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. / The PhD project focuses on micro or nanomechanical resonators and their surrounding electronics environment. Mechanical components are employed to sense masses in the attogram range (10−18 g) or extremely low gas concentrations. The components can then be implemented in arrays in order to construct cutting-edge mass spectrometers or gas chromatographs. To reach the necessary resolutions, a harmonic detection of resonance technique is employed that measures the shift of the resonant frequency of a tiny mechanical structure due to an added mass or a gas adsorption. The need of shrinking the resonator's dimensions to enhance the sensitivity also reduces the signal delivered by the component. The resonator low output signal requires employing new electromechanical resonator topologies and electronic architectures that minimize the noise, the parasitic couplings and that can be implemented in arrays.

Ces dernières années les bandes de fréquence millimétriques et térahertz (THz) on tmontrées un fort potentiel pour de nombreuses applications telles que l’imagerie médicale et ,biologique, le contrôle de qualité ou les communications à très haut débit. Les principales raisons de cet intérêt sont les nombreuses propriétés intéressantes des ondes THz et millimétriques, telles que leur capacité traverser la matière et ceci de manière inoffensive ou le large spectre disponible à ces fréquences. Les applications visées nécessitent des sources de signaux énergétiquement efficaces, à forte puissance de sortie et, pour certaines applications, à faible bruit de phase. De plus, la demande croissante pour des applications dans ces bandes de fréquence imposent l’utilisation de technologie de hautes performances à coût métrisé et permettant une intégration à très grande échelle, telle que la technologie28nm CMOS FD-SOI. Dans ce contexte, cette thèse propose une solution innovante pour la génération de fréquence millimétrique et THz en technologie CMOS : l’oscillateur distribué verrouillé par injection. Les travaux présentés dans ce manuscrit englobent l’analyse détaillé de l’état de l’art et de ses limites, l’étude théorique approfondie de la solution proposée pour une intégration en ondes millimétriques, le développement d’une méthodologie de conception spécifique en technologie CMOS ainsi que la conception de démonstrateurs technologique. Les différents oscillateurs intégrés en technologie 28nm FDSOI et opérant à des fréquences respectivement de 134 GHz et 200 GHz ont permis de démontrer la faisabilité de sources de signaux millimétrique et THz, à forte efficacité énergétique, forte puissance de sortie et faible bruit de phase en technologie CMOS à très grande échelle d’intégration. Enfin, la capacité de verrouillage par injection de tels oscillateurs distribués a été démontrée expérimentalement ouvrant la voie à de futurs systèmes THz totalement intégrés sur silicium. Les solutions intégrées démontrées dans cette thèse ont, à l’heure actuelle, la plus grande fréquence d’oscillation dans un noeud Silicium 28nm CMOS. / In recent years, millimeter-wave (mm-wave) and terahertz (THz) frequency bands haverevealed a great potential for many applications such as medical and biological imaging,quality control, and very-high-speed communications. The main reasons for this interestare the many interesting properties of THz and millimeter waves, such as their ability toharmlessly penetrate through matter or the broad spectrum available at these frequencies.Targeted applications require energy efficient signal sources with high power outputand, for some applications, low phase noise. In addition, the increasing demand in mmwave/THz applications requires the use of a cost-optimized, high-performance, and verylarge scale integration (VLSI) technologies, such as the 28nm CMOS FD-SOI technology.In this context, this thesis proposes an innovative solution for mm-wave and THz frequencygeneration in CMOS technology: the injection locked distributed oscillator (ILDO). Thework presented in this manuscript includes the detailed analysis of the state-of-the-artand its limitations, the detailed theoretical study of the proposed millimeter-waves bandsolution, the development of a specific design methodology in CMOS technology as well asthe design of technological demonstrators. The several 28nm FDSOI integrated distributedoscillators at 134 GHz and respectively 200 GHz have demonstrated the feasibility ofmm-wave and THz signal sources with high-energy efficiency, high output power, and lowphase noise in a VLSI CMOS technology. Finally, the injection locking capability of suchdistributed oscillators has been demonstrated experimentally paving the way for a futuresilicon-based fully integrated THz systems. The proposed circuits are as of today thehighest oscillation frequency solutions demonstrated in a 28nm CMOS Silicon technology.

