept thanks to the Layer-by-Layer process. Multilayer assemblies are built on a textile support thanks to alternative adsorptions of polyelectrolytes with opposite charges. It forms a multilayer coating on the fibers which allows the extended release of active molecules. Our multilayer system is based on an anionic polymer of β-cyclodextrin and chitosan (cationic polymer). Multilayer building optimization following the LbL process was simultaneously studied with Optical Waveguide Lightmode Spectroscopy (OWLS) and on textile. Its degradation and release of actives model molecules were followed in different media and biological and microbiological properties were studied.

L'interférométrie annulante permet l'étude d'exoplanètes dans l'IR (6-20 um) et la mesure de leur émission atmosphérique, reflet d'une possible activité biologique. Pour atteindre le contraste interférométrique nécessaire pour dissocier le signal planétaire du signal stellaire, les fronts d'onde issus des différents télescopes doivent se superposer parfaitement. La meilleure solution consiste à utiliser un guide d'onde monomode récupérant le flux planétaire indépendamment des aberrations optiques. Mon travail a consisté à caractériser de tels composants d'optique intégrée. J'ai mis en oeuvre pour cette étude trois méthodes : la distinction modale monochromatique par imagerie, la mesure de la plage de monomodicité par FTS et la mesure des performances de filtrage par interférométrie. Pour mener à bien ce travail, il a été nécessaire d'effectuer une analyse système de l'ensemble du banc optique, en particulier pour l'étude par interférométrie, dont les contraintes sur les vibrations, les flux lumineux ainsi que sur le positionnement des éléments optiques sont très fortes. L'étude porte sur des guides creux métalliques (HMW) et des guides diélectriques en halogénure d'argent (SH). Mon travail sur les HMW vient clore leur étude entreprise avant ma thèse. Les trois méthodes ont été utilisées pour caractériser des composants SH (guides plans et fibres optiques). Les HMW sont de bons filtres modaux mais nécessitent une fabrication très rigoureuse pour limiter les pertes en propagation. Les fibres SH nécessitent des longueurs plus conséquentes (avec des pertes linéiques plus faibles), pouvant être réduite par l'ajout de couche absorbante sur la gaine.

Th. doct. ing.--Grenoble, I.N.P.G., 1979. N°: DI 76.

Afin de répondre aux besoins croissants d’équipements de communication pour les applications spatiales, il est important de réduire, le plus possible, la taille et la masse de l’équipement des satellites. Cela conduit à une réduction des coûts de lancement des satellites sur leur orbite ou laisse la possibilité d’ajouter des équipements dans la fusée. Ceci compte aussi pour les composants radioélectriques. L’objectif étant de réduire les dimensions sans pour autant détériorer les performances en rayonnement (directivité, polarisation croisée, bande monomode, etc.). Il est possible de contrôler la propagation des ondes électromagnétiques dans les antennes cornets et les guides d’onde à l’aide de surfaces anisotropes (corrugations, métamatériaux). Ainsi, contrairement à ce que prédisent les lois physiques sur la propagation et le rayonnement d’ondes électromagnétiques dans des structures classiques, les performances des structures à parois anisotropes peuvent être radicalement améliorées : pour le guide d’onde, réduction de la fréquence de coupure ; pour l’antenne cornet, amélioration de la directivité ou réduction du niveau des lobes secondaires. D’après l’état de l’art, même si les résultats de simulations et de mesures obtenus sont très prometteurs, le dimensionnement de la structure des métamatériaux est sujet à optimisation, donc gourmand en ressources informatiques. L’apport principal de cette thèse a été de développer une nouvelle méthodologie de conception s’appuyant sur une Théorie Modale Elargie (TME) analytique pour des guides d’onde à parois anisotropes. Elle permet de dimensionner très rapidement des surfaces à métamatériaux les plus adaptées aux applications requises. Un prototype de guide d’onde et un prototype d’antenne ont été conçus, fabriqués et mesurés grâce à cette méthodologie. Les résultats obtenus démontrent l’intérêt, l'efficacité et le caractère général de la méthode proposée pour la conception de dispositifs hyperfréquences guidés à parois anisotropes. / In space applications, one of the biggest challenges is to reduce the size and mass of equipment, in order to reduce