Nous avons développé un oscillateur paramétrique optique simplement résonant (SRO) basé sur un cristal non linéaire de niobate de lithium dopé 5%-MgO et périodiquement polarisé (ppMgCLN). Il est pompé à 1064 nm par une diode laser en cavité étendue balayable continûment de 1050 à 1070 nm injectant un amplificateur Yb-fibré de puissance 10 W. Il génère une onde idler comprise entre 3 et 4 µm et une onde signal entre 1450 et 1650 nm. La cavité SRO est asservie sur le pic de transmission d'une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Nous avons alors pu démontrer un balayage mono-fréquence sans saut de mode de l'onde idler sur 500 GHz. Cette large accordabilité continue pourrait être utilisée pour la spectroscopie haute résolution multi-espèces dans le moyen infrarouge. Par ailleurs, nous avons revisité la théorie ondes planes du SRO, dont les solutions analytiques ont été données pour la première fois en 1969 par Kreuzer sous la forme d'une équation transcendante, en utilisant une méthode perturbative très puissante qui tient compte de la déplétion de la pompe. Nous avons pu ainsi déterminer les relations d'entrée-sortie du SRO sous la forme de relations explicites très simples, montrant que les puissances de sortie sont proportionnelles à la racine cubique de la puissance pompe.

Le sujet de thèse porte sur des micro/nanorésonateurs ainsi que leurs électroniques de lecture. Les composants mécaniques sont utilisés pour mesurer des masses inférieures à l'attogramme (10-18 g) ou de très faibles concentrations de gaz. Ces composants peuvent ensuite être mis en réseau afin de réaliser des spectromètres de masse ou des détecteurs de gaz. Afin d'atteindre les résolutions nécessaires, il a été choisi d'utiliser une détection harmonique de résonance détectant les variations de la fréquence de résonance d'une nanostructure mécanique. Les dimensions du résonateur sont réduites afin d'augmenter sensibilité en masse, cependant le niveau du signal électrique en sortie du composant est également réduit. Ce faible signal nécessite donc de concevoir de nouvelles transductions électromécaniques ainsi que des architectures électroniques qui minimisent le bruit, les couplages parasites et qui peuvent être mise en réseau.

Les nano-oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont des candidats prometteurs pour la réalisation de composants radiofréquence (RF) intégrés, du à leur taille nanométrique, l'importante gamme de fréquences de base qu'ils peuvent couvrir, ainsi qu'à leur accordabilité autour de ces fréquences de base. Le signal RF est obtenu grâce à l'effet de transfert de spin (STT) qui donne lieu à une oscillation non-linéaire de l'aimantation dans un élément magnétorésistif. Jusqu'ici, ces excitations ont été examinées dans le cadre d'une couche magnétique isolée, c'est-à-dire sans prendre en compte le couplage entre couches. Cependant, nombreux aspects du spectre d'excitation ne peuvent pas être expliqués si l'on considère une couche isolée. Dans cette thèse nous nous attacherons à répondre à la question importante du couplage dynamique entre couches magnétiques dans un nanopilier magnétorésistif, afin de développer une meilleure compréhension des spectres d'excitation, et en particulier la dépendance en courant et champ magnétique appliqué des caractéristiques du pic d'émission, telles que la largeur de raie et la fréquence. Une première étude est réalisée pour un système composé de deux couches ferromagnétiques, couplées entre elles par le couplage RKKY (ce système est appelé un ferrimagnétique synthétique (SyF)). Le couplage induit des différences importantes dans la dépendance en courant de la fréquence par rapport aux excitations d'une couche isolée. Ces différences sont expliquées par l'important couplage dynamique RKKY. Une seconde étude prend en considération une interaction plus complexe, ayant lieu dans un nano-pilier STNO standard basé sur jonctions tunnel ou vannes de spin. Ce dispositif est composé d'un SyF ainsi que d'une couche libre(FL) magnétique, séparés par une fine couche métallique ou isolante. Pour ce système, en plus du couplage dynamique RKKY propre au SyF, nous prenons en compte le couplage dynamique généré par le champ dipolaire ainsi que le spin-torque mutuel (MSTT) entre la couche libre et le SyF. Ce couplage multiple donne lieu à deux signatures distinctes. La première est l'apparition d'un " saut " dans le spectre d'excitation dû à l'hybridation des modes SyF and FL dans le régime atténué. Le second est dû à l'interaction entre les excitations en régime entretenu, éventuellement via leurs composantes harmoniques, avec les excitations en régime atténué. Cette interaction donne lieu à des discontinuités dans la dépendance fréquence - champ, ce lorsque les excitations FL sont prédominantes. Il est intéressant de noter que cela mène à des régions ou la largeur de raie est diminuée. De plus, lorsque les excitations SyF sont prédominantes, la largeur de raie est diminuée par rapport aux cas ou les excitations FL sont prédominantes. Partant de ces observations, nous proposons une structure plus complexe, où un seconde couche de type SyF remplace la couche libre. Les résultats obtenus par une combinaison d'expériences, de simulations numériques et d'analyse analytique, montrent le rôle important des interactions dynamiques dans un nano-pilier. Ils ouvrent de nouvelles voies pour la conception de configurations STNO qui mèneront à des améliorations des performances du signal ainsi synthétisé.

