Metamaterials are humanly engineered artificial electromagnetic materials which produce electromagnetic properties that are unusual, yet can be observed readily in nature. These unconventional properties are not a result of the material composition but rather of the structure formed. The objective of this thesis is to investigate and design smaller and wideband metamaterial-inspired antennas for personal communication applications, especially for WiMAX, lower band and higher band WLAN applications. These antennas have been simulated using HFSS Structure Simulator and CST Microwave Studio software. The first design to be analysed is a low-profile metamaterial-inspired CPW-Fed monopole antenna for WLAN applications. The antenna is based on a simple strip loaded with a rectangular patch incorporating a zigzag E-shape metamaterial-inspired unit cell to enable miniaturization effect. Secondly, a physically compact, CSRR loaded monopole antenna with DGS has been proposed for WiMAX/WLAN operations. The introduction of CSRR induces frequency at lower WLAN 2.45 GHz band while the DGS has provided bandwidth enhancement in WiMAX and upper WLAN frequency bands, keeping the radiation pattern stable. The next class of antenna is a compact cloud-shaped monopole antenna consisting of a staircase-shaped DGS has been proposed for UWB operation ranges from 3.1 GHz to 10.6 GHz. The novel shaped antenna along with carefully designed DGS has resulted in a positive gain throughout the operational bandwidth. Finally, a quad-band, CPW-Fed metamaterial-inspired antenna with CRLH-TL and EBG is designed for multi-band: Satellite, LTE, WiMAX and WLAN.

Cette thèse synthétise les travaux récents de l’auteur sur l’utilisation de résonateurs mécaniques pour la détermination simultanée de la viscosité et de la masse volumique de liquides. Ces travaux ont été réalisés entre 2010 et 2015 dans le cadre d’une thèse en cotutelle entre l’Institut de Microélectronique et des Microcapteurs de l’Université Johannes Kepler à Linz en Autriche et le Laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système de l’Université de Bordeaux en France. Dans des études précédentes effectuées sur ce sujet par les groupes des deux laboratoires, le concept de l’utilisation de résonateurs mécaniques actionnés et mesurés électriquement pour la détermination de la viscosité et de la masse volumique deliquide avait été établi et validé. Ces travaux antérieurs ont montré que la fréquence de résonance et le facteur de qualité de résonateurs immergés dépendent à la fois de la viscosité et de la masse volumique du fluide environnant.L’intérêt d’utiliser de tels microcapteurs résonants vient du fait qu’il est possible de les utiliser in-situ,notamment pour des applications industrielles. Pour ce type d’applications, il est important que les capteurs aient entre autre une bonne résistance physique, une bonne stabilité à long terme, une bonne fiabilité, ainsi qu’une bonne précision de mesure. Pour satisfaire ces exigences et compte tenu des résultats des travaux antérieurs, les objectifs principaux de cette thèse étaient (1) la mise en oeuvre de configurations de mesure robustes offrant une bonne stabilité à long terme et une bonne précision de mesure, ce qui nécessite une faible sensibilité à la température, (2) la mesure simultanée de la viscosité et de la masse volumique avec un seul capteur et (3) la modélisation et la comparaison des performances des différents dispositifs mis au point et testés. Ces trois objectifs ont été atteints en combinant des approches expérimentales et théoriques (hydrodynamique, mécanique du solide et électrodynamique). [...] / This thesis summarizes the author’s recent work on the topic of mechanical resonators for liquidviscosity and mass density sensing, which were achieved between 2010 and 2015 in the course of aninternational joint doctorate program performed at the Institute for Microelectronics and Microsensorsat the Johannes Kepler University Linz, Austria and the Laboratoire de l’Intégration du Matériau auSystème in Bordeaux, France. In