L’essor des télécommunications par fibre optique nécessite l’insertion en sortie des lasers d’un isolateur optique intégré protégeant celui-ci des réflexions qui le déstabilisent. Ce composant existe à l’heure actuelle sous forme massive, mais son intégration sur la même plaquette que le laser pose problème du fait de la difficulté à intégrer les bons matériaux magnétooptiques sur les substrats usuels de l’optique guidée. Dans cette perspective, l’intégration de nanoparticules magnétiques dans un sol-gel déposé sur les guides optiques est une voie prometteuse, développée par le laboratoire Hubert Curien. Cette thèse a eu pour but d’étudier de manière plus systématique le composant non-réciproque qui entre dans la fabrication des isolateurs à conversion de mode, à savoir le rotateur non-réciproque. Deux études poussées, l’une théorique, l’autre expérimentale, recoupées entre elles par des modèles numériques, ont été mises en oeuvre au cours des années de cette thèse. L’étude théorique a permis de tenir compte tous les paramètres ayant une influence sur l’état de polarisation de la lumière dans un guide magnétooptique, y compris les dichroïsmes souvent négligés. L’étude pratique, à partir d’échantillons sur verre réalisés en collaboration avec l’IMEP-LAHC et le laboratoire PHENIX, a abouti à une caractérisation quasi complète des effets magnétooptiques — longitudinaux et transverses — dans les guides et de l’influence des paramètres de fabrication sur ceux-ci. Au final, ces résultats nous ont donné une compréhension plus complète du fonctionnement des guides magnétooptiques, et nous ont permis de prédire les paramètres optimaux qu’il faudra mettre afin de fabriquer, dans un futur proche, l’isolateur complet sur une seule plaque de verre / The development of optical-fiber telecommunications requires the insertion of optical isolator between lasers and fibers, in order to protect them against perturbating reflexions. This component is currently inserted in a bulk form, but the goal is to integrate it on the same wafer than the laser; nevertheless, this is problematic due to the difficulty to integrate good magnetooptical materials on usual substrates as glass or silicon. One of the promising way to achieve this, developped by the Laboratoire Hubert Curien, is the embedding of magnetic nanoparticles into a sol-gel matrix deposited above the optical guides. This thesis aimed at studying more deeply the main non-reciprocal component of integrated mode conversion optical isolators: the non-reciprocal rotator. A theorical and a practical study have both been performed, with numerical simulations to confront them. The theorical study aimed at describing the evolution of propagation in magnetooptical waveguides with respect to all effects, even absorption and dichroïsm. Then a practical study was performed on glass samples engineered in collaboration with IMEP-LAHC and the PHENIX laboratory, and lead to a full measurement of longitudinal and transverse magnetooptical effects, and their evolution related to the fabrication parameters of the samples. Finally, these results gave us a comprehensive view of how magnetooptical waveguides behave, and we were able to predict the good parameters to choose in order to construct, in a close future, a glass-integrated optical isolator

En permettant la transmission de fortes puissances sur de grandes distances, les réseaux en haute tension à courant continu (HTCC) représentent l'avenir du transport de l'énergie électrique. Des équipements tels que les postes sous enveloppe métallique (PSEM) seront indispensables dans ces réseaux pour répartir le flux d'énergie, interrompre ou isoler certaines branches. Leur conception nécessite la prise en compte, pour les parties isolantes, de phénomènes spécifiques liés à l’application de champs électriques continus, comme la dépendance de la résistivité avec le champ et la température, mais également l’accumulation de la charge d'espace qui contribue à augmenter sensiblement les risques de claquage. Dans le composite étudié (résine époxyde chargée d’alumine), ce phénomène commence à se manifester dès que les valeurs de champ excèdent quelques kV/mm, correspondant à l’ordre de grandeur des contraintes envisagées dans les futurs PSEM HTCC.Bien que des techniques existent pour déterminer la répartition de ces charges dans les isolants solides, aucune n’est à ce jour directement applicable aux structures isolantes installées dans les PSEM HTCC.L’objectif de ce travail est ainsi de concevoir et de mettre en place une technique de mesure des charges d’espace et du champ électrique interne qui soit à résolution spatiale, non destructive et adaptée à une géométrie d’isolateur cylindrique, de type support isolant de jeu de barres.En utilisant le dispositif expérimental mis en place, le comportement du composite vis-à-vis de la charge d’espace est par la suite étudié, notamment en fonction de différentes contraintes électrothermiques représentatives du fonctionnement des PSEM. Le but final est d'aider à l'optimisation de la conception de ce type d’isolateur, en