Microwave materials have been widely used in a variety of applications ranging from communication devices to military satellite services, and the study of materials properties at microwave frequencies and the development of functional microwave materials have always been among the most active areas in solid-state physics, materials science, and electrical and electronic engineering. In recent years, the increasing requirements for the development of high speed, high frequency circuits and systems require complete understanding of the properties of materials function at microwave frequencies. Ferroelectric materials usually have high dielectric constants, and their dielectric properties are temperature and electric field dependent. The change in permittivity as a function of electric field is the key to a wide range of applications. Ferroelectric materials can be used in fabrication capacitors for electronic industry because of their high dielectric constants, and this is important in the trend toward miniaturization and high functionality of electronic products. The simple tunable passive component based on ferroelectric films is a varactor which can be made as a planar structure, and electrically tunable microwave integrated circuits using ferroelectric thin films can be developed. Therefore, it is very important to characterize the dielectric constant and tunability of ferroelectric thin films. This thesis shows experimental results for growth, crystalline properties and microwave characterization of Na0.5K0.5NbO3 (NKN), AgTa0.5Nb0.5O3 (ATN), Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) as well as AgTaO3 (ATO), AgNbO3 (ANO) thin films. The films were grown by Pulsed Laser Deposition (PLD) and rf-magnetron sputtering of a stoichiometric, high density, ceramic NKN, ATN, BST target onto single crystal LaAlO3(LAO), Al2O3 (sapphire), and Nd:YAlO3, and amorphous glass substrates. By x-ray diffractometry, NKN, ATN, BST films on LAO substrates were found to grow epitaxially, whereas films on r-cut sapphire substrates were found to be preferentially (00l) oriented. Coplanar waveguide interdigital capacitor (CPWIDC) structures were fabricated by standard photolithography processing and metal lift-off technique. Microwave properties of the NKN/Sapphire and ATN/Sapphire with CPW structures were characterized using on-wafer microwave measurement technique. Measurement setup is composed of network analyzer, probe station, and microwave G-S-G probes. External electric field through the connection between network analyzer and power supply was applied to measure voltage tunability. Measured S-parameter were used for the calculation of capacitance, loss tanδ, tunability and K-factor. The NKN films interdigital capacitors with 2 μm finger gap on Nd:YAlO3 showed superior performance compared to ATN in the microwave range from 1 to 40 GHz. Within this range, the voltage tunability (40V, 200 kV/cm) was about 29%, loss tangent ∼ 0.13, K-factor = tunability/tanδ from 152% @ 10GHz to 46% @ 40GHz. The microwave performance of ATN film CPWIDC with 2 μm finger gap on sapphire substrate in the microwave range from 1 to 40 GHz showed that frequency dispersion is about 4.3%, voltage tunability was 4.7% @ 20GHz and 200 kV/cm, loss tangent ∼ 0.068 @ 20GHz, K-factor = tunability/tanδ is ranged from 124% @ 10GHz to 35% @ 40GHz. The BST films CPWIDC with 2μmfinger gap on Al2O3 substrate showed frequency dispersion of capacitance in the microwave range from 1 to 40 GHz about 17%, voltage tunability = 1 - C(40V)/C(0) ∼ 22.2%, loss tangent ∼ 0.137 @ 20GHz, and K-factor = tunability/tanδ from 281% @ 10GHz to 95% @ 40GHz. / QC 20101207

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Currently, there is no equipment to measure the real-time fit of EHMR or N-95masks which are used in harsh environments. Improper fit of these EHMRs or N-95 masks exposes the personnel to hazardous environments. Surface acoustic wave (SAW) sensors have been around for few decades and are being used in various applications. In this work, real-time PM2.5 detection using passive wireless SAW sensors is presented. The design of meander antenna at 433MHz for wireless interrogation of SAW sensor using HFSS and ADS is also presented in this thesis. This works also includes the design of YZ-lithium niobate SAW sensor including COMSOL simulation.

