L'interaction entre électrons de conduction itinérants et électrons localisés dans les hétérostructures magnétiques est à l'origine d'effets tels que le transfert de moment de spin, le pompage de spin ou l'effet Hall de spin. Cette thèse est centrée sur le phénomène de pompage de spin : une couche ferromagnétique (FM) en précession injecte un courant de spin pur dans les couches adjacentes. Ce courant de spin peut être partiellement ou totalement absorbé par une couche, dite réservoir de spin, placée directement en contact avec le matériau ferromagnétique ou séparée par une couche d'espacement. L'absorption de la composante transverse du courant de spin induit une augmentation de l'amortissement de la précession ferromagnétique de la couche libre. Cet effet à été mesuré par des expériences de résonance ferromagnétique avec, pour la couche en précession FM, trois matériaux ferromagnétiques différents (NiFe, CoFeB et Co), et pour la couche de réservoir de spin, différents matériaux paramagnétiques (Pt, Pd, Ru), ferromagnétiques et antiferromagnétiques. Dans un premier temps, nous avons vérifié que le facteur d'amortissement non-local généré est de type amortissement de Gilbert, et qu'il est inversement proportionnel à l'épaisseur de la couche en précession FM. L'analyse de l'augmentation de l'amortissement a été réalisée dans le cadre du modèle de pompage de spin adiabatique proposé par Tserkovnyak et al.. Dans un second temps et suivant ce modèle, nous avons extrait les paramètres de conductance avec mélange de spin à l'interface g↑↓ pour différentes interfaces, ces paramètres déterminent le transport du courant de spin à travers des interfaces ferromagnétique/métal non-magnétique. Un troisième résultat important de cette thèse porte sur la longueur d'absorption du courant de spin dans des matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques. Celle-ci varie considérablement d'un matériau à l'autre. Pour les matériaux ferromagnétiques, la longueur d'absorption du courant de spin est linéaire par rapport à l'épaisseur de la couche réservoir de spin, avec pour longueur caractéristique ~ 1 nm. Ce résultat est en cohérence avec les théories antérieures et avec les valeurs de longueur de déphasage de spin pour le transfert de moment de spin dans les matériaux ferromagnétiques. Dans les paramagnétiques tels que Pt, Pd, Ru, la longueur d'absorption est soit linéaire soit exponentielle selon que le réservoir paramagnétique est directement en contact avec la couche en précession ou bien séparé par une couche mince d'espacement en Cu. La longueur caractéristique correspondante est inférieure à la longueur de diffusion de spin. Des mesures complémentaires de dichroïsme circulaire magnétique par rayons X ont révélé une induction de moments magnétiques dans les matériaux paramagnétiques comme Pd, Pt, lorsque couplé directement ou indirectement avec une couche FM. Ce résultat fournit une explication de la dépendance en épaisseur linéaire observée dans les hétérostructures en contact direct. Etant donné que le pompage de spin et le couple de transfert de spin (STT) sont des processus réciproques, les résultats de cette thèse sur la conductance avec mélange de spin, la longueur d'absorption de spin et les moments de spin induits sont également d'un grand intérêt pour les études de transfert de moment de spin, ainsi que d'effet Hall de spin, direct et inverse. L'avantage des études présentées ici réside dans le fait qu‘elles sont effectuées sur des couches minces continues, sans aucune étape de nanofabrication. / In magnetic heterostructures, the interaction between itinerant conduction electrons with localized electrons is at the origin of effects such as the spin momentum transfer, spin pumping or the spin Hall effect. This thesis is centred on the phenomenon of spin pumping, which states that a precessing ferromagnetic (FM) layer injects a pure spin current into its adjacent metallic layers. This spin current can be partially or fully absorbed by a spin sink layer, placed directly in contact with the ferromagnet or separated by a spacer layer. The absorption of the transverse component of the spin current results in an enhancement of the effective damping of the precessing ferromagnet which we have studied using ferromagnetic resonance experiments for three different ferromagnets (NiFe, CoFeB and Co) as the precessing FM layer and various paramagnets (Pt, Pd, Ru), ferromagnets or an antiferromagnet as the spin sink layer. As a first step we have verified that the additional non-local damping is Gilbert type, and that it depends inversely on the thickness of the FM precessing layer. The analysis of the enhanced damping was done in the frame of an adiabatic spin pumping model proposed by Tserkovnyak et al. Within this model we extracted as a second step the interfacial spin mixing conductance parameters g↑↓ for various interfaces, which determine the spin current transport through FM/NM interfaces. A third important result of the thesis concerns the absorption length of spin currents in ferromagnets and paramagnets which we found can be very different. In ferromagnets the spin current absorption is linear with the spin sink layer thickness, with a characteristic length of ~1nm. This is consistent with theory and the spin dephasing length for spin momentum transfer in ferromagnets. In paramagnets such as Pt, Pd, Ru, the spin current absorption is either linear or exponential depending on whether the paramagnetic is directly in contact with the FM or separated by a thin Cu spacer layer. The corresponding characteristic length is less than the spin diffusion length. Complementary X-ray magnetic circular dichroism measurements revealed induced magnetic moments in paramagnets like Pd, Pt when directly or indirectly coupled with a FM layer. This provides an explanation for the linear thickness dependence for the direct contact heterostructures. Since spin pumping and spin transfer torque (STT) are reciprocal processes the results of this thesis on the spin mixing conductances, spin absorption length scales and induced moments will also be of great interest for studies on spin momentum transfer, Spin Hall effect and Inverse Spin Hall effect. The convenience being that these studies can be done on continuous films and no nanofabrication is required.