L'objectif de cette thèse est de proposer des solutions pour améliorer les performances des transmissions des terminaux mobiles à haut débits, faibles coûts et faible consommation. En effet, l'augmentation des débits implique que les canaux de transmission soient de plus en plus difficiles, rendant la tâche des récepteurs plus ardue. Nous nous intéressons aux systèmes MultiBandes OFDM car ils soumettent la porteuse à un algorithme de saut de fréquence, et permettent ainsi de disposer d'une grande diversité fréquentielle. Dans ce contexte, nous proposons dans une première partie des égaliseurs de canaux optimaux au sens des moindres carrés tirant profit de la diversité fréquentielle afin d'améliorer d'une manière significative les performances des systèmes<br>OFDM pour des canaux très difficiles. Dans la seconde partie de ce travail, nous proposons un synthétiseur de fréquence agile sur 14 bandes dont les composants ont été optimisés afin de rendre sa réalisation la moins complexe possible et qui répondent aux exigences des systèmes MultiBandes en termes de temps de commutation, de bruit de phase et de pureté spectrale. Ce nouveau type de synthétiseur de fréquences rend inévitable le déséquilibre entre les voies I et Q de l'émetteur et/ou du récepteur. La troisième partie de ce travail consiste à proposer des algorithmes originaux permettant conjointement d'égaliser le canal et de compenser numériquement le déséquilibre IQ. Ces traitements valables pour tout système OFDM permettent de relâcher les contraintes de la partie analogique.

Les structures dites « offshores » vibrent sous l'effet des courants marins. Ces vibrations, induites par le détachement périodique de tourbillons dans le sillage de la structure (d'où le nom vibrations induites par vortex), endommagent par fatigue les câbles et les éléments de tuyauteries qui relient à la plateforme d'exploitation les têtes de puits de pétrole situés au niveau du sol marin. Une compréhension du comportement dynamique de ces structures sous l'effet du détachement tourbillonnaire est donc essentielle à l'étape de design. A l'intérieur de cette thèse, nous démontrons qu'en utilisant le concept d'oscillateur fluide et stabilité linéaire, on peut comprendre et reproduire de façon qualitative les caractéristiques principales des VIV sur les structures élancées en écoulements uniformes et non uniformes. Les arguments justifiant l'utilisation de la méthode de modélisation choisie sont présentés au deuxième chapitre. Les troisième et quatrième chapitres sont respectivement dédiés aux écoulements uniformes et non uniformes. Dans les deux cas, la théorie est développée à partir d'une analyse de stabilité linéaire des systèmes d'ondes structure-sillage. La méthodologie proposée constitue un outil de design efficace, puisqu'il permet la connaissance de la dynamique de configurations complexes et que son coût en terme de temps de calcul est très faible.

(Thèse en anglais) Nous présentons deux expériences qui mettent en évidence une réduction du bruit d'intensité de la lumière en dessous de la limite quantique normale. Dans la première expérience, nous avons mettons en évidence une réduction de 86 % dans le bruit mesuré sur la différence entre les intensités des deux faisceaux "jumeaux" produits par un Oscillateur Paramétrique Optique. Dans la seconde expérience, nous exploitons cette corrélation d'intensité entre les faisceaux jumeaux : la mesure de l'intensité d'un des faisceaux jumeaux est utilisée pour réduire les fluctuations d'intensité de l'autre faisceau par une méthode de correction électro-optique. Nous avons ainsi obtenu un seul faisceau dont le bruit d'intensité est réduit de 24% en dessous du bruit quantique normal, ou bruit de grenaille. Nous présentons en outre une analyse théorique générale pour les deux expériences, en faisant appel à un modèle semi-classique de type entrée-sortie : sont étudiées successivement des configurations dans lesquelles la correction est appliquée directement sur l'autre faisceau (correction en aval), ou indirectement sur le laser de pompe (correction en amont). Nous calculons la réduction de bruit maximale qui peut être obtenue par de tels systèmes d'asservissement et détaillons les limites imposées par les contraintes de causalité et de stabilité. Pour terminer, nous démontrons l'équivalence, dans la limite des petites fluctuations, entre le modèle semiclassique et un modèle "corpusculaire" de description des photons. Une simulation numérique de type Monte-Carlo corrobore ce résultat.

