Les travaux présentés dans la thèse portent sur la conception et la réalisation d'oscillateurs à commande numérique en technologie CMOS 65nm. Les applications visées sont les systèmes de communication sans-fil WLAN 802.11a/b/g (2,5 et 5GHz) et WPAN 802.15.3c (60GHz). Afin de répondre aux spécifications fixées par ces standards, nous proposons d'utiliser la topologie d'oscillateur distribué. Cette dernière est particulièrement bien adaptée aux hautes fréquences. Deux réalisations sont présentées : une première à 10GHz permet de valider l'oscillateur distribué à commande en tension; une seconde à 53GHz introduit la commande numérique sur une topologie d'oscillateur distribué. / The work presented in the thesis concerns the design and the realization of digitally controlled oscillators in CMOS 65nm technology. The applications concerned are the wireless communication systems WLAN 802.11a/b/g (2,5 and 5GHz) and WPAN 802.15.3c (60GHz). In order to answer the specifications fixed by these standards, we propose to use the topology of distributed oscillator. The latter is particularly well adapted to the high frequencies. Two achievements are presented: a first one at 10GHz makes it possible to validate the distributed voltqge controlled oscillator; a second one at 53GHz introduces the digital control on a topology of distributed oscillator.

Lorsqu'il s'agit de réaliser des mesures spectroscopiques, on se trouve rapidement limité par la plage d'accord en fréquence des lasers qui est imposée par la répartition d'énergie entre les niveaux des transitions atomiques ou moléculaires couplés par l'émission stimulée. Afin de s'affranchir de cette limitation, nous avons recours à la conversion paramétrique optique. L'étude que nous avons menée, consiste à développer un oscillateur paramétrique optique (OPO) doublement résonnant à cavités imbriquées permettant de convertir un rayonnement primaire (à 1 μm) en un rayonnement accordable entre 3,8 et 4,5 μm de grande finesse spectrale (monomode longitudinal) en vue du dosage sélectif de différentes espèces gazeuses. Nous procédons à l'automatisation du montage au moyen d'un programme développé sous Labview qui permet d'atteindre des balayages en fréquence monomodes continus sur une centaine de GHz, et une stabilisation en fréquence de ± 2,8 MHz. Nous utilisons ensuite notre source pour réaliser des mesures d'absorption directe ainsi que des enregistrements de spectres photoacoustiques. Nous obtenons ainsi des spectres de plusieurs espèces gazeuses à différentes pressions ; ces spectres étant en accord avec les spectres théoriques calculés à partir de la base de données Hitran. Finalement nous validons de nouvelles voies permettant de faire évoluer le montage vers un dispositif plus compact et robuste. Ainsi, nous démontrons qu'il est possible d'obtenir l'oscillation paramétrique à partir d'un micro-laser. D'autre part, nous validons une nouvelle architecture que nous appelons

Les réseaux génétiques, constitués de gènes qui interagissent entre eux par l'intermédiaire de protéines régulatrices modulant leurs activités, sont des systèmes non linéaires qui présentent une variété de comportements dynamiques tels que la multistabilité ou les oscillations. Le développement des approches systémiques en biologie a permis l'identification de modules génétiques dont le comportement est quantitativement modélisable de sorte que leur fonction et leur structure puissent être étudiées et comprises. Notre expérience des systèmes non linéaires, ainsi que de la modélisation de systèmes expérimentaux, nous a conduit à l'étude de réseaux minimaux ayant la capacité d'osciller.Tout d'abord, nous avons revisité la dynamique d'un gène réprimé par sa propre protéine dans le cas où le taux de transcription ne s'adapte pas instantanément à la concentration en protéine mais est une variable dynamique. En effet, de nouvelles techniques de détection in vivo de l'ARN ont mis en évidence les salves de transcription d'un gène dans une cellule vivante. Nous avons obtenu un critère analytique pour l'apparition des oscillations entretenues et avons trouvé qu'elles nécessitent des mécanismes de dégradation moins non linéaires que pour une régulation infiniment rapide. Les prédictions obtenues par une approche déterministe ont été confirmées par des simulations