Les nanostructures et les cristaux photoniques en particulier ont enrichi les possibilités de l'optique guidée : guides d'onde de tailles submicroniques, virages à angle droit, cavités résonnantes, fibres. Associés aux guides d'onde traditionnels, ils devraient permettre une intégration d'un nombre croissant de fonction sur le composant : adressage, filtrage spectral, traitement du signal, capteurs... Cependant, la fabrication de telles structures reste un défi technologique, notamment à cause de la parfaite homogénéité ainsi que de la taille nanométrique des gravures qu'elle nécessite. Dans cette thèse, après en avoir déterminé les différents paramètres par calcul de bande et FDTD, nous proposons deux méthodes de fabrication de nanostructures associées à des guides d'onde basées sur l'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé (FIB). Une première méthode permet la gravure des nanostructures par FIB seul, une seconde combine l'action du FIB et de la RIE. Les structures sont réalisées sur des substrats où ont été préalablement déposés les guides d'onde. La fabrication a été validée pour une structure multicouche SiO2/SiON/SiO2 déposée sur un substrat de Silicium. Des résultats partiels ont été obtenus pour le niobate de lithium, qui est un matériau difficile à nanostructurer par les méthodes habituelles. Enfin un microscope en champ proche optique de type SNOM a été développé dans le but de caractériser les nanostructures, cette méthode étant imposée par le fort confinement de la lumière.

Le niobate de lithium dopé à l'erbium permet de tirer parti des propriétés optiques des ions terre rare et du fort coefficient électro-optique de la matrice. Il constitue ainsi un matériau prometteur pour la réalisation de lasers déclenchés monolithiques émettant vers 1,5 µm. En configuration guidée, l'obtention d'impulsions à forte puissance crête est en particulier envisageable à partir d'un pompage par diode laser du commerce et avec de faibles tensions de commande.<br />Dans cette perspective, un mécanisme prépondérant de réduction du gain aux fortes concentrations de dopant, caractéristique des cristaux dopés dans la masse, a été identifié et une méthode originale développée pour évaluer simplement ses effets de façon quantitative.<br />Ce mémoire souligne l'excellent accord entre les prévisions théoriques du modèle d'amplification optique mis en place puis adapté au cas de guides monomodes et les mesures réalisés sur les composants fabriqués dans le même temps par diffusion de bandes de titane dans des substrats dopés dans la masse et en surface.<br />Ceci a permis d'observer pour la première fois l'effet laser en continu dans des guides d'onde sur niobate de lithium dopé à l'erbium dans la masse et pompés par une diode à 1,48 µm. L'intégration de modulateurs électro-optiques a également conduit à l'observation d'impulsions déclenchées. Pour l'instant limitées par la puissance de pompe disponible, elles devraient pouvoir atteindre plusieurs centaines de watts de puissance crête avec des durées de quelques nanosecondes.

Le développement de sources multi-longueurs d'onde et accordables en longueur d'onde offre l'opportunité de faciliter le déploiement de systèmes de télécommunications par fibres optiques multiplexés en longueur d'onde et d'implanter une reconfiguration des réseaux au niveau optique. Dans ce contexte, le travail proposé étudie un laser à fibre en anneau incluant un amplificateur à fibre dopée erbium, comme milieu à gain, et un filtre de Lyot intégré sur niobate de lithium et accordable par voie électro-optique. Lorsque la commande du filtre est continue, on démontre, expérimentalement et numériquement, que la longueur d'onde d'émission de la source optique peut varier sur 18,8 nm avec des fluctuations de puissance inférieures à 3,6 dB. Par ailleurs, nous observons que la commutation de longueur d'onde est limitée par la réponse du milieu à gain. De plus, nous vérifions que l'emploi intra-cavité d'un modulateur en niobate de lithium permet de créer d'impulsions par mode déclenché ou synchronisation de modes et ne constitue qu'une nouvelle fonctionnalité intégrable sur la puce du filtre. Finalement, nous analysons le comportement du laser lorsque la commande du filtre varie. On parvient ainsi à générer des trains d'impulsions dont chacune possède sa propre longueur d'onde en appliquant des signaux "en escaliers" ou triangulaires de fréquence inférieure à quelques kilohertz. A plus haute fréquence, la modulation de la transmission du filtre par des signaux sinusoïdaux permet de créer des impulsions par un nouveau type de synchronisation de modes.

