Dans une première partie les principes du retournement temporel sont exposés, ainsi que son application aux ondes électromagnétiques, et plus spécifiquement aux hyperfréquences. Puis, deux montages de miroirs à retournement temporel dans le domaine du gigagertz sont décrits, ainsi que les résulats expérimentaux obtenus en terme de focalisation spatio-temporelle. Enfin, des expériences de focalisation sub-longueur d'onde par retournement temporel sont démontrées, et un lien avec l'optique de champ proche vient appuyer théoriquement les mesures réalisées. La deuxième partie est consacrée aux télécommuncations par retournement temporel. On introduit les deux principales méthodes envisagées pour les réseaux locaux sans fils haut débit (MIMO et UWB). Le lien entre ces méthodes et le retournement temporel est explicité. Puis, des communications par retournement temporel réalisées avec des ultrasons dans un milieu indoor petite échelle sont étudiées et discutées. On compare alors le retournement temporel, qui est un filtre adapté à la propagation, et le filtre inverse de la propagation, en terme de télécommunications. Une méthode hybride, le filtre inverse itératif, est proposée et comparée au retournement temporel. Des expériences de télécommunications par retournement temporel électromagnétiques sont enfin présentées. Celles-ci sont réalisées avec le miroir à 2.45 GHz, sur 200 MHz de bande passante, dans une cavité faite d'aluminium. Les avantages de la méthode sont étudiées en fonction des paramètres suivants: nombre d'antennes du miroir, nombre d'utilisateurs, bande passante, temps d'absorption du milieu, bruit externe présent dans le milieu.

Ce travail de thèse s’intéresse à l’amélioration de la compacité des antennes destinées en priorité aux systèmes embarqués tout en respectant les exigences de performance et de compétitivité. L’approche explorée consiste à utiliser des matériaux artificiels fonctionnant en transmission et conçus en structurant la matière diélectrique à une échelle plus petite que la longueur d’onde (sub-longueur d’onde). Cette structuration permet en pratique d’opérer une variation de l’indice de réfraction effectif afin de réaliser des éléments diffractifs aptes à remplir une fonction hyperfréquence. Cependant, la particularité de ce type d’élément structuré est de mêler plusieurs échelles physiques engendrant une complexité dans leur étude. La plus grande dimension d’un composant structuré peut atteindre plusieurs dizaines de longueur d’onde, par exemple 20λ, alors que la taille minimale des structures sub-longueur d’onde peut être inférieure à une fraction de la longueur d’onde, tel que λ/20. Cet aspect multi-échelle allonge les temps de simulation des dispositifs antennaires intégrant ces éléments structurés, empêchant ainsi toute possibilité d’optimisation multi-paramètres dans des temps raisonnables. Afin de pouvoir exploiter pleinement le potentiel de ces matériaux structurés, un modèle numérique de calcul a été développé sur la base des chemins optiques. Ce modèle restitue des résultats sur le maximum de gain des antennes lentilles diffractives structurées avec une précision de 0,5 dB. Le temps de calcul du modèle est de l’ordre de la minute comparée à plus de 6 heures pour une simulation complète avec le logiciel de calcul électromagnétique CST. La rapidité et la précision de ce modèle ont été mises à profit pour optimiser la conception d’une lentille diffractive structurée. Pour illustrer la pertinence de cette approche structurée, ses performances ont été comparées à celles des antennes lentilles de Fresnel et à profil hyperbolique. Cette comparaison s’est faite dans des conditions d’encombrement identiques avec un rapport longueur sur diamètre L/D de 0,5. Le gain de la lentille structurée se révèle être plus élevé de 1,6 dB par rapport à celui de la lentille de Fresnel et de 2,7 dB par rapport à celui de la lentille hyperbolique. / This work focuses on the improvement of the antennas compactness used primarily for embedded systems while respecting the performance and competitiveness requirements. The approach explored consists in using artificial materials operating in transmission and designed by structuring the dielectric material on a scale smaller than the wavelength (sub-wavelength). This structuring makes it possible in practice to achieve a variation in the effective refractive index in order to produce diffractive elements capable of performing a microwave function. However, the particularity of this type of structured element is to mix several physical scales generating complexity in their study. The largest dimension of a structured component can reach several tens of wavelength, for example 20λ, while the minimum size of the sub-wavelength structures may be less than a fraction of the wavelength, as than λ / 20. This multi-scale aspect increases the simulation times of antenna devices integrating these structured elements, thus preventing any possibility of multi-parameter optimization in reasonable times. In order to exploit fully the potential of these structured materials, a numerical model of computation has been developed on the basis of optical paths. This model gives results on the maximum gain of structured diffractive lens antennas with an accuracy of 0.5 dB. The computation time of the model is of the order of the minute compared to more than 6 hours for a complete simulation with the electromagnetic calculation software CST Microwave Studio. The speed and precision of this model have been used to optimize the design of a structured diffractive lens. To illustrate the relevance of this structured approach, its performances were compared with those of Fresnel lens antenna and hyperbolic lens antenna. This comparison was carried out under identical footprint conditions with a length to diameter ratio L / D of 0.5. The gain of the structured lens was found to be 1.6 dB higher than the Fresnel lens and 2.7 dB higher than the hyperbolic lens.