se basant sur l’analyse des résultats issus de mesures de charges d’espace. / The trend today is to develop high voltage direct current (HVDC) technology for the future electric network because it offers some advantages for the transmission on long distances. The development of HVDC networks leads to an increasing need of gas insulated substations (GIS). A problem to be dealt with when an insulator is subjected to a continuous electric field is the variation of the resistivity with the electric field and the temperature and the accumulation of space charges that can lead to dielectric breakdown. In alumina-filled epoxy resin, used as insulating material for GIS spacer, the influence of space charge start to come out when the electric fields exceed several kV/mm, corresponding to values envisaged for the future HVDC GIS.Despite that non-destructive methods exist to determine the space charge distribution in solid insulators, none of them are directly applicable to insulation structures installed in the HVDC GIS.So, the main objective of this work is to design and set up a measurement technique to observe the internal electric field and the accumulated charges. The developed method must be non-destructive and adapted for a cylindrical geometry of an insulator used as a busbar insulation support.By using the experimental bench set up, the behavior of the composite material regarding the space charge will be studied, in particular according to different thermoelectric stresses. The final aim is to contribute to the optimization of the design of this type of insulator, based on the results from space charge measurements.

Ce travail porte sur la caractérisation optique et électrique ainsi que la modélisation mathématique du contournement d’isolateurs pollués en tenant compte de la forme de tension appliquée, de la répartition ainsi que de la constitution chimique du dépôt polluant. Sous tension de choc de foudre (1,2/50μs), la morphologie des décharges ainsi que les courants associés dépendent de la tension (forme, amplitude, polarité),de la répartition de la pollution et de sa conductivité. Les vitesses moyennes de la décharge mesurées dépendent de la polarité appliquée à la pointe et de la conductivité de la pollution. Le temps critique correspondant aux conditions critiques est de l’ordre de 9/10 du temps total de contournement quelles que soient la polarité de la tension et la conductivité de la pollution. La constitution chimique de la couche de pollution a peu d’effet sur la tension critique contrairement aux courants critiques. Les valeurs des constantes caractéristiques n et N sont fonction de la nature chimique des dépôts et de la polarité de la tension. Le modèle élaboré montre que les constantes caractéristiques de la décharge n et N sont des paramètres dynamiques et dépendent des éléments du circuit électrique équivalent du système et des paramètres thermiques de la décharge. Les relations des conditions critiques du contournement développé relient les paramètres électriques et thermiques du circuit équivalent et la condition de propagation de la décharge. L’application de ce modèle, pour différentes formes de tension et pour plusieurs types de pollution, donne des résultats satisfaisants. L’hypothèse selon laquelle la colonne de la décharge ne contient que de la vapeur d’eau et de l’air constitue une bonne approximation des grandeurs critiques. Sous tension de choc de foudre, les courants et les tensions critiques dépendent de la configuration de la pollution et de la polarité de la tension. Le courant circule à travers une section effective de la pollution. L’introduction de la notion d’épaisseur critique effective et son application au calcul des grandeurs critiques donne de bons résultats pour les cas de figures étudiés. L’épaisseur effective du dépôt est proportionnelle la résistivité de la pollution et dépend dela configuration de la pollution et de la polarité de la pointe. Dans le cas de dépôt de pollution discontinue et/ou non uniforme, les conditions de propagation des décharges sont locales et leurs paramètres caractéristiques varient selon la configuration et la conductivité du dépôt ainsi que la polarité de la tension appliquée. Le modèle développé pour ce cas de figure donne de bons résultats. / This work aimed on optical and electrical characterization and mathematical modeling of flashover of polluted insulators, taking into account the applied voltage waveform, the distribution and chemical composition of pollutant deposit. Under lightning impulse voltage (1.2 /50μs), the morphology of the discharge and the associated currents depend on voltage (shape, amplitude, polarity), the distribution ofpollution and its conductivity. The measured average velocity of the discharge depends on the polarity applied to the tip and the pollution conductivity. The critical time corresponding to the critical conditions is about 9/10 of total flashover duration regardless of the polarity of the voltage and the pollution conductivity. The chemical composition of the pollution layer has little effect