Microwave materials have been widely used in a variety of applications ranging from communication devices to military satellite services, and the study of materials properties at microwave frequencies and the development of functional microwave materials have always been among the most active areas in solid-state physics, materials science, electrical and electronic engineering. In recent years, the increasing requirements for the development of high speed, high frequency circuits and systems require complete understanding of the properties of materials function at microwave frequencies. Ferroelectric materials usually have high dielectric constant, and their dielectric properties are temperature and electric field dependent. The change in permittivity as a function of electric field is the key to a wide range of applications. Ferroelectric materials can be used to fabricate capacitors for electronic industry because of their high dielectric constant, and this is important in the trend toward miniaturization and high functionality of electronic products. The simple tunable passive component based on ferroelectric films is a varactor which can be made as a planar structure and used for electrically tunable microwave integrated circuits. It is an important task to sinter highly tunable and low loss ferroelectrics, fabricate and test the properties of microwave ferroelectric components. This thesis shows experimental results on growth, crystalline and microwave properties of Na0.5K0.5NbO3 (NKN), AgTa0.5Nb0.5O3 (ATN), Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) as well as AgTaO3 (ATO), and AgNbO3 (ANO) thin films. The films were grown by Pulsed Laser Deposition (PLD) and rf-magnetron sputtering techniques from stoichiometric high density ceramic NKN, ATN, ATO, ANO and BST targets onto LaAlO3 (LAO), Al2O3 (r-cut sapphire), Nd:YAlO3 single crystals and amorphous glass substrates. Advanced X-ray diffraction examinations showed NKN, ATN, BST films on LAO substrates grow epitaxially, whereas films on r-cut sapphire were found to be preferentially (00l) oriented. Coplanar waveguide 2 µm finger gap interdigital capacitor (CPWIDC) structures were fabricated by photolithography process and metal lift-off technique. On-wafer tests up to 40 GHz were performed to characterize microwave properties of the ferromagnetic film CPWIDC devices. The measurement setup is composed of network analyzer, probe station, and microwave G-S-G probes. External electric field was applied to planar capacitors to measure tunability. Original de-embedding technique has been developed to calculate capacitance, loss tan δ, and tunability of varactors from the measured S-parameters. NKN film interdigital capacitors on Nd:YAlO3 showed superior performance compared to ATN in the microwave range from 1 to 40 GHz. Within this range, the voltage tunability (40V, 200 kV/cm) was about 29%, loss tangent ~ 0.13, K-factor = tunability/tan δ from 152% @ 10GHz to 46% @ 40GHz. The ATN/sapphire CPWIDCs showed the lowest dispersion ~ 4.3% in whole frequency range from 1 to 40 GHz, voltage tunability 4.7% @ 20GHz and 200 kV/cm, lowest loss tangent ~ 0.068 @ 20GHz, K-factor = tunability/tan δ ranged from 124% @ 10GHz to 35% @ 40GHz. BST film CPWIDCs on sapphire showed frequency about 17%, the highest voltage tunability ~ 22.2%, loss tangent ~ 0.137 @ 20GHz, and K-factor = 281% @ 10GHz to 95% @ 40GHz. / QC 20100906

The object of this research was to investigate dispersion in surface phononic crystals (PnCs) for application to a newly developed passive surface acoustic wave (SAW) ozone sensor. Frequency band gaps and slow sound already have been reported for PnC lattice structures. Such engineered structures are often advertised to reduce loss, increase sensitivity, and reduce device size. However, these advances have not yet been realized in the context of surface acoustic wave sensors. In early work, we computed SAW dispersion in patterned surface structures and we confirmed that our finite element computations of SAW dispersion in thin films and in one dimensional surface PnC structures agree with experimental results obtained by laser probe techniques. We analyzed the computations to guide device design in terms of sensitivity and joint spectral operating point. Next we conducted simulations and experiments to determine sensitivity and limit of detection for more conventional dispersive SAW devices and PnC sensors. Finally, we conducted extensive ozone detection trials on passive reflection mode SAW devices, using distinct components of the time dispersed response to compensate for the effect of temperature. The experimental work revealed that the devices may be used for dosimetry applications over periods of several days.