the costs of the rocket launch. For RF components, this has to be done without lowering RF performance (directivity, crosspolarization, single-mode bandwidth, etc.). The challenge is all the more problematic in the case of used horn antennas and waveguides because of their relatively large size. It has been shown that the use of anisotropic surfaces (i.e. corrugations and metamaterials) on the inside walls of guided RF structure makes it possible to influence and control the way electromagnetic waves travel, enabling new devices with radically different and improved performances : for waveguides, reduction of the cuto&# 64256; frequency ; for horn antennas, improvement of the directivity or a reduction of the side lobes. A state of the art of previous work done on metamaterial horn antennas pointed out that, even if the obtained and presented results seem very promising, the procedure to obtain the optimized RF structure is very time-consuming and requires considerable computer resources. The main contribution of this PhD work was to develop a new methodology based on the analytical Modal Expansion Theory (MET) for waveguides with anisotropic walls. This methodology makes it possible to optimize very rapidly the dimensions of the metamaterial surfaces adjusted to the required application. A metamaterial waveguide and antenna prototype have been designed, realized and measured thanks to this methodology. The results obtained demonstrate the usefulness, effectiveness and general applicability of the method developed for the design of RF structures with anisotropic walls.

Dans cette thèse, une étude approfondie sur des matériaux et des solutions pratiques est réalisée afin de répondre aux difficultés rencontrées dans la propagation des ondes à des fréquences térahertz (THz). Deux matériaux ont été identifiés comme étant prometteur: le graphène et le silicium à haute résistivité (HR-Si). Une première solution, basée sur des guides d’ondes à plaques parallèles (parallel plate waveguide-PPWG) avec des conditions de fermetures conducteur parfait (perfect electric conductor-PEC) -- graphène et graphène -- graphène a été analysée dans un premier temps. En considérant l'excitation du graphène par un champ électrique seulement, puis par un champ électromagnétique statique, les équations de Maxwell ont été résolues sous ces deux conditions et les constantes de propagations des différents modes ont été extraites. La démonstration de l'existence d'un mode propagatif hybride à l'intérieur du guide est faite dès que le graphène est excité par un champ magnétique. De plus, il est montré que l'intensité de chaque type de modes, transverse électrique (TE) ou transverse magnétique (TM), peut être ajustée suivant les champs d'excitation du graphène. Bien que le guide à plaques parallèles utilisant du graphène permette d'avoir des propriétés agiles, soit le contrôle des modes selon l'excitation du graphène, il n'en reste pas moins vrai que la faible conductivité intrinsèque au graphène conduit à un problème d'atténuation importante de l'onde. De plus, la difficulté d'obtenir des couches de graphène de taille adéquate entrave le développement de composants et de circuits fonctionnels, utilisables et à un coût raisonnable. La thèse porte ensuite sur l’étude du silicium haute résistivité pour guider des ondes aux fréquences térahertz. Tout d’abord, un guide composé d'une couche de HR-Si, de section rectangulaire dont la largeur est très grande par rapport à la hauteur, est caractérisé en utilisant un système de spectroscopie dans le domaine du temps, système permettant d'obtenir un large spectre de fréquences dans le domaine THz. Par cette caractérisation, les faibles pertes et la faible dispersion du HR-Si est démontrée. Cependant, il est aussi démontré que la géométrie du guide n'est pas optimale, conduisant à des pertes par dispersion de l'onde à l'intérieur du guide au fur et à mesure de sa propagation. Aussi, pour éviter cette dispersion, un confinement de l'onde est proposé en réduisant la largeur de la couche HR-Si pour la rendre de l'ordre de la hauteur (confinement en x et y, propagation en z) conduisant ainsi à la réalisation d'un guide d’ondes diélectrique en ruban (dielectric ribbon waveguide-DRW). Une analyse approfondie de la propagation d'une telle structure a conduit à concevoir un guide à faibles pertes d'une part, mais également à propagation monomode sur une large bande de fréquence. Une méthode de fabrication simple a été développée pour réaliser ce type