Dans le cadre des communications numériques sans fil, la vitesse d'échange de données (débit) reste toujours une des caractéristiques qui limite la performance du système. Une diminution des temps d¿échange est donc nécessaire pour l'amélioration de la performance et l'introduction des nouvelles applications. Des applications comme " Wireless HD " rendent possible la transmission sans fil de vidéo non-compressée " à haute définition (débit = 4 Gbps) " Kiosk Downloading " permettrait l'échange de données à haut débit (1-2 Gbps) sur une courte portée (1 -2 mts). Pour atteindre ce débit, la bande autour de 60 GHz est donc visée pour profiter de ses 7 GHz de bande passante disponibles. Dans le cadre du projet PANAMA, un intérêt spécial est aussi donné à l'efficacité du système transmetteur (Amplificateur de Puissance et Antenne) et ce sera donc un autre axe de notre recherche : l'étude des stratégies pour l'amélioration du rendement énergétique global. On se concentrera surtout sur la connexion PA ' Antenne qui donnera lieu aux stratégies de co-intégration et de co-conception. Plusieurs problématiques doivent être confrontées : la co-simulation (actif et passif) ainsi que la mesure des antennes dans cette bande millimétrique. Cette haute fréquence introduit des limitations, notamment sur les performances de l'antenne. Ainsi le but de cette thèse est de proposer des solutions d'antennes qui remplissent les besoins de l'application (solutions basée sur le résonateur diélectrique). La solution complète des systèmes intégrés doit comprendre également des solutions encapsulées ( "packaged " ), sujet aussi abordé dans ce travail.

Les progrès technologiques dans le domaine de l'électronique permettent de fabriquer des composants de plus en plus petits. Avec leur miniaturisation, ces composants offrent des propriétés physiques différentes qui peuvent faire émerger de nouvelles fonctionnalités. C'est le domaine communément appelé " more than Moore ". Ce travail propose de concevoir à partir des techniques de lithographie électronique un composant capable de détecter la présence d'une espèce, même en très faible quantité. La détection se fait par la mesure de la variation de fréquence d'un résonateur mécanique, suite à l'accrétion de l'espèce sur celui-ci. La conversion mécano-électrique du signal exploite les propriétés piézorésistives du silicium. La faisabilité concernant l'intégration de ce composant sensible dans une architecture électronique visant à la fabrication d'un capteur commercialisable est ensuite étudiée. Un modèle linéaire de tous les étages élémentaires de l'architecture permet d'agencer ceux-ci dans une boucle d'auto-oscillation. Les principaux phénomènes de bruit sont aussi inclus dans le modèle afin de prédire les performances du capteur. Ces performances sont ensuite comparées à une architecture similaire utilisant une détection capacitive. Enfin, l'impact des non linéarités sur les performances est évalué.