stochastiques.Nous avons ensuite étudié un modèle mathématique minimal d'oscillateur circadien qui ajuste de façon surprenante les profils d'expression de deux gènes centraux de l'horloge de l'algue verte microscopique Ostreococcus tauri, TOC1 et CCA1. Outre cet accord entre théorie et expérience, nous avons constaté que le meilleur ajustement des données d'expression enregistrées en alternance jour/nuit est obtenu lorsqu'aucun paramètre du modèle ne dépend de l'intensité lumineuse, comme si l'oscillateur n'était pas sensible au cycle jour/nuit. Nous avons montré que ce phénomène contre-intuitif est en fait compatible avec un couplage à la lumière restreint à une fenêtre temporelle courte et judicieusement placée dans la journée. Cela confère à cette horloge circadienne une grande robustesse, de telle sorte que l'oscillateur est à la fois sensible à un éventuel déphasage nécessitant une remise à l'heure, et insensible aux fluctuations de l'intensité de la lumière du jour. / Networks of genes interacting via regulatory proteins modulating their activities are highly nonlinear systems wich display a variety of dynamical behaviour, such multistability or oscillations. The development of systemic approaches in biology has put emphasis on identifying genetic modules whose behavior can be modeled quantitatively so that their function and structure can be studied and understood. Our experience in nonlinear systems and modeling of experimental systems has led us to study minimal oscillating networks. First, we have revisited the dynamics of a gene repressed by its own protein in the case where the transcription rate does not adapt instantaneously to protein concentration but is a dynamical variable. Indeed, burst-like gene transcription has been monitored with new in vivo technique for tracking single-RNA molecule. We have derived analytical criteria for the appearance of sustained oscillations and found that they require degradation mechanisms much less nonlinear than for infinitely fast regulation. Deterministic predictions are confirmed by stochastic simulations of this minimal genetic oscillator. Secondly, we have studied a minimal mathematical model of a circadian oscillator, wich is in surprisingly good agreement with expression profiles of two central clock genes TOC1 and CCA1 of the microscopic green alga Ostreococcus tauri. We not only found that this two-gene transcriptional loop model can reproduce almost perfectly transcript and protein profiles but observed that excellent adjustment of data recorded under light/dark alternation is obtained when no model parameter depends on light intensity. Furthermore, we have shown that this paradoxical behaviour is in fact compatible with a coupling to light that is confined to short temporal windows and judiciously scheduled during the day. This circadian clock is robust in that the oscillator is both sensitive to phase shifts when resetting is required and insensitive to daylight fluctuations.

<P align="justify">Dans les conditions physiologiques normales, la glycémie est maintenue dans d'étroites limites. La sécrétion d'insuline par les cellules B pancréatiques joue un rôle majeur dans ce contrôle. En effet, l'insuline est la seule hormone capable d'empêcher une élévation excessive de la glycémie. La cellule B pancréatique constitue un exemple d'oscillateur cellulaire dont la dynamique non linéaire permet l'apparition d'une activité électrique "en salves" ("bursting"). Lors de la sécrétion, les cellules B présentent des oscillations du potentiel membranaire, alternances de phase actives, où la membrane est dépolarisée et durant laquelle des potentiels d'action sont produits, et de phases silencieuses, où le potentiel membranaire est stable et hyperpolarisé. La durée relative de la phase active est directement carrelée au taux de sécrétion d'insuline. Cette activité électrique est produite par une modification des flux ioniques transmembranaires. Il est maintenant établi que l'élévation de la concentration intracellulaire de Ca2+ ([Ca2+]i) qui se produit lors de la phase active est impliquée dans le déclenchement de l'exocytose. Néanmoins, les mécanismes impliqués dans la régulation de l'activité électrique restent mal compris.