L'interférométrie atomique permet de réaliser des capteurs inertiels absolus et de grande sensibilité. Un gravimètre embarquable présentant ces deux propriétés conjuguées serait exploitable dans de nombreuses applications : géologie, prospection pétrolière, guidage-navigation... Malheureusement, les dispositifs actuels de refroidissement atomique par laser sont trop sensibles aux perturbations environnementales. Le but de cette thèse est donc de développer des solutions robustes permettant le fonctionnement d'un gravimètre à atomes froids en conditions opérationnelles.<br />Dans un premier temps, une évaluation prospective des performances de l'instrument embarqué a été réalisée. Cette évaluation a permis le dimensionnement du prototype. Dans un deuxième temps, un banc optique permettant de refroidir des atomes de Rubidium a été réalisé : ce dernier repose sur l'utilisation de sources Télécoms brées à 1560 nm, doublées en fréquence à l'aide de cristaux de Niobate de Lithium périodiquement retourné (PPLN). L'ensemble du dispositif tient dans une baie d'électronique, et a permis d'obtenir un piège magnéto-optique, même en présence de vibrations mécaniques importantes et de fortes variations de température (de 10 à 25°C en 30 min). Enfin, les faisceaux Raman ont été synthétisés à l'aide d'un modulateur électro-optique à 1560 nm, et des tests préliminaires ont été menés sur les atomes refroidis.

Darbe pristatomi eksperimentiniai bei teoriniai rezultatai, susiję su skaidriųjų terpių lūžio rodiklio pokyčio indukavimu. Parodoma, kad lydytą kvarcą veikiant Yb:KGV lazerine sistema generuojamais impulsais, jame galima sukurti modifikuoto lūžio rodiklio sritis. Šios sritys pasižymi dvejopu šviesos lūžimu, atsirandančiu dėl medžiagos tūryje besiformuojančių nanogardelių, o modifikuotų sričių vienalytiškumas priklauso nuo akumuliacinių efektų. Pakitusio lūžio rodiklio sritis taip pat galima formuoti ir ličio niobato kristale. Priklausomai nuo spinduliuotės parametrų, šiame kristale galima įrašyti stabilius modifikuoto lūžio rodiklio darinius, o taip pat ir nestabilias modifikacijas, atsirandančias dėl fotorefrakcinio reiškinio. Pastarąjį efektą galima panaudoti daugkartiniam informacijos įrašymui. Pademonstruoti efektyvūs fotoniniai elementai, tūrinės Brego gardelės, įrašytos tiek lydyto kvarco, tiek ličio niobato kristalo tūryje. Pateikiama metodika, skirta lazerio indukuoto lūžio rodiklio pokyčiui nustatyti matuojant Brego gardelių difrakcinius efektyvumus. Taip pat tyrinėjama kaip modifikuoti dariniai lemia superkontinuumo ir šviesos gijos formavimosi reiškinius lydytame kvarce. / The study on refractive index modification of transparent materials with ultrashort laser pulses is presented in this dissertation. Based on experimental data it was demonstrated, that using ultrashort pulses, generated with Yb:KGW laser system, it is possible to produce modified refractive index zones in the fused silica glass, that possess birefringence. This effect is caused by nanogratings that form in the bulk of the material. Homogeneity of the modified zones is determined by the accumulation effects, mainly the number of pulses that affect each area. Refractive index variations can be created also in crystalline material such as lithium niobate. Depending on the writing pulse parameters different types of modifications can be created: permanent modification that is caused by crystal amorphization and non-stable modifications that originate from the photorefractive properties of the crystal. Latter modifications can be used for three-dimensional, rewritable data recording. Highly efficient photonic elements, such as volume Bragg gratings, recorded in fused silica and lithium niobate crystal are demonstrated. The technique allowing the evaluation of refractive index change applying Bragg gratings is described. Also modification influence on nonlinear processes that appear in fused silica such as filament formation and supercontinuum generation is experimentally investigated.