previous studies performed by work groups of both laboratories,the concept of using electrically actuated and read-out mechanical resonators for the determination ofliquids’ viscosities and mass densities has been established and elaborated. These works showed that theresonance frequencies and quality factors of immersed resonators are affected by the liquids’ viscositiesand mass densities, respectively. The investigated concepts included devices using structured polymeror wet-etched new silver sheets as well as micro-machined silicon and screen-printed PZT resonators.The motivation for investigating and developing such miniaturized resonators was formed, amongstothers, by their capability for in-line, in-situ and handheld-devices for laboratory as well as for industrialapplications. Especially for the latter, physical robustness, long-term stability and reliability,as well as accurate measurement results are basic requirements. To satisfy these requirements andconsidering the results and insights of earlier works, the objectives of this thesis were first, implementingrobust measuring setups featuring long-term stability and high measurement accuracy, where thelatter furthermore requires low cross-sensitivity to temperature. Second, investigating the capabilityof measuring both, a liquid’s mass density and viscosity with a single device as well as providing anestimate of achievable measurement accuracies for both quantities. And third, enabling the modelingof the performance of different viscosity and mass density sensors on the one side and their comparisonon the other side. These three specifications were accomplished by following mainly experimental approachesand investigations but also by elaborating the underlying theory of hydrodynamics, structuralmechanics, and electrodynamics. [...] / Die vorliegende Dissertation fasst die rezenten Forschungsergebnisse des Verfassers im Bereich mechanischerResonatoren für Viskositäts- und Dichtesensorik zusammen, welche zwischen 2010 und 2015 imRahmen eines international joint doctorate programs am Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorikder Johannes Kepler Universität Linz, sowie am Laboratoire de l’Intégration du Matériau auSystème der Université de Bordeaux erreicht wurden. In den Vorarbeiten von Arbeitsgruppen beiderInstitute wurden bereits Konzepte für elektrisch angeregte und ausgelesene mechanische Resonatorenzur Bestimmung von Viskosität und Dichte von Flüssigkeiten erarbeitet und umgesetzt. Hierbei konntegezeigt werden, dass die Resonanzfrequenz und Güte eingetauchter Resonatoren abhängig sindvon Viskosität und Dichte der jeweiligen Flüssigkeiten. Die dabei untersuchten Konzepte beinhaltetenstrukturierte Polymerfolien, nass-chemisch geätzte Neusilberbleche, mikromechanisch hergestellte Siliziumstrukturen,sowie siebgedruckte PZT Resonatoren.Die Motivation zur Untersuchung und Entwicklung solcher miniaturisierter Resonatoren resultiert unteranderem aus deren Anwendbarkeit für Inline-, Insitu- und Handgeräte für Labor- bzw. industrielle Anwendungen.Besonders für Letztere sind Robustheit, Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit, aber auchpräzise Messergebnisse Grundvoraussetzung. Um den Anforderungen der Ergebnisse und Erkenntnisseder zuvor genannten Arbeiten gerecht zu werden, wurden folgende Ziele für diese Dissertationdefiniert. Erstens, die Entwicklung robuster, langzeitstabiler Messaufbauten zur Erreichung präziserMessergebnisse, wodurch eine geringe Temperaturquerempfindichkeit als weitere Bedingung aufgestelltwurde. Zweitens sollte untersucht werden ob und mit welcher Genauigkeit sowohl Viskosität als auchDichte mit einem einzigen Instrument gemessen werden können. Drittens, sollte einerseits das Verhaltenverschiedener Viskositäts- und Dichtesensoren modelliert bzw. deren Vergleich ermöglicht werden.Basierend auf einer vorwiegend experimentellen Herangehensweise und unter Miteinbeziehung der zugrundeliegendenTheorien von Strömungs- und Strukturmechanik sowie der Elektrodynamik, konntendie o.g. Anforderungen erfüllt werden. [...]