</P> <P align="justify">Dans ce travail, nous examinons le rôle d'une protéine présente dans la membrane de la cellule B, l'échangeur Na+/Ca2+ , dans la modulation des oscillations du potentiel membranaire et de la [Ca2+]i . Depuis sa découverte au niveau des cellules cardiaques et de l'axone de calmar, l'échange Na+/Ca2+ a été identifié dans de nombreux autres types cellulaires dont la cellule B pancréatique. Ce transporteur utilise le gradient électrochimique du Na+ comme source d'énergie pour l'expulsion des ions Ca2+ du cytosol. Dans les cellules cardiaques, il représente un mécanisme important d'expulsion du Ca 2+ intracellulaire. De plus, étant donné la stoechiométrie de la réaction de transport, son activité induit un courant (I Na/Ca) qui est impliqué dans la prolongation des potentiels d'action cardiaques. Au niveau de la cellule B pancréatique, le rôle de l'échange Na+/Ca2+ reste mal compris. L'absence d'inhibiteur spécifique de la protéine handicape sérieusement l'approche expérimentale.</P> <P align="justify">Dès lors, nous avons utilisé une approche basée sur la modélisation mathématique afin de clarifier l'impact de l'activité de l'échange Na+/Ca2+ sur l'activité électrique et la régulation de [Ca2+]i de la cellule B pancréatique. La modélisation de l'activité électrique de la cellule B pancréatique repose sur le formalisme développé par Hodgkin et Huxley pour la cellule nerveuse. Dans ce contexte, l'application de la conservation de la charge au circuit équivalent de la membrane cellulaire fournit un système d'équations différentielles ordinaires, non linéaires.</P> <P align="justify">Lors de la première partie de notre travail, nous avons mis au point un dispositif expérimental permettant de mesurer le courant électrique lié aux phénomènes de transport ioniques dans les membranes cellulaires. Nous avons pu détecter I Na/Ca et étudier son activation par la [Ca2+]i et le potentiel membranaire. Ces données expérimentales nous ont permis de proposer un modèle minimal pour I Na/Ca. D'autre part, afin d'évaluer expérimentalement l'effet de l'échange Na+/Ca2+ sur l'activité électrique de la cellule B pancréatique, nous avons étudié l'effet d'une réduction de la concentration extracellulaire de Na+ sur les oscillations du potentiel membranaire.</P> <P align="justify">D'un point de vue théorique, à partir de notre modèle minimal pour I Na/Ca , nous avons élaboré différents modèles mathématiques de l'activité électrique des cellules B. Ces modèles fournissent une prédiction correcte, qualitativement et quantitativement, de l'effet d'une réduction de la concentration extracellulaire de Na+ sur l'activité électrique périodique de la cellule B pancréatique. D'autre part, nos simulations numériques nous ont permis de démontrer la capacité de l'échange Na+/Ca2+ à moduler la durée relative de la phase active des oscillations du potentiel membranaire. De plus, nous avons pu mettre en évidence un mécanisme physiologique original liant la concentration extracellulaire de glucose et l'activité du transporteur. Enfin, nous nous sommes intéressés aux effets induits par la présence de l'échange Na+/Ca2+ sur l'activité électrique périodique et la régulation de [Ca 2+]i de cellules B couplées électriquement et hétérogènes en leurs paramètres. En effet, dans les conditions physiologiques, les cellules B constituent une population de cellules hétérogènes, électriquement couplées au sein des îlots pancréatiques. Il est établi que ce couplage joue un rôle essentiel dans l'apparition et la régulation de l'activité électrique périodique. Nous avons étudié différents modèles mathématiques correspondant à un réseau de cellules électriquement couplées. Nos simulations numériques nous ont permis de démontrer que l'échange Na+/Ca 2+ joue un rôle clef dans la régulation de la [Ca2+]i au sein d'un réseau de cellules B couplées électriquement. Il prévient, localement, l'apparition de niveaux de [ca2+]i trop élevés, potentiellement dangereux pour le métabolisme cellulaire, causés par l'hétérogénéité des paramètres cellulaires.</P>

