La génération de signaux microondes, millimétriques, voire THz par voie optique est actuellement une solution technique privilégiée pour la réalisation de systèmes de (télé)communications mobiles haut débit mais encore, les réseaux de distribution d'oscillateurs locaux et de signaux d'observation ou de radar intra- satellitaires, la distribution de signaux vidéo, la communication automobile, les systèmes de visualisation THz pour la sécurité, etc..... Nous reportons ici la réalisation et la caractérisation d'une source optique ultra-compacte en matériau semiconducteur permettant de générer deux modes optiques séparés de la fréquence que l'on désire créer au niveau de la photodétection. Cette source prend la forme d'un laser DFB bi-longueur d'onde émettant dans la gamme de longueurs d'onde autour de 1,55μm. Le composant a été fabriqué chez Alcatel- Thales III-VLab à partir d'une technologie propriétaire de laser DFB et dans le cade du projet Européen IPHOBAC. Différents objectifs avaient été fixés pour ce composant: accordabilité de l'écartement intermodal jusque 300 GHz, largeur de raie de l'ordre du MHz et divergence dans le plan horizontal et vertical de 10°. Le premier objectif a été atteint par la réalisation de deux lasers DFB dont l'écart de pas de réseau est différent de 0,3nm et par la variation des courants d'injection de chaque section. Le second a été globalement atteint par l'utilisation d'une structure active à puits quantiques, une nouvelle version du composant utilisant des boites quantiques devrait remplir complètement cet objectif. Le dernier objectif a été partiellement atteint par la conception et l'adjonction d'un adaptateur de mode en sortie de composant, la divergence obtenue est de 10°x17° (HxV). Dans le plan vertical, les 10° de divergence n'ont pas pu être obtenus principalement à cause de la structure du composant et des limitations que l'on s'était imposées sur la longueur totale de celui-ci.

La multiplication des besoins des utilisateurs dans le domaine des télécommunications a conduit à une surexploitation du spectre de fréquence. Ceci a engendré la raréfaction des bandes de fréquence conduisant à une nécessité de gestion rationnelle des fréquences. Des contraintes ont été rajoutées aux systèmes d'émission / réception et en particulier sur les filtres pour éviter la saturation des services. Dans cette thèse, les travaux s'orientent surtout vers la conception de résonateurs, de filtres planaires et volumiques (3D) accordables dans le domaine des fréquences millimétriques (>= 30 GHz) en utilisant une nouvelle technique d'accordabilité basée sur des principes microfluidiques. Il s'agit d'une nouvelle approche d'agilité qui consiste à faire circuler de la matière (liquides conducteur, diélectrique ou magnétique) dans un substrat diélectrique par le biais de micro canaux. Le substrat diélectrique utilisé, est une résine SU-8 qui offre une souplesse dans la réalisation des micros canaux et des structures volumiques grâce à son bon facteur de forme (≈ 50%). La circulation de liquides dans le substrat, permet de modifier localement les propriétés électromagnétiques du milieu, ce qui conduit à une modification de la fréquence de résonance du dispositif.

La technologie MEMS pour les applications hyperfréquences, s'est développée depuis quelques années<br />avec pour objectif d'améliorer les performances des circuits et dispositifs microondes. De nombreux composants<br />ont été développés, démontrant alors une importante réduction des pertes et une plus grande linéarité que leurs<br />principaux concurrents: les composants semi-conducteurs. Notre étude a porté donc sur la conception d'un<br />micro-commutateur et son intégration dans des circuits microondes reconfigurables.<br />Dans un premier temps, nous présentons dans le manuscrit un état de l'art de la technologie MEMS et<br />des composants hyperfréquences qui en résultent. Le fonctionnement de commutateurs micromécaniques y est<br />plus particulièrement étudié. Les principaux atouts et limitations sont également présentés avec quelques<br />domaines d'application où ces composants peuvent contribuer à une amélioration de performances.<br />La seconde partie de ces travaux est dédiée à la conception mécanique et électromagnétique d'un microcommutateur<br />à contact ohmique. L'objectif de cette étude était de réaliser un composant fiable avec de bonnes<br />performances. L'optimisation de ce composant y est présentée, validée par des performances mécaniques et<br />électriques des dispositifs réalisés.<br />La dernière partie de ces travaux concerne le développement de nouvelles topologies de circuits<br />hyperfréquences reconfigurables équipés de micro-commutateurs à contact ohmique. Nous y présentons trois<br />applications dont la conception de filtres passe-bande avec un accord discret sur une large plage de fréquences<br />(20% et 44% d'accord). Nous montrons également comment maintenir les pertes de ces dispositifs à un faible<br />niveau, en conservant les facteurs de qualité de ces composants reconfigurables à une valeur élevée.