Ces travaux de thèse portent principalement sur la génération de signal d'horloge haute fréquence. Dans un premier temps, la faisabilité d'un oscillateur à base de BAW y est démontrée par la conception d'un circuit en technologie CMOS 65 nm. Les deux principales innovations sont les performances en terme de stabilité (bruit de phase de -128dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) et en précision (implémentation d'une banque de capacités ayant un pas de 0.4ppm) de l'oscillateur. Sa consommation est optimisée (0.9mW). Il est suivi d'un diviseur faible bruit (-140dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) délivrant un signal à 500MHz. Dans un second temps, les imperfections des résonateurs BAW sont analysées. Une procédure de calibration comprenant une calibration initiale et une calibration en boucle ouverte est alors proposée. Cette dernière repose sur l'identification et l'utilisation d'un modèle comportemental du dispositif, régulièrement mis à jour grâce à un filtre de Kalman. Une précision de 0.4 ppm est atteinte

Au cours de ces dernières années, le développement des capteurs de gaz a connu un essor grandissant pour des applications industrielles, militaires et environnementales afin d’assurer la sécurité et la protection contre les gaz nocifs et toxiques. Ces applications demandent des capteurs sensibles, sélectifs, à faible consommation d’énergie et à faible coût. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit, s’inscrit dans ce contexte. Il a pour objectif la réalisation d’un capteur hyperfréquence à base de nanotubes de carbone et fabriqué par technologie jet d’encre. Le principe de fonctionnement du capteur repose sur la caractérisation en fréquence d’un résonateur RF, dont un élément est sensible grâce aux nanotubes de carbone, à la présence d’un gaz environnant. Le manuscrit aborde l’ensemble des étapes nécessaires à la réalisation du capteur, à savoir : la conception des dispositifs de test, s’appuyant sur une étude théorique de leur comportement, la caractérisation des matériaux utilisées, la fabrication sur un substrat flexible par une technique d’impression jet d’encre et enfin la caractérisation du capteur de gaz en termes de comportement en fréquence et de sensibilité en présence de gaz. / In recent years, the development of gas sensors has grown rapidly for industrial, military and environmental applications to ensure safety and protection against harmful and toxic gases. These applications require sensitive, selective, low power and low cost sensors. The thesis work presented in this manuscript fits into this context. Its objective is the realization of a microwave sensor based on carbon nanotubes and manufactured by inkjet technology. The operating principle of the sensor is based on the frequency characterization of an RF resonator, one element of which is sensitive, thanks to the carbon nanotubes, to the presence of a surrounding gas. The manuscript addresses all the steps necessary for the realization of the sensor, namely: the design of the test devices, based on a theoretical study of their behavior, the characterization of the materials used, the fabrication on a flexible substrate by inkjet printing technique and finally the characterization of the gas sensor in terms of frequency behavior and sensitivity in the presence of gas.

Les circuits quantiques supraconducteurs sont étudiés dans de nombreux laboratoires. Ces recherches ont pour objectif de pouvoir construire et coupler plusieurs bits quantiques supraconducteurs pour le traitement de l'information quantique. La description théorique de ces circuits repose sur la dynamique couplée des différences de phase supraconductrice aux jonctions Josephson et des degrés de liberté associés à l’environnement électromagnétique. Cette dynamique non-linéaire a été très étudiée dans le régime classique. Les effets quantiques ont été abordés par des théories de perturbation supposant que certains degrés de liberté sont thermalisés. En revanche, il existe peu de résultats sur la dynamique quantique couplée dans un régime non perturbatif. Le but du projet de thèse sera de décrire le crossover entre les régimes classique et quantique dans le cas d’une jonction Josephson en série avec un résonateur électromagnétique. Pour cela, le candidat étudiera les équations maîtresses pour ce système par des méthodes analytiques et numériques. L’objectif à plus long terme sera de comprendre comment générer et manipuler des photons grâce au contrôle électrique résolu en temps de ces circuits. / Superconducting quantum circuits are currently investigated in many labs. An important goal of this research is to build and couple several superconducting quantum bits for quantum information processing. The theoretical description of these circuits is based on the coupled dynamics of the superconducting phase differences at the Josephson junctions and the degrees of freedom of the surrounding electromagnetic environment. This nonlinear dynamics has been much studied in the classical regime. Quantum effects have been considered by perturbative methods, assuming that some degrees of freedom are thermalized. In contrast, the coupled quantum dynamics was largely unexplored in a non-perturbative regime. The goal of the trainee will be to describe the crossover between the classical and quantum regimes in the case of a single Josephson junction coupled to an electromagnetic resonator. For this, the candidate will study the master equations for this system with analytical and numerical methods. In the long term, the aim will be to understand how to generate and manipulate photons thanks to time-resolved electric control of the circuit.