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'optique micro-onde. Nous avons mis en oeuvre différentes solutions opto-électroniques dans le but de réaliser un synthétiseur hyperfréquence monolithiquement intégré, faiblement bruité et largement accordable jusqu'au domaine millimétrique. Le synthétiseur est basé sur l'intégration sur InP de deux lasers DFB, d'un coupleur optique et d'une photodiode rapide. En outre, un modulateur électro-optique est également implémenté sur la puce afin de transmettre un signal de données sur la porteuse générée. Les performances obtenues en terme de gamme d'accord et de transmission de données sans fil se sont révélées conformes aux objectifs. Ainsi, une gamme d'accord de 0 à 110 GHz et un débit de transmission de donnée sans fil à courte distance de 1 Gbit/s ont pu être démontrés, établissant notre système à l'état de l'art mondial pour ce type de composant totalement intégré. Les performances en terme de bruit de phase se sont en revanche révélées décevantes. Pour remédier à ce problème nuisant à la montée en débit supérieurs, nous avons investigué deux solutions de stabilisation de la fréquence porteuse. La première, basée sur un asservissement électronique (OPLL) de la puce, s'est pour le moment révélé infructueuse, mais a permis d'étudier plus avant les problématiques qui lui sont liées. La seconde solution, basée sur un système inédit de rétroinjection optique mutuelle et une stabilisation sur un oscillateur électronique externe a quant à elle répondu à nos souhaits. En effet, la stabilisation de la fréquence porteuse par cette technique a permis de démontré des largeurs de raies inférieure à 30 Hz et un bruit de phase réduit à -90 dBc/Hz à 10 kHz d'une porteuse accordée à 90 GHz. A la suite de ces travaux sur une première génération de composants, une deuxième génération a été développée afin d'améliorer les performances intrinsèques de la puce en remédiant aux limitations observées jusqu'alors. Ainsi, une nouvelle configuration de cavité a été conçue intégrant notamment des lasers plus longs ainsi que des miroirs haute réflectivité. Par ailleurs, une optimisation de la structure de la photodiode a été réalisée afin d'améliorer encore sa bande passante. Une telle source permet d’envisager la génération et la modulation de signaux microonde faible bruit de phase et largement accordables sur des composants monolithiquement intégrés répondant aux exigences de compacité, de reproductibilité et de performances haut débit requises par les industries des télécommunications, de la défense ou encore du domaine spatial. / This thesis deals with the microwave photonics context. We have implemented various opto- electronic solutions in order to realize a monolithically integrated microwave synthesizer which has a low noise and a wide tunability until millimeter-wave frequencies. The synthesizer is based on the integration of two InP DFB lasers, an optical coupler and a fast photodiode. In addition, an electro-optic modulator is also implemented on the chip in order to transmit data on the generated carrier. The performances obtained in terms of tunability and wireless data transmission proved consistent with the objectives. Thus, a tuning range of 0-110 GHz and a short distance wireless data transmission rate of 1 Gbit /s have been demonstrated, establishing our system to the state of the art for this type of fully integrated component. Phase noise and linewidth performances have however been disappointing. To solve this problem affecting the data rate we have investigated two ways of stabilizing the carrier frequency. The first, based on an electronic feedback loop (OPLL) has yet proved unsuccessful but allowed us to further explore the related issues. However, the second solution, based on a new system of optical cross injection and stabilization to an external electronic oscillator has filled our wishes. Indeed, the stabilization of the carrier frequency by this technique has demonstrated linewidth less than 30 Hz and a reduced phase noise to -90 dBc / Hz at 10 kHz for a given carrier at 90 GHz. Next to the first generation components, a second generation was developed to improve the intrinsic performances of the chip by remedying the limitations previously observed. Thus, a new cavity configuration was designed including longer lasers and high reflectivity integrated mirrors made by materials deep etching. Moreover, optimization of the photodiode structure was carried out to further improve the bandwidth. Such a source allows to consider the generation and modulation of low phase noise and widely tunable microwave signals on monolithically integrated components matching the compactness, reproducibility and high speed performances required by the telecom, defense and space industries.