A l’heure actuelle, les Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) sont devenusincontournables dans les produits technologiques quotidiens. De par leur taille,leurs performances et leur intégration, les microsystèmes résonants se sontinscrits dans la diversification de la fameuse Loi de Moore. Cependant les applications detype base de temps demeurent le segment de marché où les MEMS ne parviennent pas às’imposer durablement. En effet, grâce à une stabilité en fréquence de quelques parties parmillions, l’oscillateur à base de résonateur en Quartz reste le produit numéro 1 d’unmarché estimé à dix-sept milliards de dollars.Etant donné le lien entre la fréquence d’un résonateur silicium MEMS et ses dimensionsintrinsèques, les différentes étapes de fabrication induisent un décalage de cette fréquencepar rapport à la valeur visée. C’est donc cet écart que nous tenterons d’adresser. Dans cecontexte, nous avons proposé une nouvelle méthode de correction à l’échelle du substrat.Cette méthode consiste en une ultime étape technologique, après une première mesureélectrique des dispositifs qui permet de quantifier l’erreur, à ramener la fréquence à lavaleur souhaitée par un ajout localisé de matière. Nous montrerons qu’il est possible, enune seule étape, de réduire la Gaussienne représentative de la variation de la fréquence ausein du substrat à quelques parties par million. Pour cela, nous avons développé deuxmodèles physiques qui permettent de quantifier la correction pour atteindre les objectifs.En parallèle, nous avons mis en place un processus de fabrication compatible avec la filièreCMOS avec seulement dix-sept étapes et deux masques photolithographiques dont le pointde départ est un substrat de type SOI. Ce procédé a permis la fabrication de résonateur àmodes de flexion et ondes de volume, dont les performances intrinsèques (f et Q)permettent de concurrencer les résonateurs Quartz. Enfin, nous avons validé notre conceptet nos modèles physiques par des caractérisations électriques de nos dispositifs.L’analyse des résultats nous a permis de dresser une liste des pistes d’amélioration pourétablir une voie vers l’industrialisation durable des résonateurs MEMS. Dans un premiertemps, une attention toute particulière se portera sur le choix du substrat et la technologieutilisée pour garantir des performances optimales. La méthode de correction nécessite unemesure électrique intermédiaire, cette étape doit être précisée et il faudra s’assurer qu’ellen’augmente pas le coût global de la fonction. Bien que discutés, le packaging du MEMS etl’intégration seront des points à étudier, tout particulièrement pour conserver lesspécifications du résonateur lui-même. / Present, Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) have become essential ineveryday technology products. Thanks to their size, performances andintegration, resonant microsystems have been enrolled in the diversification ofthe famous Moore's Law. However, the time based applications remain the market segmentwhere MEMS are unable to settle permanently. Indeed, the oscillator-based Quartz is thenumber one product on the market, a market estimated at $ 17 billions, thanks to afrequency stability of a few parts per million over its lifetime.Given the link between the frequency of a MEMS resonator and its intrinsic dimensions,the various manufacturing steps induce a shift of this frequency from the target value. Wewill try to address this difference.In this context, we proposed a new method of correction across the wafer. This methodconsists of a final technological step after a first electrical measurement to quantify theshift. We will show that it is possible in one step, to reduce the Gaussian representing thefrequency variation within the wafer to a few parts per million. From this perspective, wehave developed two physical models that quantify the correction to achieve the objectives.Moreover, we set up a manufacturing process CMOS compatible with only 17 steps and2 photolithographic masks starting with a SOI wafer. This process has enabled theproduction of flexural mode resonators and bulk mode resonators, whose intrinsicperformances (f, Q) can compete with Quartz. Finally, we validated our concept and ourphysical models thanks to electrical characterization of our devices.Analysis of the results allowed us to develop a list of possible improvements to establish aroute to the industrialization of MEMS resonators. First, special attention will be focusedon the choice of substrate and the technology used to ensure perfect performances.Correction method requires a preliminary electrical measurement, this step must bedetailed and one have to ensure that it does not increase the overall cost. Although partiallystudied, the packaging of MEMS and integration are the points to consider in particularkeeping the specifications of the resonator itself.