Dans un contexte de développement durable et d’automatisation de notre environnement, l’utilisation de capteurs sans-fil distribués est croissante. Hors l’usage et le remplacement de piles s’avère coûteux. La consommation énergétique de plus en plus faible de l’électronique rend l’extraction énergétique de l’énergie ambiante envisageable. La chaleur résiduelle est une source d ’énergie intéressante puisqu’elle est la forme finale de la majeure partie de l’énergie utilisée par l’humain. Cependant, à petite échelle, seuls les éléments thermoélectriques sont disponibles. Les présents travaux s’intéressent donc à explorer et comparer des mécanismes de génération alternatifs. Puisque la majorité des mécanismes de transduction alternatifs sont dynamiques, leur utilisation requiert une transformation de l’énergie thermique continue en oscillations. Les mécanismes étudiés ont donc tous en commun de posséder un oscillateur thermique en plus d’un mécanisme de transduction vers la forme d ’énergie électrique. Parmi les divers mécanismes identifiés, deux sont étudiés en détails pour comprendre leurs comportements ainsi que connaître leur efficacité et leur puissance potentielle. Le premier générateur étudié théoriquement est basé sur le changement de ferromagnétisme d’une masse suspendue par des ressorts au-dessus d’un aimant. Les comportements du modèle développé correspondent aux comportements reportés dans la littérature. Deux paramètres de conception principaux ont été identifiés, perm ettant un contrôle de la fréquence, de la plage de températures d’opération. De plus le mécanisme peut opérer avec de faibles différences de température et des températures proches de l’ambiant, ouvrant la porte à des applications utilisant la chaleur du corps humain. L’utilisation de matériau pyroélectrique comme mécanisme de transduction pourrait offrir des densités de puissance électrique envisageables de l’ordre de 1 m W / c m 3. Le second générateur étudié expérimentalement est basé sur l’évaporation explosive d’un liquide surchauffé en absence de sites de nucléation. Un premier prototype a permis de démontrer, pour la première fois, le fonctionnement d’un tel cycle. Une étude de l’effet de la température de la source de chaleur et de l’effet du débit de liquide montre qu’une zone d’opération idéale est présente. La puissance de sortie maximale mesurée est de l’ordre de 1.6//W. Des améliorations sont proposées pour faire croître cette puissance de deux ordres de grandeur. Finalement, l’utilisation du pompage capillaire pour rendre le système autonome est démontré, mais reste sensible aux variations de conditions. Finalement, l’étude des dispositifs montre que les microgénérateurs à base d’oscillateurs thermiques peuvent présenter un intérêt, par rapport aux éléments thermoélectriques, dans les applications où les températures sont faibles ou incertaines. Cependant, ces mécanismes souffrnt d’une très faible efficacité causée par les multiples transformations énergétiques à faible couplage. [symboles non conforme]

La thèse concerne l'étude des cycles limites d'une équation différentielle sur le plan (la deuxième partie du 16ème problème de Hilbert). La notion de "cycle limite" a une grande importance dans la théorie de la stabilité, elle est introduite par Poincaré vers la fin du 19ème siècle et désigne une orbite périodique isolée. Le but de cette thèse est : d'établir l'existence d'une borne supérieure finie, pour le nombre de cycle limites d'une équation quadratique dans le plan. Ce problème est aussi appelé 16ème problème d' Hilbert infinitésimal. Probablement, l'outil le plus fondamental pour l'étude de la stabilité et les bifurcations des orbites périodiques est l'application de Poincaré, défini par Henri Poincaré en 1881. Cependant, la méthode de Melnikov nous donne une excellente procédure pour déterminer le nombre de cycles limites dans une bande continue de cycles qui sont préservés sous perturbation. En effet, le nombre, les positions et les multiplicités des équations différentielles planes perturbées avec une petite perturbation non nulle sont déterminées par le nombre, les positions et les multiplicités des zéros des fonctions génératrices. La fonction de Melnikov est plus précisément, appelé la fonction de Melnikov de premier- ordre. Si cette fonction est identiquement nulle à travers la bande continue de cycles, on calcule ce qu'on appelle " la fonction de Melnikov d'ordre supérieure ". Ensuite, une analyse d'ordre supérieure est nécessaire, ce qui peut être fait par " l'algorithme de Françoise. Les discussions et les calculs présentés dans notre travail sont limités non