Le bruit généré dans la zone de contact entre un pneumatique et une route peut être amplifié par des dièdres constitués des surfaces du pneumatique et la route. Cette étude est consacrée à l'optimisation et à la conception de bandes de roulement et de textures de la route pour réduire l'amplification de l'effet dièdre sur la base de l'annulation de sons. Les bandes de roulement et les textures de la route peuvent être considérées comme deux réseaux dans la zone de contact. Les surfaces du pneumatique et de la route peuvent être considérées comme des baffles. Un modèle de réseau à baffle est constitué pour le système pneumatique / chaussée, et des procédés de couplage multi-domaines sont développés pour le calcul des champs acoustiques autour des réseaux à baffles. Avec ce modèle, la réduction des amplifications de l'effet dièdre par les réseaux peut être estimée. Étant donné que les réductions sont autour des fréquences de résonance de l'air à l'intérieur des réseaux, des méthodes numériques simples pour estimer les fréquences de résonance sont développées. Afin de concevoir des réseaux pour obtenir les fréquences de résonance recherchées, une méthode d'optimisation sur la base des algorithmes génétiques est proposée. Les méthodes d'estimation des fréquences de résonance sont validées avec des mesures. Les méthodes d'optimisation et le modèle des réseaux bafflés sont également vérifiées par les expériences. Une structure avec un cylindre en bois et une feuille de contreplaqué est construite pour les validations. Un vrai pneumatique sur une feuille de contreplaqué est également mesuré et calculé avec les méthodes proposées. Les bandes de roulement sont optimisées avec les méthodes proposées. Plusieurs réductions des amplifications de l'effet dièdre peuvent être vues et sont estimées avec les méthodes de couplage multi-domaines. La dimension des motifs de texture de la route est également étudiée afin de trouver les réductions maximales des amplifications / The noise generated in the contact zone between a tire and a road can be amplified by horns constituted of the surfaces of the tire and the road. This study is devoted to the optimization and the design of tire treads and road textures for reducing the amplification of horn effect based on the sound cancellation. The tire treads and the road textures can be considered as two dimensional networks in the contact zone. The surfaces of the tire and the road can be seen as flanges. A model of flanged networks is established for the tire/road system, and multi-domain coupling methods are developed for the calculation of the acoustic fields around the flanged networks. With this model the reductions of the amplifications of horn effect by the networks can be estimated. Since the reductions are around the resonant frequencies of air inside the networks, simple numerical methods for estimating the resonant frequencies are developed. In order to design the networks to get wanted resonant frequencies, an optimization method based on genetic algorithms is proposed. The methods for estimating the resonant frequencies are validated with measurements. The optimization methods and the model of the flanged networks are also proved to be effective by the experiments. The wooden networks between a wooden cylinder and a sheet of plywood are built for the validation. A real tire on a sheet of plywood is also measured and calculated with the proposed methods. Last the tire treads are optimized with the optimization methods. Multiple reductions of the amplifications of horn effect can be seen and are estimated with the multi-domain coupling methods. The road brick dimension is also investigated in order to find the maximum reductions of the amplifications

Dans ce manuscrit, nous présentons le développement d'un résonateur optimisé pour observer des effets quantiques du couplage entre un resonateur mécanique et le champ electromagnétique via la pression de radiation. Celui-ci doit combiner une réflectivité élevée, une faible masse, ainsi qu'un facteur de qualité mécanique élevé. Le résonateur consiste en une membrane suspendue de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur, et de quelques dizaines de microns de côté, présentant une réflectivité importante grâce à l'utilisation de cristaux photoniques. Après une étude détaillée de la physique d'un cristal photonique en incidence normale, nous présentons les résultats expérimentaux, en bon accord avec des simulations optiques, notamment lorsque la membrane est utilisée comme miroir de fond d’une cavité Fabry-Perot. Dans un second point, nous passons en revue les mécanismes d'amortissement mécanique à l’œuvre dans les micro-résonateurs. Nous montrons ensuite comment l'introduction de contraintes peut améliorer leur facteur de qualité. Nous finissons la caractérisation mécanique par l'étude de non-linéarités apparaissant lors des grandes amplitudes de mouvement. Puis nous présentons le