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

Les produits issus des technologies Silicium tendent à exploiter au maximum les performancesdes transistors MOS tout en les soumettant à des profils de mission très agressifs du point de vuede la fiabilité. Les concepteurs sont ainsi à la recherche du meilleur compromis entre performanceet fiabilité.Historiquement, l’étude de la fiabilité du transistor MOS et le développement des modèlessous jacents ont été menés sur la base de contrainte de vieillissement statique. Avec le développementdes produits à hautes performances dans le domaine de la radiofréquence (RF), laquestion de la fiabilité pour ce type d’application se pose. Ainsi, une extension des modèles defiabilité doit être réalisée afin de quantifier le vieillissement des paramètres clés RF soumis àdes contraintes statiques mais également RF. C’est cette extension de la fiabilité des transistorsMOS dans le domaine RF qui constitue le sujet de ce travail de thèse.Dans ce manuscrit, le fonctionnement du transistor MOS est décrit et sa fiabilité est introduite.Les différents mécanismes de dégradation sont étudiés et leurs modèles associés décrits.Sont ensuite présentés un banc de mesure et une méthodologie nécessaire à l’étude du vieillissementdes transistors dans le domaine RF, ainsi qu’à l’extension des modèles de fiabilité audomaine RF. / Products using nowadays silicon technology are generally targeting aggressive specificationsand push the developers to determine the best compromise between performance and reliability.Main front-end degradation mechanisms are historically studied and modeled under static stressconditions and focus on the static MOS transistor parameters.With the development of product targeting high performances in the radio frequency (RF)domain, the reliability is becoming a first order concern. Thus an extension of the actual staticreliability models must be done to quantify the aging of key RF parameters under static andRF stress. In this context, this work focuses on the extension of the MOS transistor reliabilityregarding the study of RF parameters and also the application of RF stress.After describing the MOS transistor properties, the reliability aspect is introduced and theemphasis is put on the different degradation mechanisms and their associated models. Thisallows the development of an experimental setup and the required methodology to investigatethe device aging in the RF domain and to extend actual static models.