Les nano-oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont des candidats prometteurs pour la réalisation de composants radiofréquence (RF) intégrés, du à leur taille nanométrique, l'importante gamme de fréquences de base qu'ils peuvent couvrir, ainsi qu'à leur accordabilité autour de ces fréquences de base. Le signal RF est obtenu grâce à l'effet de transfert de spin (STT) qui donne lieu à une oscillation non-linéaire de l'aimantation dans un élément magnétorésistif. Jusqu'ici, ces excitations ont été examinées dans le cadre d'une couche magnétique isolée, c'est-à-dire sans prendre en compte le couplage entre couches. Cependant, nombreux aspects du spectre d'excitation ne peuvent pas être expliqués si l'on considère une couche isolée. Dans cette thèse nous nous attacherons à répondre à la question importante du couplage dynamique entre couches magnétiques dans un nanopilier magnétorésistif, afin de développer une meilleure compréhension des spectres d'excitation, et en particulier la dépendance en courant et champ magnétique appliqué des caractéristiques du pic d'émission, telles que la largeur de raie et la fréquence. Une première étude est réalisée pour un système composé de deux couches ferromagnétiques, couplées entre elles par le couplage RKKY (ce système est appelé un ferrimagnétique synthétique (SyF)). Le couplage induit des différences importantes dans la dépendance en courant de la fréquence par rapport aux excitations d'une couche isolée. Ces différences sont expliquées par l'important couplage dynamique RKKY. Une seconde étude prend en considération une interaction plus complexe, ayant lieu dans un nano-pilier STNO standard basé sur jonctions tunnel ou vannes de spin. Ce dispositif est composé d'un SyF ainsi que d'une couche libre(FL) magnétique, séparés par une fine couche métallique ou isolante. Pour ce système, en plus du couplage dynamique RKKY propre au SyF, nous prenons en compte le couplage dynamique généré par le champ dipolaire ainsi que le spin-torque mutuel (MSTT) entre la couche libre et le SyF. Ce couplage multiple donne lieu à deux signatures distinctes. La première est l'apparition d'un « saut » dans le spectre d'excitation dû à l'hybridation des modes SyF and FL dans le régime atténué. Le second est dû à l'interaction entre les excitations en régime entretenu, éventuellement via leurs composantes harmoniques, avec les excitations en régime atténué. Cette interaction donne lieu à des discontinuités dans la dépendance fréquence – champ, ce lorsque les excitations FL sont prédominantes. Il est intéressant de noter que cela mène à des régions ou la largeur de raie est diminuée. De plus, lorsque les excitations SyF sont prédominantes, la largeur de raie est diminuée par rapport aux cas ou les excitations FL sont prédominantes. Partant de ces observations, nous proposons une structure plus complexe, où un seconde couche de type SyF remplace la couche libre. Les résultats obtenus par une combinaison d'expériences, de simulations numériques et d'analyse analytique, montrent le rôle important des interactions dynamiques dans un nano-pilier. Ils ouvrent de nouvelles voies pour la conception de configurations STNO qui mèneront à des améliorations des performances du signal ainsi synthétisé. / Spin-torque nano-oscillators (STNOs) are promising candidates for integrated radiofrequency (RF) components due to their nanoscale size, the large range of base frequencies that can be covered, as well as the large achievable tuning ranges around the base frequency. The RF signal is obtained due to the spin transfer torque (STT) generating a non-linear magnetization oscillation in a magnetoresistive device. In the past, these excitations were investigated using the picture of a single (or independent) layer. However, many features of the excitation spectra observed experimentally in nanopillar devices cannot be explained considering a single layer. In this thesis we address the important question on the dynamical coupling between the magnetic layers inside a magneto-resistive nanopillar device, to gain a better