Une source de lumière comporte des bruits d'origine classique (dus aux vibrations mécaniques, aux fluctuations thermiques...) qu'il est en principe toujours possible d'éliminer et un bruit d'origine spécifiquement quantique lié à la nature corpusculaire de la lumière. Ce bruit de photon appelé aussi bruit quantique standard ou bruit de grenaille a longtemps été considéré comme une limite infranchissable pour la sensibilité des mesures optiques. On sait maintenant qu'il existe des états du champ électromagnétique qui permettent de dépasser cette 'limite quantique standard'. Ces états comprimés du champ sont dans la plupart des cas créés par des effets d'optique non linéaire. En particulier, ils peuvent être produits par un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO).<br />Un OPO constitué par un cristal non-linéaire inséré dans une cavité optique, et excité par une onde pompe intense, génère par effet paramétrique deux nouvelles ondes dites signal et complémentaire. Il est possible de réduire sous le bruit quantique standard les fluctuations associées à ces trois ondes. En particulier, par interaction paramétrique, un photon de pompe est converti simultanément en un photon du signal et un photon du complémentaire. Un OPO génère ainsi des faisceaux corrélés temporellement au niveau quantique et appelés faisceaux jumeaux. De plus, lorsque la pompe est une onde plane, et que les fréquences du signal et complémentaire sont voisines, par l'interaction paramétrique signal et complémentaires sont émis symétriquement par rapport à la direction de propagation de la pompe et sont donc aussi corrélés spatialement au niveau quantique. <br />La réduction sous la limite quantique standard du bruit de l'onde pompe réfléchie par la cavité est une illustration des potentialités de compression de l'OPO. Celle-ci a été mise en évidence dans un OPO fonctionnant avec un cristal à quasi accord de phase et émettant des faisceaux à une longueur d'onde voisine de 2Μm. Les faisceaux jumeaux constituent un autre exemple de faisceaux non-classiques émis par l'OPO. Ils peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité ultime de certaines mesures. En particulier, la corrélation de faisceaux jumeaux a été exploitée pour réaliser une mesure d'absorption dans le rubidium avec une sensibilité non limitée par le bruit quantique standard. <br />Dans un OPO dégénéré en modes transverses, pour lequel l'émission est multimode, la compression des fluctuations peut s'observer en théorie à l'échelle locale en ne mesurant le bruit que sur une partie du faisceau. De plus un tel OPO doit permettre d'observer des corrélations quantiques spatiales entre différentes parties des faisceaux. Expérimentalement, il a été montré que dans un OPO confocal, l'émission, multimode, possède des corrélations locales. Des faisceaux possédant une corrélation quantique spatiale ont permis de mesurer le petit déplacement d'un faisceau avec une sensibilité supérieure à la limite quantique standard.

Dans cette thèse, on discute l'influence de l'environnement sur un petit système quantique à basse température dans le cadre d'un modèle très simple : un oscillateur harmonique ("la particule") couplé à un bain d'oscillateurs harmoniques ("l'environnement"). Tout d'abord, on étudie l'état d'équilibre du système total en utilisant la "méthode de la résolvante réduite", courante en théorie spectrale. Elle permet de calculer et de discuter sous un angle nouveau l'opérateur densité réduit de la particule, déjà connu. À basse température, la particule subit des effets thermiques effectifs résultant de son intrication avec l'environnement. Ensuite, toujours grâce à la méthode de la résolvante réduite, on étudie l'évolution quantique exacte de l'opérateur densité réduit de la particule : celui-ci converge vers l'état d'équilibre, malgré l'évolution unitaire du système total. Ces résultats se transposent naturellement aux circuits électriques quantiques. Avec le même formalisme on étudie le couplage capacitif d'un système mécanique (un oscillateur harmonique) à un environnement électrique (une résistance). Sur base de ces discussions, on propose un dispositif expérimental permettant d'étudier les effets d'un environnement électrique contrôlé sur une particule chargée. On montre que la longueur de cohérence spatiale de celle-ci est réduite à cause du couplage entre la particule et l'environnement : L'effet persiste même à basse température et il est d'autant plus important que le couplage avec l'environnement est fort.