on the critical voltage unlike the critical currents. The values of the characteristic constants n and N depend on the chemical nature of the deposits and the voltage polarity.The developed model shows that the discharge constant characteristics n and N are dynamic parameters and depend on the elements of the equivalent electrical circuit system and thermal parameters of the discharge. The developed relationships of critical conditions of flashoverlink the electrical parameters and thermal equivalent circuit and the propagation condition of the discharge. This approach allows us tounderstand the effect of the chemical constitution of pollution on the values of n and N. The application of this model for various voltage waveforms and for several types of pollution, gives satisfactory results. The assumption that the column of the discharge contains only watervapor and air is a good approximation of the critical conditions. Under lightning impulse voltage, the current circulate into a effective section of the pollution surface. The introduction of the concept of critical effective thickness of pollution and its application to the calculation ofcritical parameters gives good results compared with the experimental values. We have also shown that the effective thickness of the depositis proportional to the resistivity of the pollution and depends on voltage polarity and pollution configuration. In the case of discontinuous deposit of pollution and / or non-uniform propagation conditions of discharges are local and their characteristic parameters vary dependingon the configuration and the conductivity of the deposit and the polarity of the applied voltage. The developed model gives good results

La fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique avec les réacteurs de type Tokamaks et les applications spatiales ont en commun d’utiliser des composants Haute-Fréquence (HF) sous vide à forte puissance. Ces composants peuvent être sujets à l’effet multipactor qui augmente la densité électronique dans le vide au sein des systèmes, ce qui est susceptible d’induire une dégradation des performances des équipements et de détériorer les composants du système. Ces recherches consistent à améliorer la compréhension et la prédiction de ces phénomènes. Dans un premier temps nous avons réalisé une étude de sensibilité de l’effet multipactor au rendement d’émission électronique totale (noté TEEY). Cette étude a permis de montrer que l’effet multipactor est sensible à des variations d’énergies autour de la première énergie critique et dans la gamme d’énergies entre la première énergie critique et l’énergie du maximum. De plus, les composants HF utilisés dans les réacteurs Tokamak et dans le domaine du spatial peuvent être soumis à un champ magnétique continu. Nous avons donc développé un nouveau dispositif expérimental afin d’étudier ce phénomène. Le fonctionnement du dispositif et la méthode de mesure ont été analysées et optimisées à l’aide de modélisations numériques avec le logiciel PIC SPIS. Une fois que l’utilisation du dispositif a été optimisée et que le protocole de mesures a été validé, nous avons étudié l’influence d’un champ magnétique uniforme et continu sur le TEEY du cuivre. Nous avons démontré que le rendement d’émission électronique totale du cuivre est influencé par la présence d’un champ magnétique et par conséquent également l’effet multipactor. / Space communication payload as well as magnetic confinement fusion devices, among other applications, are affected by multipactor effect. This undesirable phenomenon can appear inside high frequency (HF) components under vacuum and lead to increase the electron density in the vacuum within the system. Multipactor effect can thus disturb the wave signal and trigger local temperature increases or breakdowns. This PhD research aims to improve our understanding and the prediction of the multipactor effect. The multipactor phenomenon is a resonant process which can appear above a certain RF power threshold. To determine this power threshold, experimental tests or/and simulations are commonly used. We have made a study to evaluate the multipactor power threshold sensitivity to the TEEY. Two particular critical parameters have been found: first cross-over energy and the energies between the first cross-over and the maximum energies. In some situations, the HF components are submitted to DC magnetic fields which might affect the electron emission properties and hence the multipactor power threshold. Current multipactor simulation codes don’t take into account the effect of the magnetic field on the TEEY. A new experimental setup specially designed to investigate this effect was developed during this work. Our new experimental setup and the associated TEEY measurement technique were analysed and optimized thanks to measurements and SPIS simulations. We used the setup to study the influence of magnetic field perpendicular to the sample surface on the TEEY of copper. We have demonstrated that the magnetic field affects the copper TEEY, and hence multipactor power threshold.