understanding of the excitation spectra, i.e. the dependence of the frequency and the linewidth on current and applied magnetic field. A first study is realized for a coupled system, composed by two ferromagnetic layers, coupled by the interlayer RKKY coupling (so called Synthetic Ferrimagnet SyF). Due to the coupling the frequency dependence versus current is different as compared to excitations of a single layer. This is explained by the strong dynamical RKKY coupling. A second study considers a more complex interaction, occurring within standard STNO nanopillar spin valves or tunnel junctions. They are composed by a SyF separated by a metallic or insulating spacer respectively from the single free layer (FL). For this system we take into account besides the RKKY coupling within the SyF, also the dynamical dipolar field coupling and the mutual spin torque (MSTT) between the SyF and the free layer. We find two definite signatures arising from this coupling. The first is a gap in the steady state excitation spectra that is due to the hybridization of the SyF and FL modes in the damped regime. The second is the possibility of the spintorque driven excitation or its harmonics with the damped modes leading to discontinuities in the frequency field dependence when the free layer is dominantly excited. Interestingly this leads to a region of reduced linewidth. Furthermore for SyF layer dominated excitations, the linewidth is lower than in the FL dominated excitations. From these observations we propose a more complex structure, composed by two SyF layers where the single FL is replaced by a SyF. The results obtained by a combination of experiments, numerical simulations and analytical analysis, demonstrate the important role of the dynamic interactions in nanopillar STNOs and provide routes for designing novel STNO configurations that should lead to improved microwave performances.

La demande croissante de toujours plus de débit pour les télécommunications entraine une augmentation de la fréquence de fonctionnement des liaisons séries. Cette demande se retrouve aussi dans les systèmes embarqués du fait de l'augmentation des performances des composants et périphériques. Afin de s'assurer que le train de données est bien réceptionné, un circuit de restitution d'horloge et de données est placé avant tout traitement du coté du récepteur. Dans ce contexte, les activités de recherche présentées dans cette thèse se concentrent sur la conception d'une CDR (Clock and Data Recovery). Nous détaillerons le comparateur de phase qui joue un rôle critique dans un tel système. Cette thèse présente un comparateur de phase ayant comme avantage d'avoir une mode de fenêtrage et une fréquence de fonctionnement réduite. La topologie spéciale utilisée pour la CDR est décrite, et la théorie relative aux oscillateurs verrouillés en injection est expliquée. L'essentiel du travail de recherche s'est concentrée sur la conception et le layout d'une restitution d'horloge dans le domaine millimétrique, à 80 Gbps. Pour cela plusieurs prototypes ont été réalisés en technologie BiCMOS 130 nm de STMicrolectronics. / The increasing bandwidth demand for telecommunication leads to an important rise of serial link operating frequencies. This demand is also present in embedded systems with the growth of devices and peripherals performances. To ensure the data stream is well recovered, a clock and data recovery (CDR) circuit is placed before any logical blocks on the receiver side. The research activities presented in this thesis are related to the design of such a CDR. The phase detector plays a critical role in the CDR circuit and is specially studied. This thesis presents a phase comparator that provides an enhancement by introducing a windowed mode and reducing its operating frequency. The used CDR has a special topology, which is described, and the injection locked oscillator theory is explained. Most of the research of this study has focused on the design and layout of a 80 Gbps CDR. Several prototypes are realized in 130 nm SiGe process from STMicroelectronics.