Ce travail est une contribution à la conception de diviseurs de fréquence analogiques réalisés en technologie monolithique à base de transistors pseudomorphiques à haute mobilité électronique aux fréquences micro-ondes. Après avoir décrit les divers circuits existants en choisissant une classification originale selon les différents principes régissant la division de fréquence, nous développons une approche analytique basée sur des modèles simplifiés afin de trouver les paramètres essentiels du phénomène. Nous expérimentons également diverses méthodes d'analyse sur calculateur avec pour objectif le développement d'une approche méthodologique générale. Finalement, la méthode dite "de la boucle ouverte" est choisie pour la conception de circuits. Lors de son utilisation, il est à noter que des processus proches de cascades de bifurcations chaotiques sont observés. Une étude complémentaire présentée permet de vérifier qu'ils ne sont pas directement liés à la stabilité (physique) du dispositif. Ces travaux de modélisation sont pour la suite appliqués à la conception de deux diviseurs en technologie monolithique. Une large bande de synchronisation d'environ 30 % a été obtenue avec une topologie originale utilisant un transistor non polarisé sur le drain. Les résultats expérimentaux sont ensuite comparés aux simulations effectuées précédemment ainsi qu'aux performances déjà publiées sur des circuits de ce type. Enfin, une dernière partie est consacrée au bruit de phase dans les diviseurs de fréquences.

On étudie l'application de l'analyse continue en ondelettes à l'auscultation dynamique des structures à partir des réponses transitoires sous excitations imparfaitement connues (choc, ambiante...). L'outil numérique de la transformation continue en ondelettes est établi. Il est fondé sur l'ondelette mère (Morlet ou Cauchy) et sur un paramètre la caractérisant: le facteur Q de qualité du filtre. Il permet d'extraire les amplitudes et les fréquences instantanées contenues dans le signal. Un domaine du plan temps-fréquence où l'effet de bords est négligeable, et un encadrement de Q sont déterminés. Le traitement du signal réel modulé en amplitude et en fréquence par l'outil proposé facilite l'identification modale des structures (linéaires et non-linéaires) et permet une amélioration de la méthode impact-écho. Une procédure adaptée à chaque application est détaillée. Les résultats obtenus à partir des tests numériques et réels montrent l'efficacité de la méthode.

Actuellement, un besoin croissant de techniques de détection et de quantification des gaz se manifeste, que ce soit pour la caractérisation de polluants atmosphériques, pour le contrôle de la qualité de l'air intérieur ou encore pour des aspects de sécurité en milieu industriel. Pour répondre à cette problématique, nous avons développé et caractérisé une source optique compacte, nanoseconde, constituée d'une architecture innovante d'oscillateur paramétrique optique doublement résonant (Dropo). La compréhension du rôle de la phase relative des ondes en interaction a été primordiale pour maîtriser le contenu spectral émis par ce type de sources paramétriques. Au cours de ce travail nous avons abouti à la maîtrise de cette phase, et réalisé une nouvelle architecture, dite nested-cavity OPO (NesCOPO). Avec cette cavité originale, un contrôle achromatique de la phase relative est réalisé pour toute la bande de gain paramétrique, permettant de démontrer le façonnage de cette dernière. Nous avons ainsi mis en évidence deux modes de fonctionnement suivant que la bande de gain présente un lobe unique ou deux lobes séparés d'environ un térahertz. Dans la dernière configuration, une émission bifréquence de l'OPO a été démontrée. Dans la première configuration, une émission monofréquence a été obtenue de manière contrôlée. Cette nouvelle architecture d'OPO - NesCOPO - a ouvert la voie à de nouveaux types d'accord en fréquence, particulièrement intéressants pour des expériences de spectroscopie. En tirant parti de l'imbrication de deux cavités optiques, nous avons ainsi été en mesure de réaliser des balayages fréquentiels automatisés sur toute la bande de gain avec une résolution ajustable. Une autre technique de balayage, promettant des balayages sur plusieurs dizaines de cm-1, a conduit à une évolution de l'architecture du NesCOPO et a été brevetée. Afin de valider son potentiel pour des applications de spectroscopie, et tirant parti du seuil d'oscillation très bas (1 µJ), nous avons pu implanter le NesCOPO, pompé par microlaser, dans des instruments compacts de mesure de gaz locale (technique photoacoustique) et à distance.