Cette thèse étudie le design et la conception d’un Goniomètre Radio Fréquence (GRF) visant à assister les services de secours à la personne (e.g. équipes de sauvetage déblaiement), exploitant les téléphones des victimes à retrouver comme des balises de détresse radio. La conception est focalisée sur une interface audio, utilisant le son pour guider progressivement les sauveteurs vers la victime. L’ambition de la thèse est d’exploiter les mécanismes naturels propres à l’audition humaine pour améliorer les performances générales du processus de recherche plutôt que de développer de nouvelles techniques d’Estimation de Direction de Source (EDS).Les techniques d’EDS classiques sont tout d’abord exposées, ainsi qu’une série d’outils permettant d’en évaluer les performances. Basée sur ces outils, une étude de cas est proposée visant à évaluer les performances attendues d’un GRF portable, adapté aux conditions d’emploi nominales envisagées. Il est montré que les performances des techniques dites « à haute résolution » généralement utilisées pour l’EDS sont sérieusement amoindries lorsqu’une contrainte de taille/poids maximum est imposée sur le réseau d’antennes associé au GRF, particulièrement en présence de multi-trajets de propagation entre le téléphone ciblé et le tableau d’antenne.Par la suite, une étude bibliographique concernant la sonification par encodage de paramètres (Parameter Mapping Sonification) est proposée. Plusieurs paradigmes de sonification sont considérés et évalués en rapport à leur capacité à transmettre une information issue de différents designs de GRF envisagés. Des tests d’écoute sont menés, suggérant qu’après une courte phase d’entrainement les sujets sont capables d’analyser plusieurs flux audio en parallèle ainsi que d’interpréter des informations de haut niveau encodées dans des flux sonores complexes. Lesdits tests ont permis de souligner le besoin d’une sonification du GRF basée sur une hiérarchie perceptive de l’information présentée, permettant aux débutants de focaliser leur attention sans efforts et uniquement sur les données les plus importantes. Une attention particulière est portée à l’ergonomie de l’interface sonore et à son impact sur l’acceptation et la confiance de l’opérateur vis-à-vis du GRF (e.g. en ce qui concerne la perception du bruit de mesure pendant l’utilisation du GRF pendant la navigation).Finalement, un prototype virtuel est proposé, simulant une navigation basée sur le GRF dans un environnement virtuel pour en évaluer les performances (e.g. paradigmes de sonification proposés plus haut). En parallèle, un prototype physique est assemblé afin d’évaluer la validité écologique du prototype virtuel. Le prototype physique est basé sur une architecture radio logicielle, permettant d’accélérer les phases de développement entre les différentes versions du design de GRF étudiées. L’ensemble des études engageant les prototypes virtuels et physiques sont menées en collaboration avec des professionnels des opérations de recherche à la personne. Les performances des designs de GRF proposés sont par la suite comparées à celles des solutions de recherche existantes (géo-stéréophone, équipes cynotechniques, etc.).Il est montré que, dans le contexte envisagé, un simple GRF basé sur la sonification en parallèle des signaux provenant de plusieurs antennes directionnelles peut offrir des performances de navigations comparables à celles résultantes de designs plus complexes basés sur des méthodes à haute résolution. Puisque l’objectif de la tâche est de progressivement localiser une cible, la pierre angulaire du système semble être la robustesse et la consistance de ses estimations plutôt que sa précision ponctuelle. Impliquer l’utilisateur dans le processus d’estimation permet d’éviter des situations critiques où ledit utilisateur se sentirait impuissant face à un système autonome (boîte noire) produisant des informations qui lui semblent incohérentes. / This research investigates the design of a radio Direction Finder (DF) for rescue operation using victims' cellphone as localization beacons. The conception is focused on an audio interface, using sound to progressively guide rescuers towards their target. The thesis' ambition is to exploit the natural mechanisms of human hearing to improve the global performance of the search process rather than to develop new Direction-Of-Arrival (DOA) estimation techniques.Classical DOA estimation techniques are introduced along with a range of tools to assess their efficiency. Based on these tools, a case study is proposed regarding the performance that might be expected from a lightweight DF design tailored to portable operation. It is shown that the performance of high-resolution techniques usually implemented for DOA estimation are seriously impacted by any size-constraint applied on the DF, particularly in multi-path propagation conditions.Subsequently, a review of interactive parameter mapping sonification is proposed. Various sonification paradigms are designed and assessed regarding their capacity to convey information related to different levels of DF outputs. Listening tests are conducted suggesting that trained subjects are capable of monitoring multiple audio streams and gather information from complex sounds. Said tests also indicate the need for a DF sonification that perceptively orders the presented information, for beginners to be able to effortlessly focus on the most important data only. Careful attention is given to sound aesthetic and how it impacts operators' acceptance and trust in the DF, particularly regarding the perception of measurement noise during the navigation.Finally, a virtual prototype is implemented that recreates DF-based navigation in a virtual environment to evaluate the proposed sonification mappings. In the meantime, a physical prototype is developed to assess the ecological validity of the virtual evaluations. Said prototype exploits a software defined radio architecture for rapid iteration through design implementations. The overall performance evaluation study is conducted in consultation with rescue services representatives and compared with their current search solutions.It is shown that, in this context, simple DF designs based on the parallel sonification of the output signal of several antennas may produce navigation performance comparable to these of more complex designs based on high-resolution methods. As the task objective is to progressively localize a target, the system's cornerstone appears to be the robustness and consistency of its estimations rather than its punctual accuracy. Involving operators in the estimation allows avoiding critical situations where one feels helpless when faced with an autonomous system producing non-sensical estimations. Virtual prototyping proved to be a sensible and efficient method to support this study, allowing for fast iterations through sonifications and DF designs implementations.

Les pièges radio-fréquences (rf) permettent de confiner des particules chargées (atomes ou molécules) dans un domaine restreint de l'espace. Alliés aux techniques de refroidissement laser, ils permettent l'étude et le contrôle de la matière au niveau atomique. Dans cette thèse sont présentés différents résultats obtenus au moyen de simulations numériques, utilisant la technique de la dynamique moléculaire. Cette thèse se compose de quatre parties. Une première partie rassemble les connaissances indispensables pour appréhender la dynamique des ions en pièges rf. La deuxième partie présente les résultats d'une étude sur l'influence du couplage coulombien sur le refroidissement laser Doppler d'un ensemble d'ions confinés en quadrupôle linéaire. La troisième partie s'intéresse aux propriétés des structures en anneau d'ions, obtenues à basse température au sein des multipôles linéaires d'ordres supérieurs au quadrupôle. Une dernière partie présente une proposition permettant l'obtention de sites supplémentaires où le champ rf s'annule dans les multipôles linéaires d'ordres supérieurs, offrant la possibilité d'obtenir des structures non soumises au forçage rf. / Radio-frequency (rf) traps allows one to confine charged particles (atoms or molecules) in a small region of space. These traps, with laser cooling technics, allows one to study and to control matter at the atomic level.In this thesis are shown different results obtained by numerical simulations using molecular dynamics technics. This thesis is formed of four parts. A first part introduce the necessary knowledge to comprehend the ion dynamics in rf traps. The second part present the results from a study on the influence of coulomb coupling on the doppler cooling of trapped ions in a linear quadrupole rf trap. The third part is a study of the properties of ring structures of ions, obtained for low temperatures in linear higher order rf traps. A last part of the thesis is a proposal allowing one to obtain additional rf field-free regions in linear higher order rf traps.

