Th.--Sci.--Toulouse 3, 1981. N°: 1014.

Th. doct.-ing.--Toulouse, I.N.P., 1979. N°: 60.

Th. 3e cycle--Électronique--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 12.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet commun soutenu par la DGA (procédure RAPID), le projet Récepteur Optique Hyperfréquences LArge Bande ou ROHYLAB, dont VectraWave fait parti. Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de la radio-sur-fibre en particulier au niveau de la réception. Nous nous inscrivons dans le contexte des photorécepteurs faible bruit, le but étant d'optimiser l'interface optique-électrique de ceux-ci tout en garantissant une grande dynamique. Après avoir présenté les avantages de la radio-sur-fibre à savoir : hauts débits, robustesse et encombrements, nous présentons les photorécepteurs et les différents paramètres qui les caractérisent. Cette étape nous permet de les comparer entre eux en les regroupant en fonction des techniques de conception utilisées dans la littérature. Cette étape nous permet d'identifier la technique de conception à utiliser. Nous choisissons de concevoir photorécepteur bande étroite dont on viendra élargir la bande. Nous définissons ensuite les paramètres nécessaires à la comparaison des technologies entre elles afin de justifier le choix de la technologie de transistor à utiliser. Nous étudions le photorécepteur en tant que système afin de mettre en évidence l'importance des paramètres présentés précédemment sur les performances de celui-ci. De cette analyse nous proposons une méthode de conception bande étroite liant l'ensemble des grandeurs. Nous montrons aussi comment estimer les performances limites en fonction de la technologie utilisée pour la photodiode et celle de l'amplificateur. Aussi nous montrons l'expression de cercles à densité équivalente de courant de bruit constants et de cercles à transimpédance constants. A partir de la modélisation théorique du photorécepteur et l'expression théorique des grandeurs caractéristiques, nous proposons la mise en œuvre et l'utilisation des outils présentés au chapitre précédent avec un logiciel de conception assisté par ordinateur. Nous montrons la modélisation de composants opto-microondes dans un environnement de simulation électrique. A l'aide de ces outils nous concevons trois photorécepteurs faible bruit et à grande dynamique dans la bande 2,9 GHz - 3,4 GHz. Les objectifs fixés sont : 300 de transimpédance, 5 pA/pHz. Ces circuits ont été simulés sous l'environnement électrique ADS mais aussi sous l'environnement électromagnétique MOMEMTUM. Les trois circuits présentent des performances records en bruit à de 3 GHz vis à vis de l'état de l'art. La réalisation du deuxième circuit conçu permet la caractérisation des photorécepteurs dans la bande 2,9 GHz - 3,4 GHz. Nous validons ainsi la démarche et proposons un circuit compétitif vis-à-vis de l'état de l'art. Dans une dernière section de cette thèse, nous illustrons le fait que cette méthode peut être exploitée sur d'autres technologies. Nous mettons en avant aussi le fait que l'on peut envisager la conception de photorécepteurs autour de 20 GHz. Nous envisageons aussi l'utilisation d'une inductance active pour réaliser des photorécepteurs accordables en fréquence pour des fréquences basses / This work is based on a common project support by the DGA, the project ROHYLAB for “wide band opto-microwave receiver” with Vectrawave . This work aim to optimized the optic-electric interface of a receiver in the radio-over-fiber field to design a low noise and high dynamic receiver. After an overview of radio-over-fiber's avantages such as: high data rates, security and security, we presented different photoreceiver and the figure of merit used to caracterized them. This step allow a comparison of the photoreceiver classified by the design topologies used in order to choose which design methodology we will used in this work. In an other hand, the same analysis is done for the transistor technologies. We presented a study of photoreceiver as a system in order to highlight the impact of main caracteritics on its performances. From this analysis allow to show a narrow band design method which link the caracteristics of the photodiode to the transistor's caracteristics. We also present some design tools such as circles of constant equivalent noise current density and circles of constant transimpedance. From the photoreceiver's theoritical model and the expressions of the main caracteristics, we implement the deisgn tools presented in ADS. In this section we also present the opto-microwave components models. Using this tools, we design three photoreceiver with low noise and high dynamics. This photoreceiver's aims to reach 300 Ohms of transimpedance and 5pA/Hz of noise. This circuits are implemented in ADS's eletrical fields and also in MOMENTUM's fields. All of this circuits appears as a competitive one in terms of noise at 3GHz .From the photoreceiver's design, we realized some cicuirts which permit photoreceiver's caracterization in 2.9 GHz - 3.4 GHz bandwidth. This measurements validate our approach and confirm a competitive circuit in term of noise compare to litterature. In a final sectin of this work, we illustrate an extension of this approach on other technologies. We also highlight a design of a photoreceiver at 20 GHz. In the end, we suggest the using of an active inductor to realize switchable frequency photoreceiver in low frequency