La technique de Georadar (GPR) est actuellement largement utilisée comme une technique non-destructive de sondage et d'imagerie dans plusieurs applications du génie civil qui concernent principalement: l'inspection des structures et des matériaux de construction, la cartographie des réseaux enterrés et des cavités, la caractérisation des fondations souterraines et du sol ainsi que l'estimation de la teneur en eau volumique du sous-sol. Le radar GPR est une technique en continuelle évolution en raison de l'intégration toujours plus poussée des équipements électroniques, des performances des calculateurs numériques, et des traitements du signal avancés. La promotion de cette technologie repose sur le développement de nouvelles configurations de systèmes et d'outils de traitement des données en vue de l'interprétation des images du sous-sol. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse présentent tout d'abord le système GPR ULB (Ultra large bande) à double polarisation couplé au sol, lequel a été développé récemment au laboratoire. Par la suite, les traitement des données ont été focalisés sur le développement d'outils d'analyse en vue d'obtenir à partir des images brutes des images plus facilement lisibles par l'utilisateur afin d'améliorer l'interprétation des données GPR, en particulier dans le cadre de la détection de canalisations urbaines et la caractérisation des sols. Les moyens de traitement utilisés concernent l'élimination du clutter au cours d'une étape de prétraitement en utilisant des adaptations et des extensions des algorithmes fondés sur les techniques PCA et ICA. De plus, une technique de traitement d'image ‘'template matching” a été proposée pour faciliter la détection d'hyperbole dans une image Bscan de GPR. La diversité de polarisation est enfin abordée, dans le but de fournir des informations supplémentaires pour la détection d'objets diélectriques et des discontinuités du sous-sol. Les performances de nos outils d'analyse sont évaluées sur de données synthétiques (simulations 3D FDTD) et des données de mesures obtenues dans des environnements contrôlés. Pour cela, nous avons considéré différentes configurations de polarisation et des objets à caractéristiques diélectriques variées. Le potentiel de discrimination des cibles a été quantifié en utilisant le critère statistique fondé sur les courbes ROC / The Ground Penetrating Radar technique (GPR) is now widely used as a non destructive probing and imaging tool in several civil engineering applications mainly concerning inspection of construction materials and structures, mapping of underground utilities and voids, characterization of sub-structures, foundations and soil and estimation of sub-surface volumetric moisture content. GPR belongs to a continuously evolving field due to electronic integration, high-performance computing, and advanced signal processing. The promotion of this technology relies on the development of new system configurations and data processing tools for the interpretation of sub-surface images. In this context, the work presents first the dual polarization UWB ground coupled GPR system which has been developed recently. Then, the data processing has focalized on the development of analysis tools to transform the raw images in a more user-readable image in order to improve the GPR data interpretation especially within the scope of detection of urban pipes and soil characterization. The processing means used concern clutter removal in the pre-processing step using adaptations and extensions of the PCA and ICA algorithms. Moreover, a template matching image processing technique is presented to help the detection of hyperbola within GPR raw B-scan images. The dual polarization is finally shown to bring additional information and to improve the detection of buried dielectric objects or medium discontinuities. The performances of our analysis approaches are illustrated using synthetic data (3D FDTD simulations) and field-measurement data in controlled environments. Different polarization configurations and dielectric characteristics of objects have been considered. The potential for target discrimination has been quantified using statistical criteria such as ROC

La polarisation de la lumière est très souvent utilisée en imagerie pour caractériser certaines propriétés de la matière, ou pour mettre en évidence des zones qui ne seraient peu ou pas contrastées avec des caméras d'intensité classiques. Nous explorons le potentiel d'une nouvelle technique de polarimétrie, dite de « brisure d'orthogonalité », pour réaliser des acquisitions de manière simple, directe et à haute cadence. Cette technique d'imagerie par balayage laser repose sur l'emploi d'une source de lumière bi-fréquence bi-polarisation pour sonder les caractéristiques polarimétriques (notamment le dichroïsme ou anisotropie d'absorption) des échantillons imagés.Nous explorons la possibilité du déport de la mesure de « brisure d'orthogonalité » par fibre optique faiblement multimode pour le développement d'endoscopes polarimétriques. Un tel dispositif vise à fournir une méthode de diagnostic rapide pour analyser des tissus biologiques profonds tout en évitant le recours aux biopsies. Nous démontrons, théoriquement et expérimentalement, la compatibilité de cette approche avec un dispositif d'endoscopie commercial (fibre ou bundle multicœurs, légèrement multimodes) pourvu que le nombre de modes guidés soit inférieur à une dizaine. D'autre part, nous présentons la conception, la réalisation, la validation et l'exploitation d'un démonstrateur d'imagerie active par brisure d'orthogonalité dans le proche infrarouge. Ce dernier vise des applications défense de détection et/ou décamouflage de cibles. Après caractérisation des bruits dominants les signaux acquis, nous illustrons l'apport du démonstrateur pour la mise en évidence d'éléments dichroïques. Enfin, nous démontrons que la technique de brisure d'orthogonalité peut être avantageusement, et très simplement, adaptée pour mesurer sélectivement le dichroïsme, la biréfringence, et la dépolarisation, paramètres essentiels à la détection d'objets manufacturés (cibles). Ces trois modalités, lorsqu'elles sont conjuguées, offrent au démonstrateur des capacités d'identification. / Polarimetric imaging is a useful tool to characterize some matter properties, or to highlight regions slightly or not contrasted with intensity cameras. We investigate the capability of a novel polarimetric technique, namely the “orthogonality breaking technique”, to perform direct and straightforward measurements at high speed. Relying on the use of a dual-frequency dual-polarization light source, this imaging modality probes polarimetric features (dichroism, or absorption anisotropy) in imaged samples.We explore the potential to perform orthogonality breaking measurements through few mode optical fibers towards polarimetric endoscopy. Such an imaging device would greatly improve the diagnosis efficiency to analyze in-depth biologic tissues without biopsy surgery. We show, theoretically and experimentally, the compatibility of our approach with a commercial flexible endoscope (slightly multimode multicore fibers or bundle) provided that the number of guided modes remains inferior to a dozen.On the other hand, we describe the design, the development, the validation and the exploitation of an active near infrared imaging demonstrator based on the orthogonality breaking technique for defense target detection applications. After characterization of the acquired signals noise, we illustrate the imager capability to reveal dichroic elements. Finally, we demonstrate that the orthogonality breaking technique can be advantageously and straightforwardly tailored to address selectively the dichroism, the birefringence and the depolarization, which are core parameters for the detection of manufactured objects (targets). The combination of these three modalities grants an identification capability to the demonstrator.