montage expérimental permettant l'observation du bruit thermique de ces resonateurs. Celui-ci a également permis d'obtenir des résultats préliminaires sur le refroidissement de leur bruit thermique par friction froide et par effet photothermique. Enfin, nous présentons le développement d’un système de couplage capacitif entre la membrane et un circuit électrique, constituant la première étape de la réalisation d’un transducteur optomécanique entre photons optiques et micro-ondes. / The field of optomechanic consists in studying the coupling induce by the radiation pressure between a mechanical resonator and a light field, it has expended over the last fifteen years. In this memoir we present the developpement of a resonator optimised to observe quantum effect of the optomechanical coupling. On the one hand, it has to combine a high reflectivity and a low mass to enhance its coupling with the light field. On the other hand it should exhibit high mechanical quality factor in order to minimize its interaction with the environment. This resonator is a suspended membrane, whose thickness is about hundreds of nanometers, and whose reflectivity is achieved thanks to a photonic crystal. After a study of the photonic crystal physic in normal incidence, we present the experimental results including those in the end mirror of a Fabry-Pérot cavity configuration, which are in good agreement with the optical simulations. In a second point, we list the dissipation mechanisms in micro-resonator. Then we show how the stress introduction in such resonators can improve the quality factor. We finish the mechanical characterisation by studying mechanical non-linearities which appears in the case of large amplitude of motion. Then we present the experimental set-up developed to observe the thermal noise of the resonators. We also obtain some preliminary results about the cooling of the thermal noise using active cooling and photothermal effect. Last we present the development of a capacitive coupling between the membrane and a electrical circuit. This device is the first step toward the realisation of an optomechanical transducer between optical and micro-wave photons.

Ces travaux portent sur l'insertion de résonateurs en anneau de silicium dans des boucles d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) pour la génération de signaux micro-ondes à faible bruit de phase et constituent une contribution à la future intégration complète des systèmes OEO en photonique silicium. L'orientation de l'application qui a été explorée a été d'évaluer la performance de ces systèmes pour la détection de variations d’indice optique en volume. Deux configurations différentes de résonateurs en anneau de silicium à base d'OEO ont été proposées et démontrées : des OEO à base de résonateurs en anneau silicium millimétriques et des OEO accordables à base d’anneaux plus compacts et d'un schéma spécifique de réinjection de porteuse optique.Dans la première approche, le signal optique est utilisé comme porteuse optique, qui est modulée par un modulateur d'intensité qui produit un ensemble de deux bandes latérales dans le domaine optique, tandis que le résonateur en anneau génère un peigne optique qui agit comme un filtre optique, transposant son intervalle spectral libre (ISL) dans le domaine micro-onde. Par le battement des deux raies optiques adjacentes dans un photodétecteur, l’information est ainsi traduite dans le domaine RF. La contribution de notre travail a été de démontrer que la réalisation de résonateurs millimétriques (environ 6mm) en photonique silicium était une approche viable et intéressante pour la réalisation directe d'OEO. Dans les configurations étudiées, les résonateurs en anneau SOI ont été optimisés pour satisfaire la cible requise d'un ISL d’environ 15 GHz et un facteur de qualité optique supérieur à 10^5. Les résultats expérimentaux obtenus ont démontré la viabilité et la stabilité de l'approche proposée, tandis qu’un niveau de bruit de phase de -100dBc/Hz à un décalage de 100 kHz par rapport à la porteuse et une capacité de détection du système d’environ 3,72 GHz/RIU ont été quantifiés pour une variation de l'indice de réfraction comprise entre 1,572 et 1,688, en bon accord avec les résultats des simulations.En complément de cette première étape, nous avons abordé la question très importante de l'accordabilité de la fréquence du signal hyperfréquence généré. À cette fin, nous avons proposé, conçu, puis développé et testé une configuration d’OEO originale, basée sur l'utilisation d'une seule bande de modulation et d'un mécanisme de réinjection de la porteuse optique du laser de la boucle. Dans ce schéma, le signal oscillant est créé par le battement entre le faisceau laser et une bande latérale unique du signal de modulation sélectionnée par un résonateur en anneau. Dans l'implémentation que nous avons réalisée, un résonateur photonique SOI avec un ISL de 77 GHz et un facteur de