Ce travail a comme but l'étude de nouveaux cristaux dopés à l'ion ytterbium, pour le développement de lasers efficaces (et éventuellement accordables) émettant vers 1 µm. La première partie traite des performances laser en pompage par diode de forte puissance (10-15 W) de nouveaux cristaux : l'Yb:GGG, l'Yb:GdCOB, l'Yb:BOYS (et l'Yb:CaBOYS), l'Yb:SYS et l'Yb:YSO. L'efficacité, l'accordabilité, et le comportement thermique de ces matériaux est discutée, et illustrée, lorsque cela est pertinent, par une comparaison entre matériaux voisins. Les effets thermiques limitent la montée en puissance dans la plupart de ces nouveaux matériaux : leur étude détaillée fait l'objet de la seconde partie. Nous commençons par une synthèse théorique sur les effets thermiques et thermomécaniques dans les lasers solides. Après une description des différentes méthodes expérimentales d'investigation des effets thermiques, nous décrivons le banc de mesure que nous avons mis en place. Il est basé sur un analyseur de front d'onde de Shack-Hartmann, et il permet la mesure des lentilles thermiques (et de leurs aberrations) dans des configurations de pompage longitudinal, en présence (ou non) d'effet laser. Nous décrivons les caractéristiques et les limitations de cet outil en détail. Des mesures de lentilles thermiques sont ensuite rapportées, pour la première fois, dans des matériaux dopés à l'ytterbium. Nous avons mis en évidence d'importants effets non radiatifs qui contribuent à la charge thermique, contrairement à ce qui est généralement admis. Nous détaillons alors comment, avec un modèle analytique simple, on peut déduire de ces mesures le rendement quantique et le coefficient thermo-optique des matériaux considérés. Nous avons également mis en évidence expérimentalement l'influence de la longueur d'onde laser sur la charge thermique, la réduction des effets thermiques dans des cristaux composites, ou encore la contribution significative de l'effet photoélastique à la lentille thermique dans l'Yb:GdCOB.

Cette thèse porte sur l’intégration de condensateurs accordables à base de BaxSr1-xTiO3 (BST), pour réaliser des dispositifs radiofréquences reconfigurables destinés aux antennes de téléphones portables. L’enjeu industriel principal est d’obtenir des condensateurs avec une forte accordabilité, de faibles pertes diélectriques et de faibles courants de fuite, en jouant sur la composition chimique du matériau et en contrôlant la chimie des défauts liés aux lacunes d’oxygène. La stratégie adoptée dans cette étude pour atteindre cet objectif est de doper le BST par du Mn en substitution du Ti et par du Cu en addition. Une étude complète de ces deux cas de dopage simple, réalisée à la fois sur des céramiques et des couches minces synthétisées à partir des mêmes solutions sol-gel, a dévoilé des mécanismes différents d’amélioration des propriétés diélectriques et électriques du matériau suivant le type de dopage. La complémentarité de ces deux dopants nous a alors conduit à explorer le codopage du BST en couche mince. Une architecture originale de codopage hétérogène a été mise en place, permettant de combiner les avantages des deux voies de dopage et de s’approcher fortement des spécifications imposées par le cahier des charges industriel. / This PhD work is about integration of BaxSr1-xTiO3 (BST) based tunable capacitors, in order to perform radiofrequency reconfigurable devices for cell phone antennas. The main industrial goal is to obtain capacitors with a high tunability, low dielectric losses and low leakage currents, by playing on the chemical composition of the material and by controlling the oxygen vacancy related defect chemistry. The strategy addressed in this study to reach this objective is doping the BST by Mn in substitution of Ti or by adding Cu. A full study of each case of doping, performed on both ceramics and thin films synthesized from the same sol-gel solutions, revealed different improvement mechanisms of the dielectric and electrical properties of the material according to the type of doping. The complementarity of the two doping ways has led us to investigate codoping of BST thin films. An original architecture of heterogeneous codoping has been set up, allowing to combine the benefits of each doping way and to closely meet the industrial specifications.