La capacité et les performances des systèmes à fibres optiques et photoniques dépendent fortement du bruit et des non-linéarités des amplificateurs optiques. Dans ce contexte, les amplificateurs paramétriques à fibre optique (PS-FOPA), reposant sur le mélange à quatre ondes dans les fibres optiques, surpassent les amplificateurs conventionnels insensibles à la phase. En effet, leur sensibilité à la phase peut être exploitée pour l'amplification sans bruit et al compensation de la distortion non-linéaire. En conjonction avec leur large spectre de gain et d'autres fonctionnalités telles que la conversion de longueur d'onde, ils sont considérés comme des candidats prometteurs pour la prochaine génération d'amplificateurs optiques pour les communications et le traitement de signal tout optiques.Le PS-FOPA est classiquement décrit par les équations d'ondes couplées, dérivées de l'équation de Schrödinger non-linéaire qui ne contiennent que trois ou quatre ondes en interaction. Cependant, dans un cas plus général, l'apparition de fréquences supplementaires d’ordre plus élevé affectera inévitablement la sensibilité en phase.L’objectif de cette thèse est d'étudier de manière approfondie les propriétés non-linéaires, en termes de gain et de sensibilité en phase d'un PS-FOPA dégénéré à double pompe pour différentes configurations. Une analyse numérique plus précise est obtenue en utilisant le modèle à 7 ondes qui incorpore les ondes supplémentaires issues de processus de mélange à quatre ondes d’ordre élevé. Ce modèle permet de donner une interprétation physique plus précise des interactions multi-ondes en fonction des conditions d'accord de phase, révélant les relations sous-jacentes entre la dispersion et la sensibilité de phase. De plus, la capacité de régénération simultanée de phase et d'amplitude d'un PS-FOPA basique est évaluée pour l'optimisation globale. Il permet d'exploiter pleinement la capacité potentielle d'un PS-FOPA de base agissant comme un bloc de construction fondamental des futures fonctionnalités tout optiques. L’approche basée sur ce modèle permet une optimisation orientée vers l’application et revêt une importance particulière pour la conception et l'optimisation de tels PS-FOPAs dans divers scénarios. / The capability and performance of the widely deployed fiber-optic and photonic systems strongly depend on the noise and nonlinearities of the optical amplifiers. In this context, phase-sensitive fiber-optic parametric amplifiers (PS-FOPAs), relying on four-wave mixing in optical fibers, outperforms conventional phase-insensitive amplifier thanks to the unique phase-sensitivity that can be exploited for noiseless amplification and mitigation of the nonlinear impairment. In conjunction with the vast gain spectrum and other functionality such as wavelength conversion, they have been regarded as a promising candidate for the next generation optical amplifiers towards all-optical communication and processing.The PS-FOPA is conventionally described by the fundamental coupled wave equations derived from the nonlinear Schrödinger equation that contains only three or four interacting waves. However, for a more general case, the emergence of high-order waves will inevitably affect the phase-sensitivity. The objective of this thesis aims at the thorough investigation of the nonlinear properties in terms of the gain properties and the phase sensitivities with respect to different configurations of a dual-pump signal-idler degenerate PS-FOPA. The more accurate numerical analysis is obtained by using the 7-wave model that incorporates the first order high-order waves stemming from the high-order four-wave mixing processing. This model permits to assess a more precise physical interpretation of the multi-wave interactions based on phase matching conditions, revealing the underlying relations between the dispersion and the phase-sensitivity. Moreover, the simultaneous phase and amplitude regenerative capability of a basic PS-FOPA is evaluated for the overall optimization. It allows fully exploiting the potential ability of a basic PS-FOPA acting as a fundamental building block of the future all-optical functionalities. The analysis approach based on this model permits application-oriented optimization and is of particular guiding significance for design and optimization of PS-FOPA in various scenarios.