qualité optique à 8,1×10^4 a été utilisé. En modifiant la fréquence du laser tout en conservant une longueur d'onde de résonance du résonateur fixe, une accordabilité de 5,8 GHz à 18,2 GHz a été démontrée, qui est seulement limitée par le fonctionnement de l'amplificateur RF utilisé dans les expériences réalisées. Parallèlement, un niveau de bruit de phase de -115 dBc/Hz à une fréquence de décalage de 1 MHz a été obtenu pour tous les signaux générés, démontrant la possibilité de créer des fréquences d'oscillation élevées avec le même niveau de bruit de phase. Nous avons ensuite appliqué cette approche à la détection de l'indice de réfraction en volume et démontré une sensibilité de détection de 94350 GHz/RIU et une limite de détection d'indice de 10^-8 RIU. Au-delà de ces résultats expérimentaux, l'apport de cette seconde approche apporte une solution simple et flexible au problème de la génération de signaux hyperfréquences à fréquences variables à la demande, et ouvre des perspectives d'application très riches.Tous les résultats de la thèse contribuent à la question de l'intégration des OEO sur puces silicium et permettent d'anticiper diverses applications dans le domaine des communications et des capteurs. / This work focuses on the insertion of silicon ring resonators into the loops of optoelectronic oscillators (OEO) for the generation of low phase noise microwave signals and is a contribution to the future full integration of OEO systems on single silicon chips. The application orientation that was explored was to evaluate the performance of these systems for bulk optical index detection. Two different configurations of silicon ring resonators based OEO have been proposed and demonstrated: OEO based on millimeter-long silicon ring resonators and tunable OEO based on more compact silicon ring resonators and a specific optical carrier reinjection scheme.In the first approach, the optical signal is used as an optical carrier, which is modulated by an intensity modulator that produces a set of sidebands in the optical domain, while the ring resonator generates an optical comb that acts as an optical filter, translating its Free Spectral Range (FSR) into the microwave domain. By the beating of two adjacent optical comb lines in a photodetector, the optical spectral lines are then translated into the RF domain. The contribution of our work has been to demonstrate that the realization of millimeter resonators (about 6mm) in silicon photonics was a viable and interesting approach for the direct realization of OEO. In the investigated configurations, SOI ring resonators were optimized to satisfy the required target of a FSR of around 15GHz and an optical quality factor above 10^5. The demonstrated experimental results showed the viability and the stability of the proposed approach, while phase noise level of -100dBc/Hz at an offset of 100 kHz from carrier was obtained and sensing capability of the studied system was quantified to around 3.72 GHz/RIU for a refractive index variation in the range of 1.572 to 1.688, in good agreement with simulation results.In a complementary direction to this first step, we addressed the very important issue of the tunability of the frequency of the microwave signal generated. To this end, we proposed, designed, and then developed and tested an original OEO configuration based on the use of a single modulation band and a mechanism for reinjection of the optical carrier from the loop laser. In this scheme, the oscillation signal is created under the beating between the laser light beam and a single modulation signal sideband selected by an add-drop ring resonator working as an effective optical bandpass filter. In the implementation we have carried out, a SOI photonic resonator with a FSR of 77 GHz and an optical quality factor at 8.1×10^4 was used. By changing the laser frequency while keeping a fixed resonator resonance wavelength, a tunability from 5.8GHz to 18.2GHz was demonstrated, being only limited by the working operation of the RF amplifier used in the carried out experiments. Meanwhile, a phase noise level of -115 dBc/Hz at 1MHz offset frequency was obtained for all generated signals, showing the possibility of creating high oscillation frequencies with the same phase noise level. We then applied this approach for bulk refractive index sensing application and demonstrated a sensing sensitivity of 94350GHz/RIU and an index limit of detection of 10^-8 RIU by considering a signal resolution of 1MHz. Beyond these experimental results, the contribution of this second approach provides a simple and flexible solution to the problem of generating microwave signals with variable frequencies on demand, and opens up very rich application perspectives.All the results of the thesis contribute to the question of the integration of OEOs on silicon chips and make it possible to anticipate various applications in the field of communications and sensors.