Ce projet de thèse porte sur le développement d'un dispositif instrumental basé sur les propriétés de non linéarité intrinsèques au matériau supraconducteur YBa2Cu3O7, qui restent jusqu'à présent peu explorées dans le régime radiofréquence (RF). Ceci, dans l'objectif de contrôler la commutation d'antennes supraconductrices ultrasensibles dédiées à l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), de l'état supraconducteur à un état dissipatif. L'implémentation des antennes SHTC en imagerie permet d'atteindre les plus grandes sensibilités de détection observées actuellement en IRM à champ clinique, ce qui ouvre la voie au développement de l'imagerie moléculaire d'agents de contraste. Leur utilisation demeure cependant trop minoritaire et ce, entre autre, à cause de l'incompatibilité de la mise en œuvre des antennes YBa2Cu3O7 avec les méthodes de détection quantitative actuellement implémentées en imagerie moléculaire. Comme les techniques habituelles de découplage d'antennes ne sont pas transposables aux matériaux supraconducteurs, l'inactivation des antennes YBa2Cu3O7 à des échelles de temps compatibles avec une séquence IRM (< 1 msec) est un véritable défi, à la fois scientifique et technologique. Ce travail de recherche a pour but d'évaluer les performances de matériaux supraconducteurs à haute température critique tels que l' YBa2Cu3O7 en champ magnétique et dans le domaine des RF, en fonction de leurs propriétés nano-structurales et géométriques, et de développer un système permettant une commutation ultra rapide (ms) de l'état supraconducteur à l'état dissipatif et réciproquement, afin d'éviter le phénomène de concentration du flux magnétique lors de la phase émission, et de préserver la sensibilité du résonateur supraconducteur lors de la phase détection. / The aim of this work is to develop an instrumental device based on the nonlinear behaviour of superconducting materials such as YBa2Cu3O7 as a function of the emitted rf power, with the objective of controlling the switch between the zero resistance state and a dissipative state. This will then be applied to superconducting ultra-sensitive coils dedicated to magnetic resonance imaging (MRI). The implementation of HTS coils for biomedical imaging improves the sensitivity of the acquired images in standard clinical MRI devices. The superconducting coils are currently not implemented because of their incompatibility with quantitative detection methods used in molecular imaging today. As usual decoupling techniques for pick-up coils are not transferable to superconducting materials, the inactivation of superconducting YBa2Cu3O7 coils is a technical and a scientific challenge. The overall objective of this research work is to evaluate the performance of HTS materials in non-zero magnetic fields, in the radiofrequency regime, as a function of the nanostructural and geometric attributes of the material. Based on this, I shall develop a system for ultra-fast switch (msec) from the superconducting state to the dissipative state and vice versa, to avoid the phenomenon of of magnetic flux concentration during the emission phase.

Les systèmes de communication sans fil ont eu un très rapide développement au cours de ces dernières décennies. L'évolution des exigences de l'utilisateur nécessite une augmentation des débits, de la flexibilité pour permettre une adaptation à son environnement, tout en bénéficiant de performance, mobilité, basse consommation, et faible coût. Le développement de ces nouveaux systèmes nécessite plus que jamais de considérer le segment Radio-Fréquence (RF) avec ses imperfections, pour proposer des architectures innovantes et efficaces. Mes activités principales de recherche sont consacrées à l'étude de l'influence des circuits du segment RF sur les performances des systèmes de communication et sur les moyens de les corriger. Initialement considérées comme des moyens d'amélioration des performances pour un circuit donné, les méthodes de compensation de défauts développées permettent d'envisager un relâchement des contraintes sur les circuits à concevoir. Ces travaux s'intègrent dans le nouveau concept dit de la « Dirty RF ». Mes contributions dans cette thématique sont groupées par problématiques associées à des objectifs : assurer l'intégrité du signal à transmettre impose une réduction du rendement de l'émetteur; augmenter le débit et permettre la réception de différents standards nécessite une augmentation de la largeur de bande de transmission; favoriser la diversité fréquentielle induit une sensibilité accrue aux défauts du synthétiseur de fréquence. Dans chaque cas, la dégradation des performances associée aux circuits est évaluée et des solutions sont proposées pour y remédier. Les méthodes de correction développées seront des solutions intéressantes pour les nouveaux systèmes de communication, qui devront être « Radio-Cognitifs » et reconfigurables.