Ces travaux portent sur l'insertion de résonateurs en anneau de silicium dans des boucles d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) pour la génération de signaux micro-ondes à faible bruit de phase et constituent une contribution à la future intégration complète des systèmes OEO en photonique silicium. L'orientation de l'application qui a été explorée a été d'évaluer la performance de ces systèmes pour la détection de variations d’indice optique en volume. Deux configurations différentes de résonateurs en anneau de silicium à base d'OEO ont été proposées et démontrées : des OEO à base de résonateurs en anneau silicium millimétriques et des OEO accordables à base d’anneaux plus compacts et d'un schéma spécifique de réinjection de porteuse optique.Dans la première approche, le signal optique est utilisé comme porteuse optique, qui est modulée par un modulateur d'intensité qui produit un ensemble de deux bandes latérales dans le domaine optique, tandis que le résonateur en anneau génère un peigne optique qui agit comme un filtre optique, transposant son intervalle spectral libre (ISL) dans le domaine micro-onde. Par le battement des deux raies optiques adjacentes dans un photodétecteur, l’information est ainsi traduite dans le domaine RF. La contribution de notre travail a été de démontrer que la réalisation de résonateurs millimétriques (environ 6mm) en photonique silicium était une approche viable et intéressante pour la réalisation directe d'OEO. Dans les configurations étudiées, les résonateurs en anneau SOI ont été optimisés pour satisfaire la cible requise d'un ISL d’environ 15 GHz et un facteur de qualité optique supérieur à 10^5. Les résultats expérimentaux obtenus ont démontré la viabilité et la stabilité de l'approche proposée, tandis qu’un niveau de bruit de phase de -100dBc/Hz à un décalage de 100 kHz par rapport à la porteuse et une capacité de détection du système d’environ 3,72 GHz/RIU ont été quantifiés pour une variation de l'indice de réfraction comprise entre 1,572 et 1,688, en bon accord avec les résultats des simulations.En complément de cette première étape, nous avons abordé la question très importante de l'accordabilité de la fréquence du signal hyperfréquence généré. À cette fin, nous avons proposé, conçu, puis développé et testé une configuration d’OEO originale, basée sur l'utilisation d'une seule bande de modulation et d'un mécanisme de réinjection de la porteuse optique du laser de la boucle. Dans ce schéma, le signal oscillant est créé par le battement entre le faisceau laser et une bande latérale unique du signal de modulation sélectionnée par un résonateur en anneau. Dans l'implémentation que nous avons réalisée, un résonateur photonique SOI avec un ISL de 77 GHz et un facteur de qualité optique à 8,1×10^4 a été utilisé. En modifiant la fréquence du laser tout en conservant une longueur d'onde de résonance du résonateur fixe, une accordabilité de 5,8 GHz à 18,2 GHz a été démontrée, qui est seulement limitée par le fonctionnement de l'amplificateur RF utilisé dans les expériences réalisées. Parallèlement, un niveau de bruit de phase de -115 dBc/Hz à une fréquence de décalage de 1 MHz a été obtenu pour tous les signaux générés, démontrant la possibilité de créer des fréquences d'oscillation élevées avec le même niveau de bruit de phase. Nous avons ensuite appliqué cette approche à la détection de l'indice de réfraction en volume et démontré une sensibilité de détection de 94350 GHz/RIU et une limite de détection d'indice de 10^-8 RIU. Au-delà de ces résultats expérimentaux, l'apport de cette seconde approche apporte une solution simple et flexible au problème de la génération de signaux hyperfréquences à fréquences variables à la demande, et ouvre des perspectives d'application très riches.Tous les résultats de la thèse contribuent à la question de l'intégration des OEO sur puces silicium et permettent d'anticiper diverses applications dans le domaine des communications et des capteurs. / This work focuses on the insertion of silicon ring resonators into the loops of optoelectronic oscillators (OEO) for the generation of low phase noise microwave signals and is a contribution to the future full integration of OEO systems on single silicon chips. The application orientation that was explored was to evaluate the performance of these systems for bulk optical index detection. Two different configurations of silicon ring resonators based OEO have been proposed and demonstrated: OEO based on millimeter-long silicon ring resonators and tunable OEO based on more compact silicon ring resonators and a specific optical carrier reinjection scheme.In the first approach, the optical signal is used as an optical carrier, which is modulated by an intensity modulator that produces a set of sidebands in the optical domain, while the ring resonator generates an optical comb that acts as an optical filter, translating its Free Spectral Range (FSR) into the microwave domain. By the beating of two adjacent optical comb lines in a photodetector, the optical spectral lines are then translated into the RF domain. The contribution of our work has been to demonstrate that the realization of millimeter resonators (about 6mm) in silicon photonics was a viable and interesting approach for the direct realization of OEO. In the investigated configurations, SOI ring resonators were optimized to satisfy the required target of a FSR of around 15GHz and an optical quality factor above 10^5. The demonstrated experimental results showed the viability and the stability of the proposed approach, while phase noise level of -100dBc/Hz at an offset of 100 kHz from carrier was obtained and sensing capability of the studied system was quantified to around 3.72 GHz/RIU for a refractive index variation in the range of 1.572 to 1.688, in good agreement with simulation results.In a complementary direction to this first step, we addressed the very important issue of the tunability of the frequency of the microwave signal generated. To this end, we proposed, designed, and then developed and tested an original OEO configuration based on the use of a single modulation band and a mechanism for reinjection of the optical carrier from the loop laser. In this scheme, the oscillation signal is created under the beating between the laser light beam and a single modulation