Ces travaux de thèse portent sur l‟étude de filtres « multi-fonctions » dont l‟objectif serait de réduire les dimensions des circuits réalisant les fonctions de filtrage dans les systèmes aéroportés. Ces travaux ont donc conduit à la réalisation de filtres large bande (2 – 18 GHz) réjecteurs développés en technologie MMIC utilisant la filière GaN, ainsi que des filtres large bande développés suivant la filière AsGa en technologie MMIC. Les différents filtres réjecteurs ont été conçus suivant deux principes :- Le premier basé sur une structure à résonateurs à lignes couplées. Les différents prototypes réalisés ont permis de montrer l‟accordabilité en fréquence grâce à une charge variable placée à l‟extrémité non court-circuité de la ligne couplée. Celle-ci peut être réalisée par une diode varactor ou par un transistor froid. Ces prototypes ont également permis de montrer la possibilité de fonctionner suivant un mode passe-tout ou un mode réjecteur par simple polarisation de transistors chargés à l‟extrémité de la ligne couplée.- Le second est basé sur l‟accordabilité de filtres actifs par commutation entre plusieurs canaux à l‟aide d‟une structure distribuée. Un prototype a été développé et réalisé en technologie AsGa. Cette structure permet à la fois une accordabilité en fréquences, ainsi qu‟en largeur de bande passante (par activation de plusieurs canaux de bandes passantes adjacentes), et une adaptation large bande. Cette structure réunit à la fois des fonctions d‟accordabilité en fréquences (entre 8,7 et 15,6 GHz) par polarisation d‟éléments actifs, ceux-ci permettant même d‟obtenir du gain (de l‟ordre de 10 dB). / The aim of this work is to study “multi-functions” filters with an objective to reduce the dimensions of the circuits used for filtering functions in airborne systems. This work allows to obtain wide band notch filters (from 2 to 18 GHz) developed in MMIC technology using theEtude de Filtres MMIC Hyperfréquences en Technologies GaN et AsGa. 152GaN process and wide band filters developed in GaAs technology. The notch filters have been realized with two principles:- The first one based on coupled lines resonators structure. The prototype manufactured allow to validate the frequency tunability thanks to a variable load placed at the end of the coupled line. This can be realized with a varactor diode or with a cold transistor. These prototypes allow also validating the possibility for the circuit to work as an “allpass” filter or as a notch filter by applying a bias voltage on the transistors placed at the end of the coupled line.- The second one is based on the tenability of active filters by commuting between several channels thanks to a distributed structure. A prototype has been developed and manufactured in GaAs technology. This structure allow a frequency tunability with also the possibility to tune the bandwidth (by activating seeral channels with edge bandwidth), and a wide band matching. This structure allows to obtain frequency tunability (between 8.7 and 15.6 GHz) by applying a bias voltage on the active elements which brin gain (around 10 dB).

La multiplication des besoins des utilisateurs dans le domaine des télécommunications a conduit à une surexploitation du spectre de fréquence. Ceci a engendré la raréfaction des bandes de fréquence conduisant à une nécessité de gestion rationnelle des fréquences. Des contraintes ont été rajoutées aux systèmes d’émission / réception et en particulier sur les filtres pour éviter la saturation des services. Dans cette thèse, les travaux s’orientent surtout vers la conception de résonateurs, de filtres planaires et volumiques (3D) accordables dans le domaine des fréquences millimétriques (>= 30 GHz) en utilisant une nouvelle technique d’accordabilité basée sur des principes microfluidiques. Il s’agit d’une nouvelle approche d’agilité qui consiste à faire circuler de la matière (liquides conducteur, diélectrique ou magnétique) dans un substrat diélectrique par le biais de micro canaux. Le substrat diélectrique utilisé, est une résine SU-8 qui offre une souplesse dans la réalisation des micros canaux et des structures volumiques grâce à son bon facteur de forme (≈ 50%). La circulation de liquides dans le substrat, permet de modifier localement les propriétés électromagnétiques du milieu, ce qui conduit à une modification de la fréquence de résonance du dispositif. / The proliferation of user needs in the field of telecommunications, has led to overexploitation of the frequency spectrum. This led to the scarcity of frequency bands leading to a need for efficient management of frequencies. Constraints were added to the transmitting / receiving systems and in particular on the filters to prevent the saturation of the services. In this thesis, work is mainly oriented towards the design of resonators, planar and volumetric (3D) tunable filters in the field of millimeter wave frequencies (> = 30 GHz) using a new tunable technique which is microfluidic. This is a new approach to agility which consists of circulating the material (conductive, dielectric or magnetic liquids) in a dielectric substrate through micro channels. The dielectric substrate used is a resin SU-8 which provides flexibility in the implementation of microchannels and volumetric structures thanks to its good form factor (≈ 50%). The circulation of fluid in the substrate allows to locally modifying the electromagnetic properties of the medium. This leads to a change in the resonant frequency of the device.