Dans un contexte d'évolution incessante des moyens de communications sans fil, les inquiétudes perdurent malgré les législations existantes. L'accroissement d'usages divers et variés des téléphones mobiles impliquent des questionnements sur l'exposition induite par ces nouveaux usages. Ce manuscrit permet d'enrichir les connaissances en dosimétrie numérique en prenant en considération la variabilité des conditions d'utilisation. Pour une évaluation précise de l'exposition, la méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD) qui a prouvé son efficacité, est employée. L'objectif est de quantifier précisément le Débit d'Absorption Spécifique (DAS) induit dans des organes comme le cerveau et les organes reproducteurs. Dans cette analyse, une attention particulière sera portée sur les usages potentiels des téléphones portables par les enfants. Le choix des configurations couvre différentes technologies, usages et bandes de fréquences permettant d'étudier la sensibilité du DAS à la variabilité de ces paramètres, pour une meilleure maîtrise de l'exposition réelle, au-delà du problème de la conformité. Le nombre important des variables oblige à simplifier les modèles de simulation par la construction de méta-modèles statistiques afin de réduire les coûts de calcul. La méthode spectrale par Chaos Polynomial (CP) dédiée à la gestion des incertitudes et à l'analyse de sensibilité est adoptée pour la mise en place d'un modèle approché du DAS. Afin d'aboutir à une représentation par CP fiable et peu coûteuse en termes de simulations, l'utilisation par CP creux et adaptatif est appliquée. Seuls les termes les plus significatifs sont retenus dans la décomposition par CP. Cette approche est appliquée aux problèmes en dosimétrie numérique afin de propager les incertitudes portant sur les paramètres d'entrée dans les simulations et de quantifier l'impact de ces incertitudes sur l'exposition (e.g. impact de la localisation du téléphone sur la dispersion du DAS) avec un faible coût de calcul

Dans notre société, la lombalgie est une pathologie fréquente représentant un vrai problème de santé publique au coût important et en constante augmentation.<br />Il est maintenant largement admis que la dégénérescence du disque intervertébral (DIV) est la principale cause de lombalgie. Cette dégénérescence est un processus complexe caractérisé par des changements biochimiques et structuraux intervenant dans les différents tissus du DIV. Aujourd'hui, seuls des traitements médicaux symptomatiques de la lombalgie sont disponibles et il n'existe pas de traitement spécifique de la dégénérescence discale.<br />L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique reconnue comme un outil non invasif et totalement atraumatique de diagnostic chez l'homme. L'IRM permet de caractériser la morphologie et la physiologie d'un être vivant à partir des modifications de l'état de l'eau dans ses tissus. De part la composition du DIV (principalement de l'eau) l'IRM s'avère être particulièrement adaptée à l'étude du DIV sain ou dégénératif, ainsi qu'à sa régénération dans le cadre de l'évaluation de l'efficacité d'un traitement. <br />Les objectifs de ce projet ont d'abord été de développer un protocole d'IRM in vivo du DIV chez le lapin, capable de différencier des DIV sains et pathologiques et de mettre en évidence différents stades de dégénérescence discale. Ce protocole a ensuite permis d'évaluer l'efficacité de nouvelles techniques de réparation discale développées par la société Abbott Spine SA.<br />En parallèle de ce travail chez le lapin, l'IRM in vivo du DIV de souris a été développée, dans le but d'utiliser des modèles transgéniques de pathologies articulaires et d'étudier leur impact sur le DIV.

Dans cette thèse, nous appliquons le phénomène de "hole burning" spectral (SHB), dans des matrices cristallines dopées par des ions terres rares, au traitement optique de l'information. Nous présentons la première démonstration expérimentale d'un analyseur spectral de signaux radio fréquence (RF) à très large bande instantanée, exploitant la sélectivité spectrale de ces matériaux photosensibles. L'utilisation de la technologie SHB, à basse température, permet d'atteindre des performances remarquables en terme de largeur de bande et de produit temps×bande passante. Le principe du spectromètre repose sur la séparation angulaire des composantes spectrales du signal RF préalablement transposé sur une porteuse optique. On grave un ensemble de réseaux de diffraction monochromatiques, multiplexés en longueur d'onde, dans un cristal dopé par des ions terres rares. Le faisceau lumineux, porteur du signal RF, est dirigé vers le cristal. Les différentes composantes spectrales sont alors diffractées et simultanément séparées angulairement à la sortie du cristal. Nous avons ainsi pu démontrer expérimentalement l'analyse spectrale de signaux RF sur une bande passante instantanée de 3,3 GHz avec une capacité de 100 canaux spectraux et une résolution ultime de 500 kHz. Ce dispositif possède une dynamique de 35 dB optique, limitée par la détection. Nous montrons la capacité de zoom spectral dans une région spécifique du domaine total couvert, avec augmentation de la résolution spectrale.

Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre $10^7$ ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.