signal sideband selected by an add-drop ring resonator working as an effective optical bandpass filter. In the implementation we have carried out, a SOI photonic resonator with a FSR of 77 GHz and an optical quality factor at 8.1×10^4 was used. By changing the laser frequency while keeping a fixed resonator resonance wavelength, a tunability from 5.8GHz to 18.2GHz was demonstrated, being only limited by the working operation of the RF amplifier used in the carried out experiments. Meanwhile, a phase noise level of -115 dBc/Hz at 1MHz offset frequency was obtained for all generated signals, showing the possibility of creating high oscillation frequencies with the same phase noise level. We then applied this approach for bulk refractive index sensing application and demonstrated a sensing sensitivity of 94350GHz/RIU and an index limit of detection of 10^-8 RIU by considering a signal resolution of 1MHz. Beyond these experimental results, the contribution of this second approach provides a simple and flexible solution to the problem of generating microwave signals with variable frequencies on demand, and opens up very rich application perspectives.All the results of the thesis contribute to the question of the integration of OEOs on silicon chips and make it possible to anticipate various applications in the field of communications and sensors.

La technologie photonique-RF offre une alternative intéressante à l'approche purement électronique dans différents systèmes micro-ondes pour des applications militaires, spatiales et civiles. Un composant original, l'oscillateur optoélectronique (OEO), permet la génération de signaux RF stables et à haute pureté spectrale. Il est basé sur une liaison photonique micro-onde utilisée comme boucle de rétroaction et comportant soit une fibre longue, soit un résonateur à fort coefficient de qualité. Différentes études ont été menées au cours de cette thèse afin d'optimiser et d'améliorer la performance en termes de stabilité et de bruit de phase pour le cas de l'OEO à résonateur. La caractérisation fine et la modélisation des résonateurs est une première étape de la conception globale du système. La métrologie du résonateur optique est réalisée par une technique originale, dite de spectroscopie RF. Les résultats expérimentaux ont révélé que cette technique permet d'une part d'identifier le régime de couplage du résonateur et d'autre part de déterminer avec une grande précision tous les paramètres d'un dispositif résonant, comme les facteurs de qualité interne et externe ou les facteurs de couplage. Une deuxième étude a été orientée vers l'implémentation d'un modèle non-linéaire fiable du dispositif. Dans un tel modèle, la photodiode rapide nécessitait une description plus précise, dans le but de contrôler la conversion du bruit d'amplitude optique en bruit de phase de l'OEO. Un nouveau modèle non-linéaire d'une photodiode hyperfréquence a été développé sous un logiciel commercial: Agilent ADS. Ce nouveau modèle rend effectivement compte de cette conversion de bruit. Une puissance optique optimale à l'entrée de la photodiode a été déterminée, pour laquelle la contribution de RIN du laser au bruit de phase RF pourrait être négligeable. La performance de l'OEO est affectée par diverses perturbations entrainant un décalage en fréquence entre la fréquence du laser et la fréquence de résonance du résonateur. Il est donc important d'utiliser un système de stabilisation pour contrôler cette différence de fréquence. Des séries d'expériences et de tests ont été menées pour étudier la possibilité, d'une part, de remplacer l'électronique commerciale utilisée auparavant pour le système de verrouillage en fréquence (boucle de Pound-Drever-Hall) par une électronique faible bruit et, d'autre part, d'utiliser un laser à semi-conducteur. Un bilan de ces approches est présenté. / RF photonics technology offers an attractive alternative to classical electronic approaches in several microwave systems for military, space and civil applications. One specific original architecture dubbed as optoelectronic oscillator (OEO) allows the generation of spectrally pure microwave reference frequencies, when the microwave photonic link is used as a feedback loop. Various studies have been conducted during this thesis on the OEO, especially the one that is based on fiber ring resonators, in order to optimize and improve its phase noise performance and its long-term stability. Precise characterization and modeling of the optical resonator are the first step towards overall system design. The resonator metrology is performed using an original approach, known as RF spectral characterization. The experimental results have demonstrated that this technique is helpful for the identification of the resonator's coupling regime and the accurate determination of the main resonator parameters such as the intrinsic and extrinsic quality factors or the coupling coefficients. A second study was directed toward implementing a reliable nonlinear model of the system. In such a model, the fast photodiode require an accurate description, in order to reduce the conversion of the optical amplitude noise into RF noise. A new nonlinear equivalent circuit model of a fast photodiode has been implemented in a microwave circuit simulator: Agilent ADS. This new model is able to describe the conversion of the laser relative intensity noise (RIN) into microwave phase noise at the photodiode output. An optimal optical power at the photodiode's input has been identified, at which the contribution of the laser RIN in RF phase noise is negligible. When it comes to practical applications, the desired performance of an OEO is threatened by various disturbances that may result in a frequency shift of both the laser frequency and the transmission peak of the resonator, which causes a malfunction of the OEO. Therefore it is desirable to use a stabilization system to control the difference between the laser frequency and the resonator frequency. A series of tests and experiments have been carried out to investigate the possibility, on one hand, to replace the commercial servo controller that was used up until now in the Pound-Drever-Hall loop, with a low noise homemade one and, on the other hand, to use a semiconductor laser to reduce the system size. A detailed review of these approaches is presented.