Dans l’ère des systèmes de communication multi-standards, le besoin des circuits en radio fréquence (RF) flexibles et reconfigurables pousse l´industrie et le monde académique vers la recherche d´architectures alternatives d’émetteurs et de récepteurs RF. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux émetteurs RF flexibles. Nous présentons une architecture basée sur l’utilisation d’un oscillateur de puissance composé d´un amplificateur de puissance dans une boucle de rétroaction positive. Pour des raisons de compatibilité avec des circuit numériques et dans le but de minimiser les coûts de fabrication, nous avons choisi la technologie CMOS. Ce choix génère des difficultés de conception des circuits en RF à cause des faibles tensions de claquage. Cette contrainte de conception a motivé le choix de la classe EF2 pour l’amplificateur de puissance afin de réduire le stress en tension sur les transistors. Nous présentons la conception de cet amplificateur de puissance de classe EF2, ainsi que la conception de l’oscillateur de puissance. Nous validons cette architecture avec une implémentation en technologie CMOS 0.13um de STMicroelectronics. Nous démontrons le bon comportement par une campagne de mesures des circuits fabriqués. Ce circuit répond aux contraintes de flexibilité de modulation et de puissance de sortie. Il peut donc être utilisé pour différents standards de communications. Les limitations inhérentes de cette architecture sont discutées et une modélisation mathématique est présentée. / This work presents the study, design and measurement of RF circuits aiming communication applications. The need for flexible and reconfigurable RF hardware leads to the need of alternative transmitter architectures. In the center of this innovative architecture, there is thepower oscillator. This circuit is composed of a power amplifier in a positive feedback loop soit oscillates. As the circuit under study is mainly composed of a power amplifier, a study on power amplifier is mandatory. Modern CMOS technologies impose difficulties in the efficient RF generation due to low breakdown voltages. In order to reduce the voltage stress on the transistors, wave form-engineering techniques are used leading to the use of class EF2. Thedesign and measurement of a class EF2 power amplifier and power oscillator are shown. Thecircuits were implemented in standard STMicroelectronics 0.13um CMOS. Correct behaviorfor the circuits was obtained in measurement, leading to a first implementation of class EF2 inRF frequencies. From a system perspective, the proposed architecture is shown to be flexible and able to generate different modulations without change in the hardware. Reconfigurability is shown not only in modulation but also in output power level. The limitations of this architecture are discussed and some mathematical modeling is presented.

La surveillance globale de l’atmosphère et de la pollution de l’air est devenue un enjeu majeur ces dernières années afin d’estimer les conséquences des activités humaines sur notre environnement. Au cours de ces travaux de thèse, l’objectif a été de développer deux instruments LIDARs en détection directe basés sur des émetteurs multi-longueurs d’onde et multi-espèces mettant en œuvre des sources paramétriques optiques innovantes basées sur la technologie NesCOPO (nested cavity optical parametric oscillator) afin de répondre à deux applications : le suivi de la qualité de l’air sur sites industriels et le suivi des gaz à effet de serre depuis l’espace. Un premier instrument multi-espèces a été développé dans le cadre du suivi de la qualité de l’air sur sites industriels, dans la gamme spectrale 3,3 à 3,8 µm, et dédié à des mesures de concentrations moyennes le long de la ligne de visée pour des portées de l’ordre de la centaine de mètres. Une démonstration du potentiel multi-espèces de l’instrument a été réalisée en mesurant simultanément les concentrations en méthane et en vapeur d’eau atmosphériques. A partir d’une source optique existante dédiée à la mesure du dioxyde de carbone seul, un second émetteur multi-longueurs d’onde et multi-espèces a été développé dans une gamme spectrale autour de 2 µm. Son potentiel pour la mesure des gaz à effets de serre depuis l’espace a été étudié En particulier, nous avons démontré que cet émetteur permet de mesurer trois gaz atmosphériques : CO2, H2O et CH4. Une architecture globale d’instrument intégrant cet émetteur a été proposée, afin de réaliser des mesures résolues spatialement, avec des portées de quelques km. De plus, un code de simulation a été développé pour estimer les performances de cet instrument en détection directe. / Atmospheric global monitoring and air quality are major environmental concerns. Global monitoring of some trace and green-house gases would help to understand the consequences of human activities on our environment. The aim of this work is to develop two multi-wavelengths and multi-species direct detection lidar instruments, based on the same laser transmitter baseline approach - an innovative parametric source, the Nested Cavity optical parametric oscilator-and to target two applications: the monitoring of air quality on industrial sites and the monitoring of greenhouse gases from space. The first instrument was designed for industrial plant monitoring applications, in the 3.3-3.8µm, and allows the measurement of multi-species mean concentrations along the line of sight, over a range of around a hundred meters. This instrument was implemented for simultaneous measurements of atmospheric methane and water vapour.The second instrument targets the green-house gases measurement from space applications. In this frame, a new multi-wavelengths and multi-species emitter was developed at 2 µm for space applications. We have demonstrated that this new emitter could address three species: carbon dioxide, water vapor and methane, and studied his potential for space-borne applications.. The architecture of a complete range-resolved instrument based on this transmitter was proposed. Moreover, a numerical algorithm was developed to estimate the instrument’s performances with a direct detection scheme.