L'essor du marché des MicroSystèmes ElectroMécaniques (MEMS : MicroElectroMechanial Systems) durant les deux dernières décennies s'est accompagné d'efforts de recherche soutenus pour élargir leurs champs d'application. Employés comme capteurs gravimétriques, des microstructures vibrant à la résonance permettent une détection ultrasensible pouvant aller jusqu'à la masse d'un seul proton pour les plus ultimes d'entre elles. Les capteurs MEMS gravimétriques fonctionnalisés apparaissent alors comme une alternative sans marquage aux technologies existantes de détection d'analytes chimiques et biologiques. Leur résolution est exacerbée par la réduction en taille, et un des principaux enjeux au développement de tels capteurs miniaturisés provient de la capacité à réaliser des moyens de transduction électromécanique - actionnement et détection électriques du mouvement mécanique - robustes et intégrés. Ces travaux de thèse présentent l'étude de la transduction diélectrique appliquée à la mise en vibration de microleviers et son intégration dans le cadre d'un procédé de fabrication collective sur silicium. L'efficacité de ce moyen de transduction est fortement liée à l'épaisseur et à la permittivité de la couche diélectrique employée et tire avantageusement partie de l'utilisation de matériaux à haute permittivité (" High-K ") en films d'épaisseur nanométrique. Dans les travaux présentés, trois matériaux diélectriques ont été étudiés : le nitrure de silicium faiblement contraint, l'alumine et l'oxyde d'hafnium. Ils ont été intégrés comme couche d'actionnement sur des microleviers de silicium. Les résultats obtenus démontrent la capacité d'actionnement des microstructures en utilisant ces couches diélectriques et également la possibilité d'effectuer simultanément actionnement et détection électrique sur un seul et même transducteur. Les perspectives ouvertes par ce travail concernent l'amélioration de la qualité des films minces employés et l'exploitation de matériaux de permittivité plus élevée. Ils forment un pas de plus vers des systèmes de détection fonctionnels intégrant reconnaissance chimique et premier étage de traitement du signal. / Since two decades now, microscopic electronic devices including moving parts, called MicroElectroMechanical Systems (MEMS) have had a growing impact on industry and daily lives. Their range of application is already wide: from actuators (inkjet print heads, digital cinema projectors, etc.) to mechanical sensors (microphones, accelerometers, etc.). There is a growing research effort in the biosensing field as well. One of the main challenges for this application is to integrate a miniaturized and robust element to a vibrating beam-like structure, in order to achieve electromechanical actuation and detection, i.e. to convert an electrical signal into vibration and vice versa. In this work, we studied the integration of three dielectric materials on silicon microcantilevers, and successfully demonstrated the feasibility of simultaneous flexural actuation and detection of the structures by mean of dielectric transduction. Those results are one step forward the elaboration of mature detection systems.

The scope of this thesis is to propose solutions to improve the performances of the CMOS transistor only simulated inductors (TOSI) aiming RF filtering applications. We are interested in TOSI architectures because they prove better performances than the classical gm–C filters, being superior with respect to the number of transistors, power consumption, frequency capability and chip area. Furthermore, TOSI architectures have many potential applications in RF design. In the general context of the multi–standard trend followed by wireless transceivers, TOSI based RF filters may offer the possibility of implementing reconfigurable devices. However, satisfying the telecommunications requirements is not an easy task therefore high order TOSI based filters should be implemented. Consequently, using good second order TOSI cells is a matter of the utmost importance and we propose a novel quality factor tuning principle which offers an almost independent tuning of self resonant frequency and quality factor for simulated inductors. An improved TOSI architecture with increased frequency capability is also reported.