seulement à la fonction de Melnikov de premier ordre, mais aussi pour les fonctions de Melnikov de deuxième -ordre. Ces outils seront utiles pour résoudre notre problématique. Les activités de recherche menées dans le cadre de cette recherche sont divisées en quatre parties : La première partie de cette thèse, traite les systèmes dynamiques plans et l'existence de cycles limites. Nous souhaitons après résoudre le problème suivant: Calculer la cyclicité de l'oscillateur asymétrique perturbé de Duffing. Dans la deuxième partie, nous sommes intéressés de la cyclicité à l'extérieur de l'anneau périodique de l'oscillateur de Duffing pour une perturbation particulière, puis, nous fournissons un diagramme de bifurcation complet pour le nombre de zéros de la fonction de Melnikov associée dans un domaine complexe approprié en se basant sur le principe de l'argument. Le nombre de cette cyclicité est égal à trois. Dans la troisième partie, nous étudions la cyclicité à l'intérieur ainsi que à l'extérieur de double boucle homocline pour une perturbation cubique arbitraire de l'oscillateur de Duffing en utilisant les mêmes techniques de Iliev et Gavrilov dans le cas d'un Hamiltonien asymétrique de degré quatre. Notre principal résultat est que deux au plus cycle limite peuvent bifurquer de la double homocline. D'autre part, il est représenté, qu'après bifurcation de eight-loop un cycle limite étranger est née, qui ne soit pas contrôlée par un zéro lié par les intégrales Abéliennes, ce cycle supplémentaire est appelé " Alien ". / This thesis concerns the study of limit cycles of a differential equation in the plane (The second part of the 16th Hilbert problem). The concept of "limit cycle" has a great importance in the theory of stability; Poincaré introduces this notion at the end of the 19th century and denotes an isolated periodic orbit. The purpose of this thesis: Find an upper bound finite to the number of limit cycles of a quadratic equation in the plane. This problem is so- called the infinitesimal Hilbert 16th problem. Probably, the most basic tool for studying the stability and bifurcations of periodic orbits is the Poincaré, defined by Henri Poincaré in 1881. However, Melnikov's method gives us an excellent method for determining the number of limit Cycles in a continuous band of cycles that are preserved under perturbation. In fact, the number, positions and multiplicities of perturbed planar differential equations for a small nonzero parameters, are determined by the number, positions and multiplicities of the zeros of the generating functions. The Melnikov function is more precisely, called the first-order Melnikov function. If this function is identically equal zero across the continuous band of cycles, one computes the so-called "Higher order Melnikov function". Then, a higher order analysis is necessary which can be done by making use of the so called "the algorithm of Françoise". The discussions and computation presented in this thesis are restricted not only to the first order Melnikov function, but also to the second-order Melnikov functions. These tools will be useful to resolve the question problem. The research activities in the framework of this thesis are divided into four parts: The first part of this thesis, discusses planar dynamical systems and the existence of limit cycles. We wish to solve the following problem: Calculate the cyclicity of the perturbed asymmetric oscillator Duffing. In the second part, we are interested of the cyclicity of the exterior period annulus of the asymmetrically perturbed Duffing oscillator for a particular perturbation, then, we provide a complete bifurcation diagram for the number of zeros of the associated Melnikov function in a suitable complex domain based on the argument principle. The number of this cyclicity is equal to three. In the third part, we study the cyclicity of the interior and exterior eight-loop especially for arbitrary cubic perturbations by using the same techniques of Iliev and Gavrilov in the case of an asymmetric Hamiltonian of degree four. Our main result is that at most two limit cycles can bifurcate from double homoclinic loop. On the other hand, it is appears after bifurcation of eight-loop an "Alien" limit was born, which is not covered by a zero of the related Abelian integrals.