La technologie CMOS SOI (« Silicon On Insulator ») a déjà montré son intérêt pour les circuits numériques par rapport à la technologie CMOS sur substrat massif (« bulk »). Avec l'entrée des technologies CMOS dans l'ère des dimensions nanométriques, les transistors atteignent des fréquences de coupures élevées, ouvrant la voie aux applications hyperfréquences et de ce fait à l'intégration sur la même puce des circuits numériques, analogiques et hyperfréquences. Cependant, la piètre qualité des éléments passifs reste le principal verrou des technologies CMOS pour y parvenir.<br />Les travaux effectués lors de cette thèse portaient sur l'étude des aptitudes de la technologie CMOS SOI 130 nm de ST-Microelectronics pour des applications hyperfréquences au-delà de 20 GHz. Ils consistaient plus précisément à concevoir des circuits de démonstration pouvant entrer dans la composition d'une chaîne d'émission/réception. Trois amplificateurs distribués en bande K ont d'abord été conçus et mesurés. Malgré des pertes élevées dans les lignes de transmission limitant ainsi la bande passante et le gain, les performances mesurées montrent l'intérêt de cette technologie pour les hyperfréquences. Ensuite, une nouvelle série de démonstrateurs – amplificateurs distribués, amplificateurs faible bruit et mélangeurs actifs – a été conçue en employant des lignes à plus faibles pertes que celles utilisées précédemment. Les résultats de simulation montrent que le produit gain-bande des amplificateurs distribués a doublé en conservant la même architecture. Les simulations des amplificateurs faible bruit et des mélangeurs actifs montrent des performances à l'état de l'art en CMOS.

Thèse doctorat : Électronique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3405. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

La combinaison de plusieurs procédés d’imagerie et de mesure permet d’obtenir des ensembles de données complémentaires et parfois uniques. A l’aide d’une technique hybride de microscopie présentant des modalités de mesure différentes et des enregistrements synchrones, on peut recueillir des informations complémentaires sur des échantillons à l’échelle nanométrique. De plus, l’intégration de procédés nanorobotiques et de logiciels open-source permet une approche technologique pour la recherche sur les semi-conducteurs et les sciences des matériaux. Ce travail démontre le potentiel d’une telle technologie. Ce démonstrateur fonctionne dans la chambre d‘un MEB et sert de plateforme technologique dans laquelle sont intégrés différentes modalités, technologies et procédés. Un AFM basé sur un interféromètre optique compact permet l’imagerie de la topographie de surface tandis qu’un microscope à micro-ondes à balayage enregistre les caractéristiques électromagnétiques dans la gamme de fréquence des micro-ondes, le tout opérant dans le même MEB. L’engin est contrôlé par un ensemble de logiciels qui est optimisé pour la nanorobotique basée sur l‘imagerie. Ce démonstrateur technologique permet d’observer en direct la région d’intérêt à l’aide du microscope électronique tandis qu’est effectuée en champ proche la caractérisation de la surface de l’échantillon par intermédiaire des micro-ondes évanescentes et des forces intermoléculaires. Ensuite, est présenté un standard multimodal de test et qui valide la fonctionnalité de l’instrument démonstrateur. Le présent travail est complété par une analyse électrique de capacités MOS ainsi que leur approximation destinée au calibrage. / Various disciplines of micro- and nanotechnology requires combinatorial tools for the investigation, manipulation and transport of materials in the submicrometer range. The coupling of multiple sensing and imaging techniques allows for obtaining complementary and often unique datasets of samples under test. By means of an integrated microscopy technique with different modalities, it is possible to gain multiple information about nanoscale samples by recording at the same time. The expansion with nanorobotics and an open-source software framework, leads to a technology approach for semiconductor research and material science. This work shows the potential of such a multimodal technology approach by focusing on a demonstrator setup. It operates under high-vacuum conditions inside the chamber of a Scanning Electron Microscope and serves as a technology platform by fusing various microscopy modalities, techniques and processes. An Atomic Force Microscope based on a compact, optical interferometer performs imaging of surface topography, and a Scanning Microwave Microscope records electromagnetic properties in the microwave frequency domain, both operating inside an SEM. A software framework controls the instrument. The setup allows for observing with SEM, while imaging and characterizing with interacting evanescent microwaves and intermolecular forces simultaneously. In addition, a multimodal test standard is introduced and subsequently confirms the functionality of the demonstrator. Within this context, the work also includes an electrical analysis of micro-scale MOS capacitors, including an approximation for use in the calibration.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique du Transport d'Energie Sans Fil (TESF). Cette étude a pour objectif l'optimisation de la partie réception du système de TESF où s'opère le redressement de l'énergie micro-onde en énergie continue. Ce processus complexe de nature non-linéaire est délicat à appréhender aussi bien en théorie qu'en pratique. Ainsi, une optimisation ne sera concevable que si l'on maîtrise d'un point de vue conceptuel, expérimental et technologique, la mise en oeuvre d'une radiopile. Ceci a motivé la démarche de mise en place d'une méthodologie de synthèse de radiopile bornée à un domaine de fonctionnement. La démarche choisie consiste, partant de données expérimentales, à établir une modélisation simple et précise des différents éléments constituant la radiopile afin d'optimiser efficacement le système complet à l'aide d'un environnement de simulation unique