Les techniques permettant de maitriser la vitesse de la lumière, au-delà de l'intérêt scientifique qu'elles suscitent, peuvent être appliquées au domaine radar. Elles permettent, ainsi, de remplacer avantageusement les retards optiques, jusqu'alors réalisés par des modifications géométriques du chemin optique. L’objectif de la thèse est d’étudier la lumière lente et rapide créée par oscillations cohérentes de population dans les amplificateurs à semi-conducteurs.Nous avons évalué théoriquement et expérimentalement les performances d’une ligne à retards accordables, en termes d’amplitude des retards et déphasages accordables, et de bandes passantes. Nous avons aussi étudié l’impact des oscillations cohérentes de population sur les facteurs de mérite de la liaison opto-électronique. La compréhension des mécanismes physiques mis en jeu nous a amenés à proposer des solutions pour contourner les limites identifiées du composant. Nous avons montré qu’il était possible d’utiliser les lignes à retards accordables au delà de l’inverse du temps de vie des porteurs (500 MHz) en utilisant la montée en fréquence des oscillations cohérentes de population par modulation croisée de gain. Nous avons ainsi obtenu des retards accordables de 389 ps à 16 GHz, sur une bande passante instantanée de 360 MHz. Enfin nous avons proposé une architecture permettant d’obtenir des déphasages accordables proches de 180 degrés à haute fréquence, en substituant l’effet du couplage gain-indice, révélé par l’utilisation d’un filtre optique, par l’excitation paramétrique des oscillations cohérentes de population. Nous avons utilisé ce principe, qui permet par exemple d’atteindre un déphasage accordable de 162 degrés à 2,2 GHz, pour concevoir un oscillateur optoélectronique fonctionnant à 2,2 GHz. La fréquence de ce dernier est rapidement accordable sur 6 MHz à l’aide du courant d’injection de l’amplificateur à semi-conducteur. / Slow and fast light is becoming a wide research field driven by an extensive effort to implement this new technology in real applications. Coherent population oscillations in semiconductor optical amplifiers constitute one of the most promising approaches, in particular for the processing of optically carried microwave signals, which includes the control of tunable true time delays and RF phase shifts.We studied theoretically and experimentally the available tunable delays and phase shifts and the associated bandwidths for a microwave photonics link including a semiconductor optical amplifier. We analyzed the influence of the coherent population oscillations on the dynamic range of the link.The understanding of the underlying physical mechanisms led us to propose new architectures in order to overcome the identified limitations of the components. We show how up-converted coherent population oscillations enable to get rid of the intrinsic limitation of the carrier lifetime (500 MHz), leading to the generation of true time delays at any high frequencies in a single semiconductor device. We demonstrated tunable delays up to 389 ps at 16 GHz, with an instantaneous bandwidth of 360 MHz.Lastly we demonstrate how to conceive a RF phase shifter up to 180 degrees at high frequency by forced coherent population oscillations. This effect replaces the enhancement of the coherent population oscillations by gain-index coupling effect, revealed by an optical filter. We used this principle, which enables to achieve a tunable phase shift up to 162 degrees at 2,2 GHz, in order to conceive an optoelectronic oscillator at 2,2 GHz. The frequency of this oscillator is fast tunable over 6 MHz by changing the current of the semiconductor amplifier.