Les nanostructures ont montré leur utilité dans diverses applications optiques. Notre intérêt s'est porté sur deux d'entre elles : le filtrage spectral et la spectroscopie d'absorption. Dans le premier cas, l'application est notamment limitée par la réjection hors de la bande passante des nanostructures filtrantes.Dans cette thèse, j'ai étudié et développé une structure membranaire composée de deux réseaux métalliques sublongueur d'onde encapsulés dans un diélectrique. Cette structure présente une extinction aux hautes longueurs d'onde qui permet d'améliorer la réjection du filtre. Un procédé de fabrication a été développé, et les caractérisations optiques ont permis de mettre en évidence expérimentalement la présence de l'extinction de la transmission.Dans le second cas, les nanoantennes classiquement utilisées nécessitent une optimisation de la structure pour chaque liaison observée et limitent le type de molécules détectables. J'ai proposé une nouvelle méthode de spectroscopie d'absorption de molécules basée sur des nanogrilles. Ces structures composées d'un réseau de barreaux diélectriques suspendus présentent une réflexion parfaite perturbée par la présence de molécules autour de ces barreaux. J'ai montré théoriquement le potentiel de cette méthode basée sur le balayage spectral de la réflexion résonante grâce à l'angle d'incidence et je l'ai comparée aux nanoantennes métalliques décrites dans la littérature.J'ai ensuite fabriqué et caractérisé des nanogrilles de deux sections différentes et montré l'impact de paramètres expérimentaux sur notre méthode de détection. / Nanostructures have demonstrated their utility in different optical applications. Our interest has focused on two of them: the spectral filtering and absorption spectroscopy. In the first case, the application is limited in particular by the rejection outside the passband of the filter nanostructures.In this thesis, I studied and developed a free-standing structure composed of two metalic subwavelength gratings encapsulated in a dielectric. This structure has an extinction at high wavelengths which improves the filter rejection. A fabricating process has been developed, and optical characterizations demonstrate experimentally the presence of the extinction of the transmission.In the second case, the nanoantennas conventionally used require optimization of the structure for each observed bond and limit the type of detectable molecules. I have proposed a new method of absorption spectroscopy of molecules based on nanorods. These structures composed of a free-standing dielectric rods array exhibit a perfect reflection disturbed by the presence of molecules around these rods. I have theoretically shown the potential of this method based on the spectral scanning reflection resonant with the incident angle and I compared to metalic nanoantennas described in the literature.Then, I fabricated and characterized nanogrilles of two different sections and showed the impact of experimental parameters on our detection method.