Les circuits à base de jonctions Josephson comme les filtres à interférences quantiques, nommés SQIF (Superconducting Quantum Interference Filter), sont des capteurs très sensibles au champ magnétique. Les éléments de base d’un tel circuit sont les SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Aussi performants dans la détection de champ magnétique, ces derniers ne permettent pas de réaliser des mesures absolues. De plus, la nécessité d’un asservissement par une boucle à verrouillage de flux limite la bande de fréquence d’utilisation. Les SQIF n’ont pas cette limitation et permettent les mesures absolues de champ magnétique. Leur capacité à combiner une taille compacte, une très bonne sensibilité et une large bande fréquentielle d’utilisation fait de ces capteurs des sérieux concurrents aux antennes classiques. Des mesures expérimentales avec des SQIF HTS faits par la technologie de jonctions irradiées montrent qu’il est possible de réaliser la détection de signaux radiofréquence jusqu’au moins 5 GHz en configuration de champ proche et en environnement non magnétiquement blindé. Afin de réaliser l’adaptation d’impédance et améliorer les caractéristiques DC de ces capteurs, différentes géométries de réseau sont étudiées. L’étude permet de définir les paramètres d’importance dans la conception de circuits SQIF afin de réaliser des détecteurs radiofréquence performants. / Superconducting Quantum Interference Filters (SQIF) are Josephson circuits very sensitive to magnetic field. They are made of arrays of SQUIDs (Superconducting QUantum Interference Devices). The latter, when operated alone, doesn’t allows absolute magnetic field measurements and have to be used with a flux locked loop, which limits the frequency band of operation. SQIFs doesn’t have such limitations and they offer the possibility to combine compactness, sensitivity and wide band of frequency at the same time. Because of this, SQIFs are serious concurrents to classical antennas in microwave applications. Experimental measurements made with HTS SQIFs and irradiated Josephson junctions shows that it is possible to detect microwave signals up to 5 GHz in an unshielded environment, and near field configuration. To perform better detection, it is important to match impedance of circuits. In the goal to do this and to improve DC characteristics, different network geometries are studied. At the end this study allows to define which parameters are important in the design of SQIF circuits for microwave detection.

Résumé: Parmi les technologies du 21e siècle en pleine expansion, la télécommunication sans-fil constitue une dimension fondamentale pour les réseaux mobiles, l’aéronautique, les applications spatiales et les systèmes de positionnement par satellites. Les nouveaux défis à surmonter sont à la fois l’augmentation des distances de transmission associée à l’accroissement des quantités de données véhiculées ainsi que la miniaturisation, la réduction du coût de production, la moindre consommation énergétique et la fiabilité de la solution technologique employée pour la chaîne de transmission. Dans ce sens, l’exploitation de bandes de plus hautes fréquences et la multiplication des canaux de transmission sont activement visées par les travaux de recherches actuels. Les technologies à l’étude reposent sur l’utilisation de systèmes intégrés pour répondre aux considérations de coûts de fabrication et d’encombrement. L’élément de base de ces systèmes, le transistor, établit largement la performance du dispositif final en termes de montée en fréquence, de fiabilité et de consommation. Afin de répondre aux défis présents et futurs, des alternatives à la filière silicium sont clairement envisagées. À ce jour, la filière nitrure de gallium est présentée comme la plus prometteuse pour l’amplification de puissance en bande Ka et W au vu de ses caractéristiques physiques et électriques, des performances atteintes par les prototypes réalisés et des premiers produits commerciaux (off-the-shelf) disponibles. L’exploitation de cette technologie à son plein potentiel s’appuie particulièrement sur la maîtrise des étapes de fabrication, de caractérisation et de modélisation du transistor. Ce travail de thèse a pour objectif le déploiement d’une méthodologie permettant la modélisation semi-physique de transistors fabriqués expérimentalement et démontrant des performances à l’état de l’art. Une partie conséquente de ce travail portera sur la caractérisation thermique du dispositif en fonctionnement ainsi que sur la modélisation d’éléments secondaires (éléments passifs) pour la conception d’un circuit amplificateur hyperfréquence. / Abstract: Amongst the emerging and developing technologies of the 21st century, wireless transmission is a fundamental aspect for mobile networks, aeronautics, spatial applications and global positioning systems. Concerning the associated technological solutions, the new challenges to overcome are both the performance increases in terms of data quantity as well as the associated device features in terms of size, production costs, energetic consumption and reliability. In that sense, the use of higher frequency bandwidths and increase of transmission channels are aimed by various current research