Ce manuscrit présente une synthèse de mes activités de recherche, réalisées principalement au sein du département Minacom du laboratoire XLIM. Fortement multidisciplinaires, elles sont orientées vers la réalisation de dispositifs et systèmes originaux (intégration des matériaux innovants ou développement des dispositifs MEMS pour l'optique) dédiés à la microélectronique (basses et hautes fréquences) et au domaine de l'optique. Après une première partie résumant l'ensemble des activités de recherche et d'encadrement doctoral, la deuxième partie du manuscrit est dédiée à la présentation explicite des travaux de recherche. Tout d'abord, nous présentons le développement des composants MOEMS (ou MEMS optiques) et leur intégration (comme modulateurs actifs et, en même temps, miroirs de fond de cavité) dans des systèmes lasers à fibre. Nous montrons que l'association de ces modulateurs compacts et rapides au déclenchement de cavités lasers courtes, permet d'obtenir des impulsions laser très courtes, en régime nanoseconde. Ces microcomposants offrent un fort potentiel de miniaturisation et de réduction du coût des sources lasers impulsionnelles à fibre optique et montrent également leur capacité à atteindre des fréquences de fonctionnement supérieures au mégahertz, compatible au régime à verrouillage de modes d'une cavité laser. Leur robustesse et leur faible niveau d'activation (10 V-50 V) en font de bons candidats pour remplacer les solutions de modulations actuels (électro- ou acousto-optiques). Par la suite, nos recherches se sont étendues à l'association des sources lasers avec les propriétés remarquables des dispositifs MOEMS (compacité, faibles pertes d'insertion, achromaticité etc.) pour créer des systèmes lasers impulsionnels complexes : lasers fibrés avec des impulsions nanosecondes de forte puissance crête avec fréquences de récurrence ajustable, systèmes lasers bi- longueur d'onde, système de sélectivité spectrale en utilisant une source de continuum et une matrice de micro- miroirs, multiplexage temporel et spectral de sources lasers à MOEMS pour un fonctionnement à haute cadence etc. Les résultats obtenus permettent d'envisager des développements innovants dans des domaines comme la bio- photoniques (diagnostic ou tri cellulaire, tomographie optique cohérente), télécommunications, microscopie confocale, radar optique, etc. La suite du travail présenté dans ce mémoire concerne la conception et la fabrication de dispositifs reconfigurables pour la microélectronique basses et hautes fréquences (du DC aux fréquences THz) basés sur la transition réversible semi-conducteur- métal (Metal- Insulator Transition - MIT ou transition de Mott) d'un matériau " intelligent " : le dioxyde de vanadium, VO2. Actuellement, les matériaux intelligents font l'objet de beaucoup d'attention de la part de la communauté scientifique à cause de leurs caractères évolutifs et adaptatifs qui font d'eux des candidats potentiels pour de nombreuses applications (transmission de l'information, optoélectronique, matériaux artificiels). Nous avons utilisé les propriétés exceptionnels du matériau VO2 en couches minces pour concevoir et développer de nouveaux concepts de commutateurs et de dispositifs rapides fonctionnant dans les domaines DC, RF -micro-ondes, Térahertz et optique. Nous montrons que dans le couches minces de VO2 obtenus par ablation laser (PLD) ou par évaporation à faisceaux d'électrons, cette transition MIT est accompagnée par un changement rapide et remarquable des propriétés électriques et optiques du matériau (e.g. changement de quatre à cinq ordres de grandeur de résistivité entre les deux états). La transition MIT dans le matériau VO2 peut être initiée de différentes manières : thermiquement, électriquement ou optiquement. Dans un premier temps, nous exploitons l'important changement des propriétés électriques/ diélectriques de ce matériau soumis à un actionnement thermique et électrique pour réaliser des commutateurs micro-ondes en technologie coplanaire, et ensuite des dispositifs plus complexes comme des limiteurs de puissance large bande, des filtres micro-ondes à rejection de bande et à fréquences accordables ou encore des composants hybrides type métamatériaux accordables dans le domaine THz. Les composants intégrant le matériau VO2 présentent des propriétés intéressantes, notamment sur le plan des caractéristiques électriques ou ils montrent un comportement très large bande et de fortes isolations. Ils peuvent se positionner comme des solutions alternatives intéressantes aux technologies classiques (semi-conducteurs et dispositifs électromécaniques) utilisées dans la fabrication de composants millimétriques et submillimétriques. A un niveau plus fondamental (mais avec des applications potentiels très intéressantes), nous avons caractérisé les propriétés électriques fortement non-linéaires des couches minces de VO2 (apparition du phénomène de résistance négative différentielle (NDR) dans leurs caractéristiques courant-tension) et nous avons mis en évidence, la génération d'auto-oscillations électriques dans des dispositifs à base de films de VO2. Ces résultats nous permettent d'envisager dans un futur proche plusieurs directions de recherche innovantes basées sur l'utilisation des matériaux présentant des transitions MIT ou des transitions de phase, sous la forme de couches minces ou de nanostructures (nano-agrégats, nano-fils etc.). La dernière partie du mémoire est dédié aux perspectives de recherche à moyen et long terme en systématisant les directions de recherches que nous poursuivrons dans les prochaines années autour de l'étude et l'intégration de matériaux à propriétés accordables (couches minces ou nanostructures) dans des dispositifs innovants pour des applications comme le traitement de l'information, l'énergie ou la détection de grandeurs physiques variées.