Les nanotechnologies ont atteint une maturité qui permet de concevoir, avec un haut niveau de fiabilité, des composants fonctionnalisés pour des systèmes optiques complexes. Cette thèse traite, dans ce cadre, du filtrage spectral. J'ai ainsi proposé un nouveau concept de filtre composé d'un guide d'onde en diélectrique et d'un réseau métallique sub-longueur d'onde. Dans un premier temps, j'ai conçu, fabriqué et caractérisé des structures (unidimensionnelles 1D ou bidimensionnelles 2D) basées sur ce concept. J'ai mené l'analyse détaillée du mécanisme de résonance, et j'ai étudié les propriétés de ces structures en termes d'accordabilité spectrale, de polarisation, d'efficacité de réjection, et de tolérance angulaire. J'ai par la suite proposé des variantes de ces structures pour en améliorer l'efficacité de réjection et la tolérance angulaire. Dans un deuxième temps, j'ai entrepris d'utiliser les différentes variantes de ce type de composant pour des applications de filtrage angulaire ou d'imagerie multispectrale. Concernant cette dernière, une matrice de 24 filtres a été optimisée et intégrée dans une caméra multispectrale infrarouge cryogénique pour des applications d'estimation de la concentration de CO2 ou de télémétrie. Les difficultés liées aux conditions réelles d'utilisation de la caméra sont mises en évidence et des solutions sont proposées pour améliorer nos résultats, déjà très encourageants.

Ce travail de thèse, essentiellement théorique et basé sur une approche modale, porte sur les propriétés optiques de surfaces métalliques comportant un certain nombre de gravures de profil rectangulaire dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière incidente.<br />Ces surfaces présentent des anomalies de réflexion liées à des exaltations locales du champ électromagnétique, dues notamment à des résonances de type Fabry-Pérot à l'intérieur des sillons. L'analyse du problème d'un couple de cavités sub-longueur d'onde, couplées en champ proche, montre comment on peut générer des "points chauds" et contrôler la localisation de la lumière à l'échelle sub-longueur d'onde. Les applications sont de première importance: commutation optique, adressage quantitatif de la lumière, diffusion Raman exaltée en<br />surface (SERS)... On s'intéresse également aux effets de localisations liés au désordre structurel: la rupture de symétrie d'un arrangement périodique génère différents jeux d'allumage des cavités, très sensibles à la fréquence d'excitation. Certaines prédictions théoriques sont étayées expérimentalement.<br />Enfin, le cas des réseaux lamellaires très fortement sub-longueur d'onde est examiné, en lien avec l'Absorption Optique Anormale et l'effet SERS observés sur certains films métalliques rugueux. Les exaltations géantes du champ électrique, calculées dans les nano-cavités par la méthode modale exacte, dans le domaine visible, s'expliquent par l'excitation de plasmons-polaritons de surface dont les vecteurs d'onde sont très supérieurs à ceux de la lumière.

Les objets structurés à l'échelle sub-longueur d'onde sont le siège d'interactions lumièrematière permettant d'obtenir des résonances d'amplitude extraordinaire localisées spectralement. Ils permettent ainsi la réalisation de filtres spectraux dans l'infrarouge. Pour améliorer les performances de ces filtres et ce, notamment en termes d'efficacité de réjection, j'ai étudié au cours de ma thèse la superposition de structures sub-longueur d'onde identiques mettant en jeu des modes évanescents et propagatifs. J'ai ainsi mis en évidence la présence d'une extinction extraordinaire de la transmission ou de la réflexion lorsque les structures sont en champ proche. L'origine de ce phénomène est révélée dans ce manuscrit grâce à la mise en place d'une approche heuristique basée sur la formule de Mason et la traduction des interactions entre les modes propagatifs et évanescents en graphes de fluence. J'ai ainsi pu établir des règles de conception qui ouvrent la voie vers le design de structures filtrantes hautes performances à forte efficacité de réjection hors bande passante. De manière à valider cette étude théorique, j'ai conçu et fabriqué une structure encapsulée dans du diélectrique qui a permis de démontrer la fonction d'amélioration de l'efficacité de réjection dans les structures superposées. Parallèlement, j'ai cherché à étudier l'agilité spectrale de cette extinction extraordinaire en superposant dynamiquement deux structures filtrantes par le biais d'actionneurs piézoélectriques. Véritable challenge expérimental, ce banc a nécessité la mise en place d'une procédure d'alignement originale des réseaux sublongueur d'onde pour une mise en champ proche par assemblage.