Ce travail s'inscrit dans le contexte général des métamatériaux. Les métamatériaux sont des structures artificielles qui peuvent être décrites comme des milieux moyens en raison de leurs dimensions propres, très inférieures à la longueur d'onde de travail. Les résultats présentés portent plus précisément sur les métamatériaux à indice de réfraction négatif obtenu par le recouvrement de plages fréquentielles de permittivité et de perméabilité effectives négatives. Le fil conducteur de cette étude est l'augmentation des fréquences de fonctionnement : des micro-ondes vers le spectre térahertz. Sur la base d'une représentation en termes de permittivité et de perméabilité, le premier chapitre propose un inventaire des milieux naturels et artificiels existants, en mettant l'accent sur leurs propriétés de dispersion. Par ailleurs, il fait état des différentes solutions disponibles pour synthétiser un métamatériau à permittivité et à perméabilité négatives. Enfin, il dégage les différentes applications possibles, comptes tenus des technologies mises en œuvre et du domaine de fréquence envisagé. Le second chapitre concerne les structures unidimensionnelles. La première partie porte sur l'analyse d'un milieu synthétisé à partir de la superposition d'un réseau de fils métalliques et de boucles de courant insérées dans un guide d'ondes rectangulaire. La seconde partie aborde le concept de ligne de propagation duale par l'étude d'un déphaseur gaucher accordable. Enfin, la troisième partie traite des réseaux de particules Ω interconnectées qui constituent une approche hybride permettant de tirer partie des atouts de la ligne duale sans les contraintes propres au support de propagation. Ces atouts sont les caractères large bande, faibles pertes et la possibilité de travailler en régime composite équilibré, autrement dit avec une contiguïté des bandes gauchère et droitière. Le dernier chapitre est consacré aux métamatériaux pour la propagation en espace libre. Un régime de propagation gaucher, présentant de faibles pertes d'insertion dans la bande de fréquence 75-110 GHz, a pu être démontré à l'aide d'un premier prototype basé sur un réseau de lettres Ω. Un second prototype, conçu pour les bandes X (8-12 GHz) et Ku (12-18 GHz), a permis l'observation de régimes de réfraction positive, négative ou nulle avec une contiguïté des domaines de fréquence. Enfin, la dernière partie de ce chapitre est consacrée à l'analyse expérimentale, aux fréquences térahertz, d'une structure gauchère conçue pour l'incidence perpendiculaire aux plans des motifs. Cette structure est constituée par l'empilement de réseaux métalliques percés par des ouvertures sous-longueur d'onde.

Ce travail s'inscrit dans le contexte des métamatériaux microondes avec possibilité de les accorder par films minces ferroélectriques. Nous étudions dans un premier temps l'extraction de la permittivité complexe d'un film mince de Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) déposé par voie sol-gel. Alors que la plupart des études sur les matériaux ferroélectriques présentent des résultats à relativement basses fréquences (souvent quelques dizaines de gigahertz), la caractérisation de la fonction diélectrique du BST est ici effectuée dans une très large gamme de fréquences (1MHz - 2.6THz). Ces mesures ont permis de mettre en évidence une dispersion de la permittivité complexe suivant un modèle de type Cole-Cole, traduisant une distribution des temps de relaxation. L'intégration de ces films minces dans des structures microondes est ensuite effectuée. Des circuits déphaseurs, éléments de base de la commande d'une antenne à balayage électronique, sont considérés. D'une part, des lignes classiques à retard de phase sont caractérisées et montrent des performances atteignant un déphasage différentiel de 360° à 30 GHz sous 40 Volts. D'autre part, des lignes à avance de phase sont conçues et caractérisées pour fonctionner en régime composite équilibré. Le point particulier d'indice nul en régime superluminal voit sa fréquence changer en tension avec le glissement du diagramme de dispersion. Les micro-résonateurs, permettant de créer un moment magnétique artificiel, peuvent aussi tirer profit du changement de permittivité des films minces de BST pour accorder les caractéristiques de transmission-réjection de lignes de transmission chargées par ces résonateurs. Ici, cette propriété est démontrée en technologie microruban. Une microstructuration du film ferroélectrique est réalisée réduisant le dépôt à la zone d'agilité, entraînant une réduction des pertes diélectriques. Enfin, la propriété de réfraction négative des métamatériaux est démontrée par la fabrication d'un prototype fonctionnant en régime composite équilibré dans les bandes X et Ku. Les étapes de conception par simulations numériques permettent de mettre en évidence les trois zones principales du diagramme de dispersion où la réfraction est respectivement négative, nulle et positive. Ces résultats sont vérifiés expérimentalement par la mesure de l'amplitude de l'onde réfractée à l'aide d'un dispositif de type goniomètre.