de guide et un banc de mesure spécifique a été mis en place pour caractériser ce nouveau guide. Les mesures réalisées utilisent un analyseur de réseaux vectoriel (un PNA-X d'Agilent) auquel est branché deux têtes de mesure de la compagnie Virginia Diode Inc's (VDI) pour obtenir les bandes de fréquences désirées. Les sorties sont alors en guide rectangulaire standard, soit WR-8, soit WR-5 selon la plage de fréquence visée. Les résultats des mesures se comparent très bien avec les simulations réalisées avec un logiciel utilisant la méthode des éléments finis en trois dimensions (HFSS de la compagnie ANSYS) permettant d'obtenir les paramètres de la matrice de diffraction (S) mesurée par l'analyseur de réseau vectoriel. Finalement, dans le chapitre 6, un filtre passe-bande est développé comme preuve de concept pour l'utilisation du guide DRW utilisant le matériau HR-Si. Outre les faibles pertes et la propagation monomode d'un tel guide DRW, il est aussi montré dans cette thèse la facilité du processus de fabrication, le faible coût de ce procédé ainsi que la possibilité d'intégration avec d'autres composants passifs et actifs. Avec toutes ces caractéristiques très intéressantes sur différents plans, le guide DRW en HR-Si apparaît comme une solution très compétitive pour devenir un standard dans la bande de fréquence des THz.

Les recherches pharmacologiques nécessitent des outils d'analyse capables de caractériser et d'étudier des structures ou phénomènes biologiques. Une plate-forme de microscopie exploitant la résonance de plasmons de surface permet de faire l'acquisition d'images étudiant des phénomènes au niveau de cellules individuelles. Les images acquises par ce type de plate-forme présentent la variation d'indice de réfraction du milieu observé en couplant une lumière incidente aux plasmons de surface à l'interface d'un métal et d'un diélectrique. La faible résolution latérale de ces images ne permet cependant pas d'en distinguer tous les détails. Cette limite de résolution est associée aux propriétés de l'onde de surface qui entraînent une dégradation de l'image par l'étalement directionnel de l'information sur plusieurs pixels. De nombreux groupes de recherche ont travaillé sur ce problème de résolution en explorant des alternatives matérielles, que ce soit au niveau du montage d'acquisition ou des échantillons. Cependant, ceux-ci ont dû faire certains compromis afin d'améliorer la résolution latérale occasionnant une limitation en résolution temporelle ou en indice de réfraction. L'approche préférée dans ce projet de maîtrise est l'utilisation de techniques de post-traitement des images (déconvolution, algorithme de reconstruction d'images) acquises par le système de microscopie. Cette approche permet de conserver un bon contraste dans les images acquises et une bonne résolution temporelle. Ce projet vise à améliorer la résolution latérale en microscopie de résonance de plasmons de surface (SPR) en utilisant un algorithme de reconstruction d'images. Une méthode comme celle-ci n'a jamais été exploitée pour résoudre ce problème de limitation en résolution. Dans ce projet, une image de meilleure résolution est obtenue en combinant l'information pertinente de plusieurs images où la direction d'excitation des plasmons de surface diffère. Ces images sont acquises à partir d'échantillons de guides d'ondes à gaine métallique (MCWG) dont les matériaux et structures sont connus. Ceux-ci sont composés de quatre couches et ont tout d'abord été fabriqués. Ces échantillons ont permis l'acquisition d'images de structures dont les dimensions et les paramètres sont connus. Un algorithme de restauration d'images a été développé et implémenté pour retirer la dégradation linéaire observée dans les images de microscopie SPR acquises. Celui-ci détermine l'information nécessaire à l'exécution de l'algorithme à partir des images acquises, et améliore la résolution en microscopie SPR par une opération logicielle ne faisant pas de compromis au niveau matériel. L'algorithme a été validé auprès des échantillons MCWG dont la couche diélectrique est composée de structures synthétiques ou de cellules biologiques. Une amélioration de 6 à 1 micromètres sur structures synthétiques a été démontrée, tandis que le traitement permet de distinguer des détails des images cellulaires qui n'étaient pas identifiables avant. Ainsi, grâce à cette amélioration de la résolution, l'application de cet algorithme facilitera l'étude et le développement de nouveaux médicaments pharmacologiques.