Dans le domaine du proche infrarouge et du moyen infrarouge (3-10 µm), les besoins évoluent vers une plus grande complexité des fonctions optiques et un niveau d'intégration plus élevé des systèmes. Ceci est particulièrement vrai dans un contexte spatial ou aéronautique visant à l'observation de la terre, où l'on cherche simultanément à accroître le nombre de bandes spectrales acquises et à miniaturiser les systèmes d'observation. Cela se traduit notamment par une pixellisation des filtres afin que ceux-ci soient intégrés dans une matrice réalisant plusieurs fonctions optiques. Or, les méthodes traditionnelles de fabrication de filtres optiques utilisant des empilements de couches minces n'ont pas démontré leur capacité à répondre au besoin de pixellisation dans l'infrarouge. C'est pourquoi il est nécessaire d'étudier de nouveaux concepts de filtrages issus du domaine de la photonique permettant de s'affranchir de ces limitations. Les "zero-contrast gratings" (ZCG),qui constituent une sous-catégorie des réseaux résonnants, ont démontré leur capacité à réaliser des filtres en transmission accordables de grande efficacité dans le proche-infrarouge, tout en ayant une structure très simple. Néanmoins, leur faible bande passante et leur tolérance angulaire réduite en limitent la pertinence pour des applications pixellisées dans le moyen-infrarouge. Nous présentons dans cette thèse diverses structures basées sur ce même concept de ZCG. D'une part nous introduisons des filtres 1D doublement corrugués de bande passante variant entre 1 et 200 nm, dont les tailles de pixels accessibles sont de l'ordre de 100 µm, accordables sur une bande de 200 nm. D'autre part, nous avons développé un nouveau concept de filtre, dit "ZCG TE/TM" dont le fonctionnement permet de dépasser une limitation très restrictive des ZCGs conventionnels pour le choix des matériaux. La fabricabilité de ces dispositifs a été démontrée lors d'opérations technologiques menées en salle blanche. Un premier démonstrateur de filtre 1D doublement corrugué été caractérisé optiquement. / In the near-infrared (NIR) and mid-infrared (MIR) spectral domains (3-10 µm), requirements and needs evolve toward more complex optical functions and highly-integrated systems. This is especially relevant in the context of space and aeronautics applications for earth observation, where the aim is to increase the number of acquired spectral bands while simultaneously reducing the device footprint. These requirements translate into a pixelization of the filters so that they can be integrated into a mosaic which also performs the spatial filtering and different spectral functions. As of today, conventional thin films filter technologies haven't been shown to achieve this goal. As a result, different filtering concepts originating from the field of photonics which could overcome these limitations must be investigated. "Zero-contrast gratings" (ZCG) are a kind of guided-mode resonance filters that have proved to implement efficient tunable transmission filters in the MIR, while having a very simple structure. Nevertheless, their narrow transmission linewidth and weak angular acceptance hinder their applicability for pixelated applications in the MIR. We present in this work several structures based on the ZCG concept. On the one hand, we have introduced doubly-corrugated 1D filters with bandwidths ranging from 1 to 200 nm, allowing for 100 µm pixel sizes and tunable over a domain of 200 nm. On the other hand, we have shown a novel filtering concept, which we called "TE/TM ZCG". This new generation of ZCG is not bound by stringent material requirements inherent to conventionnal ZCGs. Their fabrica- bility have been demonstrated through cleanroom operations. A first doubly-corrugated 1D filter has been fabricated and characterized optically.

Les méthodes de retournement temporel (RT) en micro-ondes sont appliquées à l'amplification d'impulsions et à l'imagerie. Lors d'une première partie, une chambre réverbérante ouverte sur sa face avant permet d'engendrer un champ diffus tout en laissant s'échapper l'énergie afin de focaliser le champ par RT à l'extérieur. La compression spatiotemporelle après RT produit une impulsion de forte amplitude et confère au dispositif un caractère auto-adaptatif en position et en polarisation. La seconde partie traite expérimentalement et théoriquement de la méthode DORT (décomposition de l'opérateur de RT). Le cas d'un cylindre diélectrique est examiné dans le but de retrouver ses paramètres. L'imagerie de deux cibles séparées d'une distance sub-longueur d'onde est alors abordée. Un critère de résolution déterminant le niveau de bruit à partir duquel la résolution des cibles échoue est notamment extrait. La méthode est ensuite appliquée à la localisation de personnes mobiles derrière un mur. La possibilité de suivre un déplacement est illustrée en prenant en compte la propagation à l'intérieur du mur. L'influence du déplacement d'une cible ponctuelle pendant l'acquisition de la matrice de transfert sur les invariants de l'opérateur de RT est aussi examinée. Enfin, une technique d'imagerie passive fondée sur les corrélations du bruit ambiant est expérimentalement mise en évidence en micro-ondes. Suivant une analogie avec le RT, la corrélation de signaux de bruit large bande mène à la fonction de Green entre deux antennes et ainsi à la localisation de cibles. La localisation passive d'une personne est aussi abordée en « bande étroite » grâce à l'émission d'une borne WIFI.