La génération, propagation et la réception d’informations (bio/chimiques) entre les organismes individuels sont la clé de voûte de nombreux systèmes communicants intelligents et sont omniprésents dans la nature. Les colonies de lucioles synchronisent leurs flashs, et la contraction et l’expansion des muscles cardiaques sont quelques exemples parmi d’autres, où les signaux bio / chimiques générés par des sources synchronisées produisent un comportement coopératif. L’objectif final de cette thèse est de développer une plateforme fiable pour générer des réseaux de communication de liposomes, en encapsulant la réaction de Belousov-Zhabotinsky (BZ) en tant que source d’information ou un signal transmis, et d’étudier la dynamique d’un tel système. Pour atteindre cet objectif, plusieurs questions ont été abordées par une approche “bottom-up” et multi-échelle. Tout d’abord, nous avons étudié l’interaction entre des liposomes de DMPC dopés et non-dopés avec le cholestérol, l’acide myristique, tétradécylsulfate, tétradécylamine, et les espèces impliquées dans la reaction BZ en utilisant la diffusion de rayons X aux petits angles et par spectrophotométrie UV-visible. Des rangées 1D de micro-gouttelettes ont été fabriquées en encapsulant la réaction BZ en microgouttelettes au moyen de la microfluidique et la communication entre les gouttelettes adjacentes a été étudiée. Plus tard, nous avons démontré un système microfluidique facile à monter / démonter avec une conception robuste et une géométrie modulable pour générer des emulsions doubles d’eau dans l’huile dans l’eau (E/ H / O). Enfin, le comportement de ces doubles emulsions générées dans système microfluidique en utilisant des phosphoplipides comme tensioactif et du chloroforme comme phase huileuse, est rapporté. Nous avons montré, avec cette composition de la phase d’huile, que le comportement dynamique des émulsions doubles sous écoulement donne lieu à des phénomènes riches incluant la déformation et du “tip-streaming”. / Generation, propagation and reception of (bio/chemical) information between individual organisms are the keystone of many intelligent communicating systems, and are ubiquitous in Nature. Colonies of fireflies synchronize their flashes, and contraction and expansion of heart muscles are few examples among others, where bio/chemical signals generated by synchronized sources produce a cooperative behaviour. The final objective of this thesis is to develop a reliable platform for generating communicative networks of liposomes, encapsulating the Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaction as source of information or transmitted signals, and to study the dynamics of such a system. To reach this goal, several issues were addressed by following bottom-up and multi-scale approaches. First we investigated the interaction between both bulk DMPC liposomes, and liposomes doped with cholesterol, myristic acid, tetradecylsulfate, tetradecylamine, and the species involved in the BZ-reaction by using small angle X-ray scattering (SAXS) and UV-visible spectrophotometry. Than 1D arrays of micro-droplets were fabricated by encapsulating the BZ reaction into microdroplets by means of microfluidics, and the communication between adjacent droplets was studied. Later, we demonstrated an easy to assemble/disassemble and robust design for a microfluidic device with adjustable geometry, for generating monodisperse water-in-oil-in-water (w/o/w) double emulsions. Finally, the behavior of w/o/w double emulsions generated in a microfluidic device, using phospholipids as surfactant and chloroform as the oil phase, was reported. We showed, with this composition of the oil phase, that the dynamic behaviour of the double emulsions under flow gave rise to different phenomena, such as deformation and tip-streaming.