Dans ce manuscrit, nous présentons d'abord le bloc de construction moléculaire ultime pour les dispositifs de spintronique, les aimants à molécule unique (Chapitre 2). En particulier, nous nous concentrerons sur une molecule de TbPc2 et différentes approches pour sonder son aimantation à l'aide de détecteurs a base de nanotubes de carbone et de mécanismes de couplage différents (flux magnétique, couplage électronique et mécanique). Dans le but de construire un detecteur de torque supramoléculaire capable de sonder le moment magnétique d'un aimant moléculaire, nous allons décrire dans le chapitre 3 un candidat très prometteur, un système nanoélectromécanique (NEMS) à base d'un nanotube de carbone. Nous décrirons d'abord les avantages de NEMS à base de carbone par rapport aux résonateurs classiques à base de silicium. Par la suite, nous présenterons l'état de l'art des NEMS à base de nanotubes de carbone, en nous focalisant en particulier sur deux différents mouvements nanomécaniques, un mode de flexion transverse et un mode de compression longitudinal. Dans le chapitre 4, nous présenterons la mise en oeuvre expérimentale d'un detecteur de torque supramoléculaire basé sur NEMS à nanotubes de carbone et des aimants à molécule unique. Nous décrirons d'abord le processus de fabrication ultra propre et les étapes de la caractérisation d'un NEMS à nanotubes de carbone à températures ambiante et cryogénique. Nous allons ensuite démontrer un procédé de greffage d'une molécule aimants de TbPc2 sur un tel NEMS à nanotube de carbone, qui conserve à la fois les propriétés magnétiques de la molécule et les propriétés mécaniques du résonateur. Dans le chapitre 5, nous allons ensuite procéder à une étude systématique du mode de flexion transverse dans un NEMS à nanotube de carbone. Nous montrerons, que la dissipation de ce mode de vibration induit par l'effet tunnel d'électron unique à travers le nanotube de carbone (considére comme point quantique) dépend essentiellement de l'environnement électronique du nanotube, c'est à dire de la capacité, du couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes métalliqes, du courant et de la température. Les résultats indiquent que l'on pourrait atteindre des facteurs de qualité de 10^6 ou plus en choisissant un diélectrique de grille appropriées et/ou en améliorant le couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes, ce qui permettrait notamment d'augmenter la sensibilité du NEMS nanotubes de carbone par rapport à un torque magnétique générer par le retournement d'un aimant moléculaire. Dans le chapitre 6, nous démontrons la présence d'un mode de vibration longitudinal quantique dans un NEMS à base de nanotube de carbon fonctionnalisé avec des aimants moléculaires de TbPc2. Nous allons en particulier montrer que la nature quantique des deux systèmes, se traduit par un fort couplage entre le mode de compression longitudinal et l'aimantation d'un aimant moléculaire TbPc2 unique greffé sur la parois du nanotube de carbone. Ce fort couplage permet par la suite de détecter les états de spin nucléaire dans la molécule de TbPc2. Enfin, nous présenterons dans la conclusion de ce manuscrit quelques perspectives pour la détection et la manipulation (coherente) d'un seul spin (nucléaire) à l'aide d'un système mécanique quantique. / In this manuscript, we will first present the ultimate molecular building block for spintronic devices, so called single-molecule magnets (Chapter 2). In particular we will focus on a TbPc2 complex and various approaches of probing its magnetization using carbon nanotube detectors and different coupling mechanisms (magnetic flux, electronic and mechanical coupling). With the aim of building a supramolecular torque magnetometer capable of probing the magnetic moment of a molecular magnet, we will describe in Chapter 3 a promising candidate, a carbon nanotube nanoelectromechanical system (NEMS). We will first describe the advantages of carbon based NEMS over classical Si based resonators. Subsequently we will present the state of art of carbon nanotube NEMS and focus in particular on two different nanomechanical motions, a transverse bending mode and a longitudinal stretching mode. In Chapter 4, we present the experimental implementation of a supramolecular torque magnetometer based on carbon nanotube NEMS and single molecule magnets. We first describe the ultraclean bottom-up fabrication process and the extensive characterisation steps of carbon nanotube NEMS at room and cryogenic temperatures. We will finally demonstrate a method of grafting a TbPc2 single molecules magnet on such a carbon nanotube NEMS, that conserves both the magnetic properties of the molecule and the mechanical properties of the resonator. In Chapter 5, we will then perform a systematic study of the transverse bending mode vibration in a carbon nanotube NEMS. We demonstrate for instance, that the dissipation of a carbon nanotube's bending mode vibration to single electron tunneling through the carbon nanotube NEMS-quantum dot critically depends on the dot's electronic environment, i.e. the capacitance, the tunnel coupling to the metal leads, the current and temperature. The findings suggest that one could achieve quality factors of 10^6 or higher by choosing appropriate gate dielectrics and/or by improving the tunnel coupling to the leads, which would notably increase the sensitivity of the carbon nanotube NEMS with respect to a magnetic torque generate by a rotating molecular magnet. In Chapter 6, we demonstrate the presence of a quantized longitudinal stretching mode vibration in a carbon nanotube NEMS functionnalized with TbPc2 single molecule quantum magnets. We will in particular demonstrate that the quantum mechanical nature of both systems, results in a strong coupling between the longitudinal stretching mode and the magnetization of an individual TbPc2 single molecule magnet grafted to the carbon nanotube's sidewall. The strong coupling in fact enables the detection of the nuclear spin states in the TbPc2 molecule. Finally, we present in the conclusion of this manuscript some future prospects for the detection and (coherent) manipulation of a single (nuclear) spin using a mechanical quantum system.