La modélisation, l’analyse et le contrôle des oscillations, notamment des rythmes biologiques ont été étudiés dans cette thèse. La thèse est divisée en deux parties. Dans la première partie, motivée par un problème pratique de la surveillance de l'environnement côtier, cette thèse considère les rythmes biologiques des huîtres. En utilisant les informations des rythmes biologiques, une solution de surveillance environnementale indirecte en utilisant les huîtres comme bio-capteur a été proposé. La solution proposée se base sur l'estimation de la perturbation par la modélisation du rythme biologique des huîtres par un oscillateur de Van der Pol. Une limite inhérente de cette approche est que celle-ci fonctionne uniquement grâce à la détection des comportements anormaux. Cependant les comportements anormaux ne sont pas tous liés à la pollution. Nous considérons donc la détection d'un type particulier de comportement oscillatoire anormal à savoir la ponte, qui est un phénomène naturel et non lié à la pollution. Le premier problème de la deuxième partie est la robustesse des oscillations dans la division cellulaire. Les oscillations persistent dans les oscillateurs génétiques après la division cellulaire. Dans cette thèse, nous fournissons des conditions d'analyse qui garantissent la synchronisation de phase après la division cellulaire. Enfin, nous considérons le problème de la synchronisation des systèmes multi-stables en utilisant l’Input-to-State Stability (ISS). En utilisant une généralisation récente de la théorie de l'ISS pour les systèmes multi-stables, nous proposons des conditions suffisantes pour la synchronisation des systèmes multi-stables. / Modeling, analysis and control of oscillations, notably biological rhythms have been studied in this thesis. The thesis is divided into two parts. In part-I, motivated by a practical problem of environmental monitoring of coastal environment, this thesis considers the biological rhythms of oysters. Using the information of biological rhythms, an indirect environmental monitoring solution using oysters as bio-sensor has been proposed. The proposed solution works on estimating the perturbation by modeling the biological rhythm of oysters through Van der Pol oscillator model. An inherent limit of this approach is that it works through detecting abnormal behavior only. However abnormal behaviors are not all related to pollution. So, we consider the detection of a particular type of abnormal oscillatory behavior i.e. spawning (behavior during reproduction) which is a natural phenomenon and not related to pollution. In part-II, oscillations are studied from a theoretical point of view. The first problem of this part is the robustness of oscillations under cell division. Oscillations persist in genetic oscillators after cell division. In this thesis, we provide analytical conditions that guarantee phase synchronization after cell division using Phase Response Curve (PRC) formalism. Finally we consider the problem of synchronization of multi-stable systems using Input-to-State (ISS) stability tool. Using a recent generalization of ISS theory for multi-stable systems, we propose sufficient conditions for the synchronization of multi-stable systems. As a side result, this work has been applied for the global synchronization of the Brockett oscillator.

La découverte de la magnétorésistance géante en 1988 est considérée comme la date de naissance d’un nouveau et dynamique champ de recherche appelé l’électronique de spin. La riche physique associée au transport de spin devrait révolutionner le futur de la nanoélectronique. Dans ce cadre les nano-oscillateurs à transfert de spin (STOs) se sont positionnés comme des candidats sérieux pour le développement d’une nouvelle génération de dispositifs rf basés sur l’électronique de spin.Au début de ma thèse, l’important bruit de phase des STOs restait une contrainte majeure limitant les perspectives technologiques à ce type d’oscillateurs. Dans cette thèse nous avons cherché à contrôler la dynamique des STOs et à réduire leur bruit phase en développant différentes stratégies : (i) l’optimisation des propriétés des matériaux magnétiques utilisés (ii) l’excitation de modes couplés dans des systèmes hybridés (iii) la stabilisation de la dynamique de la phase d’un STO avec un signal extérieur de référence (iv) la synchronisation mutuelle de différents oscillateurs pour améliorer la cohérence spectrale et la puissance des STOs. Nous focalisons en particulier sur le cas de STO à base de vortex magnétique qui présentent intrinsèquement des cohérences spectrales plus élevées que celles d’autres types d’oscillateurs.Dans une première partie, nous nous proposons d’identifier et d’étudier les différents mécanismes qui régissent et contrôle la dynamique d’un STO à base de vortex magnétique dans les régimes auto-oscillant et non-autonomes. Nous mettons tout d’abord en évidence que l’excitation de modes couplés permet de contrôler les propriétés rf d’un oscillateur unique en prenant l’exemple d’un STO à base de deux vortex magnétiques couplés. Par la suite, nous étudions la synchronisation « parfaite » de ces STOs à base de vortex avec un courant rf de référence. Nous corrélons l’observation d’une largeur de raie d’un hertz et d’un bruit de phase minimum de -90 dBc/Hz à 1kHz de