Les capteurs de type MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sont des microsystèmes mettant en œuvre différents domaines de la physique (électronique, mécanique, chimie, optique,...) et permettant de mesurer différentes grandeurs physiques (accélération, pression, température...). Parmi ces micro-capteurs, les MEMS vibrants se caractérisent par leur structure présentant un micro-résonateur mis en vibration à sa fréquence de résonance et la variation de cette fréquence est représentative du mesurande. Cette thèse s'intéresse principalement à analyser et identifier les limites de résolution fréquentielle de ces capteurs vibrants en effectuant une modélisation multiphysique. Dans un premier temps, nous avons modélisé le comportement multiphysique d'un capteur MEMS vibrant en détaillant trois types de transduction (piézoélectrique, électrostatique et optique). La seconde partie a permis de valider les équations développées en se basant sur les simulations sous Cadence (langage multiphysque Verilog-A) et en les validant par des mesures expérimentales. La dernière partie traite de l'optimisation d'un micro-accéléromètre de type VIA (Vibrating Inertial Accelerometer) et l'étude de l'annulation des non linéarités permettant d'améliorer la résolution d'un capteur MEMS vibrant / MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors are micro-systems implementing various fields of physics (electronical, mechanical, chemical, optical, ...) and measuring various physical quantities (acceleration, pressure, temperature ...). The vibrating MEMS are characterized by a micro-resonator vibrating at its resonant frequency. The frequency variation is proportional to the measurand. This thesis is concerned with analyzing and identifying the frequency resolution limits of these vibrating sensors by performing multiphysics modeling. The first step is to model the multiphysics behavior of a vibrating MEMS sensor with three transduction types (piezoelectrical, electrostatical and optical). Secondly, the equations developed are validated, based on simulations with Cadence (multiphysique language Verilog-A) and their comparaison with experimental measurements. The last section presents the micro-accelerometer VIA (Vibrating Inertial Accelerometer) optimization and the nonlinearities cancellation study for improving the resolution of vibrating MEMS sensor

Les fonctions génératrices des coefficients de Clebsch Gordan pour la superalgèbre de Lie osp(1|2) sont dérivées en utilisant deux approches. Une première approche généralise une méthode proposée par Granovskii et Zhedanov pour l'appliquer dans le cas de osp(1|2), une algèbre dont le coproduit est torsadé. Une seconde approche repose sur la réalisation de osp(1|2) en tant qu'algèbre dynamique d'un oscillateur parabosonique et utilise une équivalence dans cette réalisation entre le changements de coordonnées polaires à cartésiennes et le problème de Clebsch-Gordan. Un chapitre moins formel précède ces dérivations et présente comment le problème de Clebsch-Gordan s'interprète en tant que réalisation d'une algèbre de fusion. La notion abstraite de fusion est introduite, soulignant son importance en physique, pour en venir au cas particulier du problème de Clebsch-Gordan. Un survol du cas de l'algèbre osp(1|2) et de ses utilisations en physique mathématique conclut ce chapitre. / The generating functions for the osp(1|2) Lie superalgebra Clebsch-Gordan coefficients are derived using two approaches. The first one consists of generalizing a method first proposed by Granovskii and Zhedanov to apply it to the case of osp(1|2), an algebra with a twisted coproduct. The second one is based on the realization of the osp(1|2) as the dynamical algebra for a parabosonic oscillator and used an equivalence in this realization between a change of basis from polar to cartesian coordinates and the Clebsch-Gordan problem. A less formal chapter precedes those derivations and present how the Clebsch-Gordan problem can be interpreted as a realization of a fusion algebra. The abstract notion of fusion is introduced, mentionning its importance in physics, and leads to the particular case of the Clebsch-Gordan problem. A brief review of the problem for the osp(1|2) algebra and its uses in mathematical physics concludes this chapter.