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HumbertoDA_DISSERT.pdf: 1369294 bytes, checksum: 4b7817dfceebc22263e36739d877c8f2 (MD5) Previous issue date: 2010-06-30 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Recently, planar antennas have attracted interest due to its characteristics as well as the advantages they offer compared to other types of antennas. In the area of mobile communications the need for such antennas has become increasingly intense due to development, which requires antennas that operate in multifrequency and broadband. The microstrip antennas have narrow bandwidth due to losses in the dielectric caused by irradiation. Another limitation is the radiation pattern degradation due to generation of surface waves in the substrate. Some techniques are being developed to minimize this bandwidth limitation, as is the case in the study of type materials PBG - Photonic Band Gap, to compose the dielectric material. The analysis developed in this work were performed with use of the method LTT - Transverse Transmission Line, in the field of Fourier transform that uses a component propagating in the y direction (transerve real direction of propagation z), thus treating the general equations of the fields electric and magnetic fields as a functions of y E and Hy . This work has as main objective the method LTT structures resonator line slot with four layers of material photonic PBG, for obtaining the complex resonant frequency and efficiency of this structure. PBG theory is applied to obtain the relative permittivity for the substrate biases sep compounds photonic material. Numerical-computational results in graph form in two dimensions for all the analysis are presented for the proposed structures that have photonic materials, as substrates / Recentemente as antenas planares tem despertado interesses devido as suas caracter?sticas e vantagens que oferecem quando comparadas com os demais tipos de antenas. Na ?rea de comunica??es m?veis a necessidade de antenas desse tipo, tem se tornado cada vez mais utilizadas, devido ao intenso desenvolvimento, que necessita de antenas que operem em multifrequ?ncia e em banda larga. As antenas de microfita apresentam largura de banda estreita devido ?s perdas no diel?trico geradas pela irradia??o. Outra limita??o ? a degrada??o do diagrama de irradia??o devido ? gera??o de ondas de superf?cie no substrato. Algumas t?cnicas est?o sendo desenvolvidas para minimizar esta limita??o de banda, como ? o caso do estudo de materiais do tipo PBG Photonic Band Gap, para compor o material diel?trico. Este trabalho tem como objetivo principal a aplica??o do m?todo LTT ?s estruturas ressoadoras retangulares de fenda com quatro camadas de material fot?nico PBG, para a obten??o da freq??ncia de resson?ncia complexa e a efici?ncia de radia??o dessa estrutura. As an?lises desenvolvidas neste trabalho foram realizadas com utiliza??o do m?todo LTT Linha de Transmiss?o Transversa, no dom?nio da Transformada de Fourier que utiliza uma componente de propaga??o na dire??o y (transversa ? dire??o real de propaga??o z), tratando assim as equa??es gerais dos campos el?tricos e magn?ticos em fun??o de yEe yH. A teoria PBG ser? aplicada para a obten??o da permissividade relativa para as polariza??es s e p dos substratos compostos de material fot?nico. Resultados num?rico-computacionais s?o apresentados em forma de gr?fico em duas dimens?es para todas as an?lises realizadas para as estruturas propostas que tem como substratos, materiais fot?nicos

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Duas contribuiÃÃes caracteristicamente distintas, nÃo obstante correlacionÃveis num mesmo sistema de telecomunicaÃÃo, sÃo apresentadas. A primeira versa sobre antenas ressoadoras constituÃdas por novas cerÃmicas dielÃtricas à base de Fe2O3. Os materiais desenvolvidos foram caracterizados na faixa de micro-ondas. Tratam-se de dielÃtricos com baixa permissividade relativa, baixa tangente de perda, e, no caso das amostras monofÃsicas, com coeficiente de temperatura na frequÃncia de ressonÃncia negativo. Posteriormente, as antenas ressoadoras dielÃtricas de geometria cilÃndrica (CDRAs) suportadas em plano de terra retangular e alimentadas por sonda monopolar sÃo analisadas segundo critÃrios de desempenho de irradiaÃÃo, quais sejam: frequÃncia de ressonÃncia, impedÃncia de entrada, largura de banda e padrÃes de irradiaÃÃo. AlÃm de experimentaÃÃo, o seu estudo envolveu procedimento computacional, no que foi promovida a comparaÃÃo de resultados. O mÃtodo dos elementos finitos, no qual està baseado o programa comercial empregado, foi utilizado para anÃlise destas antenas. Resulta que para maiores valores de permissividade relativa de uma amostra, menores sÃo a frequÃncia em que a mesma ressoa e a sua largura de banda. Ainda, foi observado satisfatÃrio casamento de impedÃncia e padrÃes de irradiaÃÃo "broadside", o que candidata os novos materiais desenvolvidos a esta importante aplicaÃÃo. Adicionalmente, mediante empilhamento dos protÃtipos monofÃsicos examinados, foi verificada a remodelagem da largura de banda em relaÃÃo Ãs contrapartidas individuais, provavelmente devido à excitaÃÃo de modos de ordem elevada das CDRAs. A segunda contribuiÃÃo està enfocada no contexto dos guias de ondas