L'infrarouge est un domaine spectral particulièrement attrayant pour de nombreux champs d'applications, tels que les télécommunications, la détection, etc. Cependant, les sources infrarouges compactes disponibles à l'heure actuelle pour le domaine spectral R-moyen sont particulièrement couteuses à fabriquer ou à mettre en oeuvre. Ce projet de recherche propose une nouvelle famille de sources infrarouges compactes utilisant les propriétés non-linéaires de l'AlGaAs. Afin de réaliser la preuve de concept pour ces nouvelles sources infrarouges, un convertisseur de longueur d'onde, basé sur un guide d'onde submicrométrique, fonctionnant par génération de seconde harmonique a été conçu. Dans le but de permettre l'interaction non-linéaire et de maximiser son rendement de conversion, différents critères doivent être respectés : des dimensions très précises ainsi que des flancs non rugueux, homogènes et verticaux. Le défi de ce projet de doctorat était donc de développer un procédé de fabrication de guides d'onde créneaux submicrométriques en GaAs/AlGaAs à fort rapport d'aspect et rugosité latérale minimale. Nous avons ainsi optimisé l'étape cruciale de gravure plasma ICP des matériaux. La recette développée est reproductible. La chimie Cl[indice inférieur 2]/BCl[indice inférieur 3]/Ar/N[indice inférieur 2] utilisée permet de graver non sélectivement des structures nanométriques en GaAs/Al[indice inférieur x]Ga[indice inférieur 1-x]As quelque soit la valeur de la composition x en aluminium. Les flancs et les fonds de gravure sont exempts de rugosités et le dépôt de couche inhibitrice permet d'atteindre de forts rapports d'aspect. Ce procédé nous a permis de fabriquer des guides d'onde submicrométriques avec des verticalités quasi idéales et des rapports d'aspect extrêmes encore jamais publiés : 80 nm de large et 2,6 [micro]m de haut, soit un rapport d'aspect supérieur à 32. Une fois ces guides d'onde fabriqués, l'étape suivante a consisté à mesurer les pertes de propagation afin d'évaluer leurs performances, qui se sont révélées excellentes. Ainsi, un guide de 550 nm de large présente des pertes de propagation d'environ 40 dB/cm inférieures à celle d'un guide strictement identique présenté dans la littérature. Ces résultats ont permis à nos collaborateurs de réaliser la conversion de longueur d'onde dans ces structures : une onde infrarouge à 1582 nm génère une onde à 791 nm. De plus, le composant final est accordable en température ([delta][lambda] [tilde] 2 nm pour +3[degrés Celsius]) comme en largeur de guide ([delta][lambda] [tilde] 53 nm pour +50 nm). Cette réalisation est le premier pas vers de nouvelles sources infrarouges non linéaires, cohérentes, compactes, peu couteuses et compatibles avec l'optique intégrée. Dans le but d'améliorer davantage ces performances, nous avons également étudié le traitement de passivation de surface. L'intérêt de cette passivation est d'améliorer l'homogénéité des surfaces, en réduisant les densités de défauts responsables des pertes par recombinaisons non radiatives. Les traitements de passivation réalisés sur GaAs les plus efficaces ont permis de réduire la densité d'états de surface, originellement supérieure à 10[indice supérieur 13] cm[indice supérieur -2] eV[indice supérieur -1], à 5-7.10[indice supérieur 11] cm[indice supérieur -2]eV[indice supérieur -1]. Un tel traitement est donc prometteur pour les composants semi-conducteurs à fort rapport"surface/volume". Par conséquent, ce travail de doctorat a permis de mettre en place un procédé reproductible pour la fabrication de dispositifs complexes à base de structures GaAs/AlGaAs dont la qualité à permis la démonstration de la conversion non-linéaire des signaux optiques.