la porteuse dans l’état synchronisé à une absence de glissement de phase, i.e. à l’absence de phénomène de désynchronisation. Le fort couple de Field-like planaire mesuré dans ces STOs représente un outil précieux pour contrôler le processus de synchronisation. Dans le cas des STOs à double vortex, un tel contrôle nous permet d’observer des phénomènes physiques exotiques allant de la synchronisation simultanée de plusieurs modes, à de l’auto-synchronisation en passant par des dynamiques de synchronisation incohérentes.Dans une seconde partie, nous proposons différents concepts innovants de dispositifs rf à base de vortex magnétique. Nous présentons tout d’abord les bases d’une boucle à retard de phase permettant d’asservir un STO. En prenant avantage du fort couple de Field Like, nous développons un nouveau schéma de détection rf, plus efficace que les actuelles diodes Schottky, basé sur un renversement d’aimantation en expulsant réversiblement le cœur de vortex à l’aide d’un courant rf. Finalement, nous démontrons qu’il est possible de synchroniser électriquement deux STOs connectés directement en parallèle ou en série, ou à l’aide d’une ligne à retard. Nous montrons ainsi qu’une forte amélioration de la cohérence spectrale (d’un facteur 2) et de la puissance (d’un facteur 4 pour un maximum de 1.6 μW) peut être obtenues dans l’état synchronisé. A l’aide de la ligne à retard, nous mettons par ailleurs en évidence le rôle crucial du déphasage entre les deux STOs sur les propriétés de l’état synchronisé. Ces résultats prometteurs ouvrent la voie vers la synchronisation de réseaux de STOs sans champ appliqué et sans ligne à retard entre les oscillateurs.Dix ans après leur découverte, les oscillateurs à transfert de spin n’ont toujours pas dévoilé tout leur potentiel et de nouvelles applications sont maintenant envisagées, allant de dispositif rf classiques à des circuits logiques et dispositifs bio-inspirés basés sur les STOs. / The discovery of the giant magnetoresistance in 1988 is considered as the birth date of a new and dynamic research field called spintronics. The rich physics associated with spin transport has created a breakthrough for the future of nano-electronics. In the magnetism roadmap, spin-torque oscillators (STOs) are candidates for future generation of spintronic based rf-devices.At the beginning of this thesis, one major issue of spin-torque oscillators remained their poor spectral coherence. To overcome this issue, we have investigated different approaches: (i) the development of magnetic materials with a low damping and large spin-polarization, (ii) the study of collective mode dynamics in hybridized magnetic systems (iii) the stabilization of the STO dynamics with a reference external signal (iv) the synchronization of multiple STOs to enhance both their power and spectral coherence. We focus our work on vortex based STOs which present higher spectral coherences than other kinds of STOs.In a first part, we study the different mechanisms that can drive and stabilize the dynamics of a vortex based STO in the autonomous and non-autonomous regimes. We first highlight that the excitation of collective modes allows the harnessing the rf-properties of a single and isolated in a double vortex based STO. Then we report the ``perfect'' phase-locking of a STO with an external rf-current. To go beyond this analysis, we notice that a 1 Hz minimum linewidth and a flat phase noise level of -90 dBc/Hz at 1 kHz from the offset frequency in the locked state could be associated with the absence of phase slips, i.e desynchronization events. We demonstrate that the locking process is driven by a Field-like in-plane torque which gives the possibility to control with precision the STO locking process. In our double vortex based STO, we can even observe exotic behaviors such as multi-mode synchronization, self-resonance and eventually incoherent motion. Such a degree of control, unexpected for a nano-scale oscillator, is particularly promising for the development of STO based nanodevices.In a second part, we propose different concepts of spintronic rf-devices based on vortex STOs. We describe the basis of an on-chip STO based phase locked loop. By taking advantage of the large Field-like torque in our STOs, we develop a new radio-frequency detection scheme, more efficient than the state of the art Schottky diode, based on magnetization switching through the resonant and reversible expulsion of the vortex core. Finally, we show the first experimental observation of the electrical synchronization of two STOs connected directly in parallel or in series, or with an electrical delay line. In the synchronized state, we show a strong improvement of both the spectral coherence (by a factor 2) and the output power (by a factor 4, up to 1.6 μW). We also demonstrate, with an electrical delay line, the strong impact of the phase shift between the two STOs on the synchronized regime. These promising results open the way for the synchronization of STO arrays at zero field and without electrical delays.Ten years after their discovery, spin-torque oscillators have thus not yet revealed all their potential and promising applications could be soon targeted, in order to realize a spin logic circuit, bio-inspired spintronic devices and more classical rf-applications.