dielÃtricos operando em frequÃncias Ãpticas. Neste cenÃrio, sÃo investigados acopladores refletores de Bragg a fibra (FBGCs), estruturas resultantes da combinaÃÃo de dois dispositivos reconhecidamente versÃteis e de ampla aplicaÃÃo: redes de Bragg e acopladores direcionais. Foram apreciados dois estudos de caso numÃricos nos quais se fez promover a interaÃÃo de sinais Ãpticos com as estruturas propostas. Na medida em que descreve com satisfatÃria precisÃo as propriedades Ãpticas dos dispositivos de interesse, o modelo matemÃtico empregado à baseado na teoria dos modos acoplados. O tratamento numÃrico à realizado mediante codificaÃÃo, em linguagem de programaÃÃo FORTRAN, de um algoritmo preditivo-corretor. Considerando regimes pulsados em termos da potÃncia operacional, o problema foi analisado no domÃnio da frequÃncia e, sobretudo, no domÃnio do tempo. Em condiÃÃes especÃficas, a possibilidade de realizaÃÃo da extraÃÃo, reconfiguraÃÃo e comutaÃÃo de pulsos, exemplos de funÃÃes essenciais ao processamento totalmente Ãptico, reforÃam a importÃncia de tais estruturas hÃbridas. / Two heterogeneous contributions to modern communication systems â although fully possible to be correlated â are presented. The first one deals with resonant antennas consisting of new dielectric ceramics based on Fe2O3. These materials characterized at microwave frequency range possess low relative permittivity, low loss tangent and, concerned with the monophasic samples, negative temperature coefficient of resonant frequency. Subsequently, the cylindrical dielectric resonator antennas (CDRAs) supported on rectangular ground plane and fed by monopole are analyzed according to the following radiation performance criteria: resonant frequency, input impedance, bandwidth and radiation patterns. Besides experimentation, the study involved computational procedure, so that the results of both can be compared. A commercial software based on the finite element method was employed to examine the CDRAs. It follows that as higher is the permittivity of a material, the lower are the frequency at which it resonates as well as its bandwidth. Satisfactory impedance matching and broadside radiation patterns are observed, what enables the materials investigated to this relevant application. Additionally, the stacking of the monophasic CDRAs prototypes resulted in bandwidth enhancement, presumably due to their excited high order modes. The second contribution focuses on dielectric waveguides operating at optical frequencies, being fiber Bragg grating couplers (FBGCs) investigated in this scenario. Indeed, they result from a combination of two versatile and widely applied devices: fiber Bragg gratings and directional couplers. Two numerical case studies related to the interaction between optical signals and structures were performed. The theoretical model observed is based on the coupled mode theory since it provides a satisfactorily accurate description of the devices optical properties. By the way, the theoretical model is coded in FORTRAN programming language according to a predictor-corrector algorithm. In terms of operational power levels, analyses are carried out in frequency and (mainly) time domains. Under specific conditions, the capability of the extraction, reshaping and switching of pulses â examples of essential functions for all-optical processing â reinforces the importance of such hybrid structures.

Les développements récents des systèmes hyperfréquences conduisent à des contraintes drastiques sur la taille et le coût des composants, et en particulier sur les Filtres Passe-Bande (BPF). L’objectif de cette thèse était d’apporter des solutions innovantes pour du filtrage large-bande compact en basses fréquences. Nous avons proposé deux solutions topologiques de compacité.La première solution est axée sur l’amélioration de la compacité des résonateurs grâce au résonateur multi-sections. Cette topologie a été théorisée et modélisée afin de l’optimiser. La compacité apportée par le résonateur multi-sections a été démontrée à travers la réalisation de filtres interdigité. La deuxième solution est une nouvelle topologie du filtre combline appelée filtre combline à couplage électrique (ECC). Nous avons également montré que ces solutions topologiques sont compatibles avec d’autres solutions technologiques de compacité (multicouche…).Ces solutions permettent de résoudre les problèmes d’encombrement et d’intégration des filtres actuels tout en gardant des performances électriques équivalentes. / Recent developments in microwave systems lead to drastic constraints on the size and cost of components, and in particularly on Passband Filters (BPF). The aim of this thesis was to provide innovative solutions for low band compact broadband filtering. We proposed two topological solutions of compactness.The first solution focuses on improving the compactness of the resonator thanks to the multisections resonator. This topology has been theorized and modeled to optimize it. The compactness provided by the multi-sections resonator has been shown by the realization of interdigital filters. The second solution is a new topology of the combline filter, electrical coupling combline filter (ECC).We have also shown that these topological solutions are compatible with other technological solutions of compactness (multilayer ...).These solutions solve the size and integration problems of current filters with equivalentelectrical performance.