Le développement de matériaux photoniques, et plus récemment des métamatériaux suscite aujourd'hui un véritable engouement, autant en acoustique qu'en électromagnétisme. Dans ce manuscrit, nous proposons une approche originale des milieux périodiques constitués de résonateurs sub-longueur d'ondes. Par une analyse électrodynamique de ces systèmes, nous mettons en évidence les phénomènes collectifs d'hybridation dus aux interactions électromagnétiques. Une modélisation fondée sur une approximation des résonateurs en dipôles électriques et magnétiques permet une étude analytique. D'une part, cette approche est complémentaire des modèles habituellement utilisés pour décrire l'ouverture de bandes interdites dans les milieux périodiques localement résonants. D'autre part, elle permet de quantifier les propriétés de rayonnement lorsque ces milieux sont de taille finie. Ces travaux sont appliqués à la conception d'une antenne miniature dont le diagramme de rayonnement est contrôlable en fréquence et en directivité. Un dispositif d'imagerie sub-longueur d'onde reposant sur le contrôle de modes propres localisés sur la structure a également été développé. Enfin, les propriétés d'hybridations de modes entre résonateurs demi longueur d'onde sont exploitées pour la conception d'une antenne dédiée à l'Imagerie par Résonance Magnétique. Cette antenne permet de générer et contrôler la distribution du champ magnétique radio-fréquence dans les zones à imager, ce qui s'avère être un défi majeur notamment face à la montée en champ magnétique des IRM.

Des applications comme les contre-mesures optiques nécessitent des sources puissantes et avec une bonne qualité de faisceau dans le moyen infrarouge. Le laser à cascade quantique (LCQ) est une solution prometteuse mais la puissance fournie par ces lasers n'est pas suffisante. La combinaison cohérente de plusieurs de ces sources devrait permettre de sommer leurs puissances tout en conservant la qualité de faisceau d'un émetteur unique et constitue donc une solution intéressante pour contourner l'actuelle limitation en puissance des LCQ.Nous présentons une étude théorique et expérimentale de la combinaison de faisceaux cohérente de LCQ dans une cavité externe commune utilisant un coupleur de faisceaux. La mise en phase est ici totalement passive puisque fondée sur la minimisation des pertes dans la cavité globale : on parle d'auto-organisation. Un modèle général permettant de quantifier l'efficacité de combinaison et la stabilité de telles cavités est développé. Dans un premier temps, on montre expérimentalement que la combinaison cohérente de deux LCQ dans une cavité Michelson est une solution efficace et stable. Pour combiner plus d'émetteurs il est nécessaire de concevoir des coupleurs de faisceaux dans le moyen infrarouge efficaces. Pour cela, nous avons étudié deux types de réseaux : les réseaux de phase binaire (réseaux de Dammann) et des structures à gradient d'indice composées de motifs sub-longueur d'onde. Le dessin et l'optimisation de telles structures fait appel à la théorie des milieux artificiels et nécessite l'utilisation d'un code de résolution rigoureuse des équations de Maxwell (RCWA). Enfin, la combinaison cohérente de cinq LCQ en cavité externe avec un coupleur de faisceaux est démontrée expérimentalement et la combinaison d'un plus grand nombre de LCQ est discutée. En conclusion, nous présentons une solution originale pour réaliser la combinaison cohérente passive de LCQ et ainsi apporter une solution à l'augmentation de puissance dans le moyen infrarouge.