Depuis les années 1980, les chercheurs essayent de concevoir des ordinateurs dits « optiques », au sein desquels les signaux électriques seraient remplacés par des signaux photoniques. Pour cela, il est nécessaire de s’intéresser aux problèmes d’interconnexions entre les composants. Cette thèse porte sur la problématique de l’interconnexion optique entre composants électroniques. Afin de proposer une solution à cette problématique, nous étudierons deux types de structures plasmoniques, une première structure d’un seul bloc solide où l’onde d’information est réfléchie sur un prisme d’air, cette structure est composée d’un guide d’onde métallique recouverte d’une couche de photoresist et elle est nommée « guide plasmonique à ultra longue distance » (ULR-SPP). La seconde structure est basée sur une interconnexion flexible où l’information circule le longue d’un guide souple, ce type d’onde est qualifié de « PlasArc ». Au travers d’un chapitre de simulation numérique, nous déterminerons les caractéristiques dimensionnelles afin de minimiser les pertes d’énergies par propagations de nos guides d’ondes dans chacune des structures. Toutes nos simulations sont effectuées dans la gamme d’ondes des signaux télécoms. Puis, nous présentons la fabrication de nos deux types de guides d'ondes ainsi que leurs spécificités de réalisation à savoir une gravure profonde sèche de 60 µm pour les structures ULRSPP et le retrait d’un substrat solide pour les guides « PlasArc ». La caractérisation de nos structures seront réalisées par des méthodes distinctes (réduction successive de la longueur des échantillons, mesures de la perte par propagation le long du guide, taille du mode obtenu en bout de guide, …) sur des tailles d’échantillons pouvant aller de 5 mm à plusieurs centimètres de longueurs. Une étude de la perte selon le rayon de courbure est établie sur les guides d’ondes plasmoniques de type « PlasArc » / Since the 1980s, researchers have been trying to design so-called "optical" computers, in which electrical signals would be replaced by photonic signals. For this, it is necessary to look at interconnection problems between components. This thesis deals with the problem of optical interconnection between electronic components. In order to propose a solution to this problem, we will study two types of plasmonic structures, a first structure of a single solid block where the information wave is reflected on an air prism, this structure is composed of a guide of metal wave covered with a layer of photoresist and it is named "ultra-long-distance plasmonic guide" (ULR-SPP). The second structure is based on a flexible interconnection where the information flows along a flexible guide, this type of wave is called "PlasArc". Through a numerical simulation chapter, we will determine the dimensional characteristics in order to minimize the energy losses by propagation of our waveguides in each of the structures. All our simulations are performed in the waveband of telecom signals. Then, we present the fabrication of two types of plasmonic waveguides as well as their specificities of realization namely a deep etching of 60 μm for ULRSPP structures and the removal of a solid substrate for waveguide named "PlasArc". The characterization of structures will be realized by distinct methods (cut-back, measurements of the loss by propagation along the guide, size of the mode obtained at the end of the guide, ...) on sizes of samples that can go from 5 mm to several centimeters in length. A study of the loss according to the radius of curvature is established on plasmonic waveguides of "PlasArc" type

Ce travail de thèse propose une approche dynamique pour les structures périodiques et l'application à la modélisation d'un pneumatique. Les propriétés statiques et dynamiques des matériaux constituants du pneu sont mesurées. Des modèles spécifiques d'homogénéisation sont aussi utilisés pour déterminer les caractéristiques équivalentes. Les fonctions de réponse en fréquence sont mesurées à plusieurs endroits sur le pneumatique dans les deux cas de force d'excitation : sur la bande de roulement et sur le flanc. La théorie dynamique utilisant la périodicité des structures est présentée. On propose une transformation en repère cartésien pour les structures ayant la périodicité dans un repère non-cartésien. L'utilisation de cette transformation dans le pneumatique assure les conditions de périodicité dans l'exploitation des matrices des cellules. Les mobilités à plusieurs points du pneu sont calculées et comparées avec les mesures. Ce travail permet d'une part l'étude dynamique d'un pneumatique à haute fréquence et d'autre part l'étude paramétrique de l'influence des propriétés de matériaux et de la pression interne dans le pneu.