Les télécommunications sont devenus indispensables dans notre monde actuel. De plus, le volume des données échangées ne cesse de croître. En effet, nous pouvons transmettre nos photos, nos vidéos au monde entier. Nonobstant, nous ne voulons pas attendre pour les avoir, ce qui exige un débit de données très important et par conséquent des signaux avec des bandes passantes plus larges. Les satellites de télécommunications doivent donc s’adapter, c'est pourquoi nous proposons dans ces travaux la recherche de filtre à large bande avec une recherche de compacité et de faibles pertes. Nous nous sommes intéressés à l'utilisation de matériaux céramiques qui permettent d'obtenir de bonnes performances vis à vis de nos besoins. Notre travail est aussi rendu possible par le développement de procédés de fabrication additifs, comme par exemple la stéréolithographie, qui va nous permettre de nous affranchir fortement de règles de dessin contraignantes que nous pourrions avoir en utilisant des procédés classiques. Nous avons développé des filtres avec de larges bandes passantes autour de 4GHz. Une première étude nous a permis de rechercher des concepts qui permettent d'obtenir de forts couplages, conditions sine qua non pour réaliser ces filtres. Plusieurs concepts sont présentés ainsi que leur fabrication et leur mesures. Nous avons ainsi démontré expérimentalement que les concepts proposés, à base de pièces monoblocs céramiques, sont capables de produire des filtres à bandes passantes supérieures à 60 % (voire même 110 % pour une version améliorée). / Every day, the data exchanges increase thanks to the new technologies. We can keep our files, our pictures, our videos online to have an access anywhere on the planet (for now). In this way, the data output of the telecommunication systems has to be increased in order to satisfy the more and more demanding users. One way to allow this is to increase the bandwidths of the different signals, making possible to transmit more data at the same time. In this work, we will develop wide bandpass filters dedicated to space telecommunications. For that purpose, we need them to be compact, with low insertion loss and a limited number of parts to assemble. Consequently, we are interested to use resonators made with ceramic materials that permits to reach such properties. Moreover, these materials are compatible with stereolithography, an additive manufacturing process. Such technology is here very useful for our purpose since its design freedom allows the creation of almost all kind of geometries. To realize such wide bandpass filters, we need strong couplings between the different resonators and also for the accesses, so we will present our studies focused on reaching these specific objectives. Then, we will present different designs of wide bandpass filter around 4GHz. After different generation of ceramic based components, we are be able to experimentally create a 60% bandwidth (even 100% for our last version) very compact bandpass filter filling the objectives of this PhD thesis.