works. Investigated technologies are based upon integrated systems to meet the criteria of devices costs and size. As the cornerstone of such devices, the transistor largely accounts for the final system performance in terms of working frequency, reliability and consumption. To respond to the challenges of today and tomorrow challenges, alternatives to the dominant current silicon process are clearly considered. To date, gallium nitride based technology is found to be the most promising for hyperfrequency power amplification for Ka and W bands given the associated physical and electrical characteristics, prototypes performance and first commercial “off-the-shelf” products. Exploitation of this technology to its full potential requires controlling and mastering the involved fabrication, characterization and modeling steps related to the transistor. This work aims at establishing a methodology enabling a semi-physical modeling of experimental transistors which exhibit state-of-the-art performance. A significant part of this work will also focus on thermal characterization of devices under test and on modeling of secondary elements (passive elements) suited for the design of hyperfrequency amplifiers.

La croissance rapide du marché des télécommunications a conduit à une augmentation significative du nombre de bandes de fréquences allouées et à un besoin toujours plus grand en terminaux offrant un accès à un maximum de standards tout en proposant un maximum de services. La miniaturisation de ces appareils, combinée à la mise en place de fonctions supplémentaires, devient un vrai challenge pour les industriels. Une solution consiste à utiliser des fonctions hyperfréquences accordables (filtres, commutateurs, amplificateurs,…). A ce jour, trois technologies d'accord sont principalement utilisées : capacités variables, matériaux agiles ou encore MEMS RF. Dans le cadre de cette thèse, nous avons travaillé sur l’optimisation de dispositifs hyperfréquences reconfigurables en utilisant des couches minces ferroélectriques KTN et des diodes varactor. Nos premiers travaux étaient relatifs à l’optimisation des dispositifs hyperfréquences accordables à base de couche minces KTN. Dans ce sens, nous avons tout d’abord caractérisé le matériau KTN en basse et haute fréquence afin de déterminer ses caractéristiques diélectriques et ses caractéristiques en température. Nous avons ensuite réalisé des dispositifs hyperfréquence élémentaires tels des capacités interdigitées et des déphaseurs à base de KTN. Leurs performances ont alors été comparées aux mêmes dispositifs réalisés cette fois à base de la solution la plus utilisée BST. Bien qu’un léger avantage soit acquis à la solution BST, il n’en reste pas moins vrai que les résultats avec le matériau KTN sont très proches indiquant que cette voie peut également, après optimisation, apporter une alternative au BST. La seconde partie de nos travaux concerne la réalisation de filtres planaires accordables en fréquence à base de matériaux KTN et de diodes varactor. Nous avons ainsi réalisé deux filtres passe-bande accordables. Un premier filtre passe-bande de type « open loop » possédant deux pôles agiles en fréquence centrale et un second filtre passe-bande de type SIR rendant possible l’accord de sa fréquence centrale ainsi que de sa bande passante à partir de diodes varactor. Lors de la conclusion sur nos travaux, nous évoquons les suites à donner à ce travail et les perspectives. / The rapid growth of the telecommunications industry has led to a significant increase in the number of allocated frequency bands and a growing need for terminals providing access to an increasing number of standards while offering maximum services. The miniaturization of these devices combined with the implementation of additional functions has become a real challenge for the industry. The use of tunable microwave functions (filters, switches, amplifiers ...) appears as a solution to this issue. In this way, three main technologies are mainly used: variable capacitors, tunable materials and RF MEMS. Within the scope of this thesis work, our investigations focused on tunable microwave devices optimization through the use of KTN ferroelectric thin films and varactor diodes. The first part of our study deals with the optimization of tunable microwave devices based on KTN ferroelectric thin films. In this way, we initially characterized KTN material in low and high frequency to determine its dielectric properties and characteristics according to the temperature. Then, we designed basic microwave devices such as interdigitated capacitors and phase shifters based on KTN thin films. Their performances were then compared with BST solution. Despite results highlighting a slight advantage to BST solution, KTN material, after optimization process, could be a BST alternative solution. In a second part, our work focused on the realization of tunable planar filters based on KTN materials and varactor diodes. We made two tunable bandpass filters. The first one is a center frequency tunable bandpass two pole open loop filter and the second one is a center frequency and bandwidth tunable SIR bandpass filter using varactor diodes. Finally, we discussed follow-up to give to this work and outlooks.