La génération de signaux microondes à grande pureté spectrale est fondamentale pour différentes applications (systèmes RADAR, échantillonnage large bande). L’optique propose des solutions prometteuses pour la montée en fréquence des d’oscillateurs à bas bruit de phase. L’objectif de cette thèse est d’étudier différentes configurations d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) à 10 GHz. Pour cela, nous avons développé puis validé expérimentalement un modèle décrivant le bruit de phase, que nous avons ensuite étendu aux OEOs à boucles multiples. Cet outil unique nous a permis de concevoir un OEO à double boucles à l’état de l’art avec un encombrement réduit (premier mode parasite avec un niveau de bruit de phase de -146 dBc/Hz à 187 kHz de la porteuse). Nous avons également étudié des OEOs à amplification optique qui permettent de lever les verrous associés aux amplificateurs RF lors de la montée en fréquence (contribution de bruit et bande passante) tout en conservant d’excellentes performances. Enfin, nous nous sommes intéressés aux oscillateurs optoélectroniques couplés (COEOs), qui associent un laser à verrouillage de modes à un OEO. Nous avons modélisé le bruit de phase du laser en tenant en compte pour la première fois la non-orthogonalité des modes de la cavité, puis initié un modèle pour le COEO. Après une étude expérimentale des paramètres clef, nous avons réalisé un COEO proche de l’état de l’art, dont le bruit phase au voisinage de la porteuse est amélioré par rapport aux OEOs pour des longueurs de boucle plus courtes. / High purity microwave signal generation is required in various applications (RADAR systems, wideband sampling). For high frequency operations, optics offer promising solutions to generate low noise oscillators. The objective of this thesis consists in studying various optoelectronic oscillator (OEO) configurations at 10 GHz. We first worked on a phase noise model and its experimental validation, further extended to multiple loop OEOs. This comprehensive model allowed the design of a state-of-the-art dual loop OEO with consideration to its compactness (first spur located at 187 kHz from the carrier with a phase noise level of 146 dBc/Hz).We then focused on all photonic gain OEOs to get rid of RF amplifiers whose bandwidth and noise contributions are a limit for high frequency operations. Finally, we studied coupled optoelectronic oscillators (COEOs) which may simply be described as a combination of a mode locked laser and an OEO. We worked on a phase noise model for active and harmonically mode locked laser taking into account for the first time the non-orthogonality of the cavity modes. This model is the basis to a COEO model we began to develop. After experimentally determining key parameters, we designed and optimized a low noise COEO exhibiting a close-to-carrier phase noise similar to the state-of-the-art.

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'amélioration des sources ultra-stables de fréquences dans le domaine des temps courts (typiquement inferieurs à une minute). Deux voies d'investigations ont été explorées : <br />- La première concerne l'évaluation des potentialités des matériaux de la famille de la langasite (LGS). Une classification des coefficients de qualité (Q) des matériaux LGS et langatate (LGT) en fonction de leurs provenances a été mise en évidence. Les premiers prototypes de résonateurs à ondes de volume ont été réalisés dans un cristal de LGT à fort Q. A cette occasion un procédé de fabrication spécifique a été mis au point. Une électronique d'oscillateur et un packaging thermique adaptés aux caractéristiques de ces résonateurs ont été développés. Enfin, ces premiers prototypes d'oscillateurs ont été caractérisés en terme de stabilité temporelle et de vieillissement.<br />- La seconde voie exploratoire concerne la mise en place d'un ensemble expérimental permettant la réfrigération d'oscillateurs à résonateurs à ondes de volume à des températures inférieures à celles de l'hélium liquide (4,2K). Pour cela, des résonateurs en quartz de coupe SC et LD, et en LGT de coupe Y, ont été caractérisés à basses températures. Une campagne de mesures systématiques a révélé des coefficients de qualité exceptionnels pour certains modes de vibration. Par ailleurs, différents modèles de transistors ont été testés et l'une des références testées a été modélisée simplement, à température cryogénique. Deux premiers prototypes d'oscillateurs à résonateur à quartz de coupe SC ont été développés puis testés à basses températures. Il en résulte les toutes premières caractérisations en terme de stabilité temporelle.