L'étude du couplage optomécanique, soit l'interaction entre un résonateur mécanique et la lumière venant mesurer sa position est née avec les recherches visant à détecter les ondes gravitationnelles. Ce couplage limite la sensibilité des mesures interférométriques nécessaires à leur observation.Cette limite est d'origine quantique : à tout appareil de mesure est associé un bruit (le bruit de phase des lasers). De plus, en vertu des inégalités de Heisenberg toute mesure d'un système le perturbe. On parle d'action en retour (liée aux bruits d'intensité des lasers). La lumière étant un objet quantique, il n'est pas possible de réduire simultanément les fluctuations de phase et d'intensité. La sensibilité d'une mesure interférométrique a donc pour minimum la limite quantique standard. Cette limite n'a jamais été observée à température ambiante.Nous décrivons dans ce manuscrit les effets de la pression de radiation sur un résonateur mécanique plan-convexe utilisé comme miroir de fond d'une cavité Fabry-Perot de grande finesse. A température ambiante, le bruit de pression de radiation est largement masqué par le bruit thermique. Ceci conduit à la mise en place d'une expérience pompe-sonde et à mesurer les corrélations entre ces deux faisceaux. En outre, cette expérience est très sensible au désaccord du laser avec la cavité. Nous utilisons une modulation de la position du résonateur afin de s'asservir le mieux possible à la cavité. Compte tenu du faible niveau de corrélations à mesurer, nous caractérisons les limites qu'impose le bruit classique des lasers. Nous présentons également le développement de nouveaux résonateurs optomecaniques en quartz. / Optomechanical coupling, that is the interaction between mechanicals modes of a resonator and light sensing its position, is a field of study that was born with the gravitational waves quest. This coupling poses limits to the sensitivity of interferometric measurements needed to detect them.This limit is of quantum origin. Indeed, every measurement apparatus has its own noise, we call it measurement noise. Moreover according to the Heisenberg inequalities, every measurement of a system disturbs it in some way. We call it back-action. In optomechanics, the measurement noise is the laser phase-noise while back-action stems from intensity-noise. Both of them have quantum origin and cannot be made arbitrary small. The sensitivity of classic interferometric measurement is then the result of a tradeoff between those two noises and cannot be lower than what is called the standard quantum limit. This limit has never been observed at room-temperature in a table-top experiment. The effects of radiation-pressure on a plano-convex resonator embedded in a high-finesse Fabry-Perot cavity are described in this work. At room-temperature the quantum radiation pressure noise is overwhelmed by thermal noise. This lead to use a pump-probe experiment where two laser beams are send in the cavity and measure their correlations. This experiment is extremely sensitive to the cavity- laser detuning. We propose to modulate the mirror position and use this precisely lock the lasers to the cavity. The correlations we aim to measure are extremely low so we characterize the limits put by classical noise of the laser system on the experiment. We also present the development of new quartz resonators.

L’objectif de ce travail était de concevoir et réaliser par impression un capteur acoustique capacitif résonant bas coût. Il s’inscrit dans le cadre d’un projet collaboratif de recherche intitulé « Spinnaker », défini par la société Tagsys RFID qui souhaite intégrer ce capteur afin d’améliorer la géolocalisation des étiquettes RFID. Ce travail a débuté par la conception et l’optimisation du design en utilisant la simulation par éléments finis (COMSOL) ainsi que des plans d’expériences (DOE : Design of Experiment). Cette première étape a permis de déterminer les paramètres optimaux et démontrer que les performances obtenues étaient conformes aux spécifications. Nous avons ensuite développé les différentes briques technologiques nécessaires à la réalisation des prototypes en utilisant conjointement l’impression 2D par inkjet et l’impression 3D. Nous avons vérifié la fonctionnalité de ces capteurs à l’aide de mesures électriques capacitives et acoustiques par vibrométrie laser. Nous avons démontré la sélectivité en fréquence des capteurs réalisés et comparé les résultats expérimentaux à ceux obtenus par simulation. Enfin, nous avons enfin exploré la « voie piezoélectrique » qui nous semble être une alternative intéressante au principe capacitif. En l’absence d’encre piézoélectrique commerciale imprimable par jet de matière, nous avons formulé une encre imprimable à base du co-polymère PVDF-TrFE et démontré le caractère piézoélectrique des couches imprimées. Les résultats sont prometteurs mais des améliorations doivent encore être apportées à cette encre et au procédé d’impression avant de pouvoir fabriquer des premiers prototypes. / The objective of this work was to design and fabricate a low cost resonant capacitive acoustic sensor using printing techniques. It falls within the frame of a collaborative research project named “Spinnaker”, set up by TAGSYS RFID, a French company, which has planned to integrate this sensor to improve the geolocalization of their RFID tags. This work started with the design and optimization of the sensor using finite element modeling (COMSOL) and design of experiments (DOE). This first step has enabled the identification of the optimum set of parameters and demonstrated that the output responses were in accordance with the specifications. Then, we have developed the different technological building blocks required for the fabrication of the prototypes using jointly the 2D inkjet printing technique and 3D printing method. The functionality of the sensors has been characterized using both capacitive and acoustic measurements using laser Doppler vibrometer. Experimental results showed that sensitivity and selectivity were within the specifications and in good agreement with the modeling results. Finally, we investigated the piezoelectric approach which could be an interesting option to the capacitive one. Since no inkjet printable piezoelectric ink is commercially available, stable inkjet printable polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene (PVDF-TrFE) ink has been developed. PVDF-TrFE layers were then successfully printed and characterized. The results were quite promising, however further improvements of the ink and printing process are required before stepping towards piezoelectric based device fabrication.