La conception de filtres hautes fréquences requiert l’optimisation des paramètres physiques du filtre afin d’obtenir une réponse en fréquence qui remplit les conditions imposées par le gabarit de fréquence. Cette optimisation dépend de simulations électromagnétiques. La résolution de ces équations aux dérivées partielles étant très couteuse en temps de calcul, nous proposons de développer des modèles pour le filtre qui permettent de réduire le nombre de simulations EM nécessaires au réglage du filtre. Le but recherché est d’incorporer ces modèles dans une méthode de conception assistée par ordinateur. Dans cette thèse, je propose différentes approches pour la modélisation du filtre. La première approche utilise la matrice de couplage du filtre, qu’elle décrit en fonction des paramètres physiques. La deuxième approche modélise les paramètres S en fonction de ces mêmes paramètres. Dans la première méthode, on se concentre essentiellement sur l’extraction de la matrice de couplage physique. On introduit une technique pour estimer la matrice de sensibilité (le Jacobien) qui lie les paramètres physiques aux paramètres de couplage. Cette estimation utilise les sensibilités adjointes des paramètres. L’utilisation de cette information réduit drastiquement le nombre de simulations EM et donc le temps de calcul global. Une deuxième approche utilise le concept de méta-modèle. L’idée maitresse de cette approche est que l’évaluation de ce modèle est numériquement beaucoup plus avantageuse que celle des simulations EM. Les méthodes développées sont tour à tour appliquées à la conception de filtres complexes qui sont réalisés en technologie microstrip / The design of microwave bandpass filter generally requires optimization or fine-tuning of the physical design parameters in order to meet the electrical specifications given by a frequency template. In this thesis we develop models to assist the designer in the time-efficient physical design of the distributed element microwave filters. The aim is to incorporate these models in different CAD methods. By a time-efficient design, we mean a design that requires a low number of EM simulations. The EM-simulations typically represent the most time-consuming step during the optimization process. We propose different modeling approaches for the frequency response behavior of the filter. The first approach models the coupling matrix as a function of the physical design parameters and the second approach models the scattering parameters, again as a function of the physical parameters. In the first part we focus on the extraction of the coupling matrix. We introduce a novel CAT technique based on an efficient estimation of the Jacobian of the function relating the design parameters to the coupling parameters. The estimation of the Jacobian uses adjoint sensitivity analysis, which drastically reduces the number of required EM-simulations. In the second part of the thesis we propose an alternative modeling approach which is based on the concept of a metamodel. The idea is that the metamodel is numerically much cheaper to evaluate than the original simulation model while keeping an acceptable accuracy. We apply these methods to several state of-the-art microstrip bandpass filters

La logique supraconductrice RSFQ (Rapide Single Flux Quantum) est une solution très attractive pour le <br />traitement des données à très haute fréquence avec une dissipation très faible et des performances nettement <br />supérieures à ce que la technologie CMOS pourra offrir dans la prochaine décennie. La technologie RSFQ <br />en nitrure de niobium (NbN) en cours de développement au CEA-G est basée sur des jonctions Josephson <br />NbN/Ta_{X}N/NbN auto-shuntées qui présentent une fréquence d'oscillation maximum proche du THz jusqu'à <br />10 K. L'objectif de cette recherche a été d'appliquer cette technologie NbN 9K à un CAN (Convertisseur <br />Analogique-Numérique) adaptable aux télécommunications spatiales. Une architecture de type CAN <br />sigma-delta a été étudiée, sur-échantillonnant à 200 GHz de fréquence d'horloge un <br />signal avec une bande de 500 MHz et modulé sur une porteuse de 30 GHz. En particulier une horloge, <br />un comparateur et différents portes <br />logiques ont été étudiés et conçus pour opérer à 200 GHz ainsi qu'un modulateur sigma-delta passe-bande <br />du troisième ordre dont les performances SNR, SFDR, devraient après optimisation satisfaire les objectifs <br />visés. La complexité de l'architecture du filtre de décimation a été analysée. Certains composants de base <br />du filtre, des diviseurs de fréquence et des registres à décalage, ont été étudiés et dessinés, enfin quelques <br />méthodes de test du modulateur sont proposées. Le travail d'implémentation de circuits NbN en technologie <br />multi-niveaux a été traité conduisant à la réalisation complète de deux lots de circuits qui pour des raisons <br />technologiques clarifiées ensuite n'ont pu aboutir au test des portes logique du CAN. Cependant, les marges de <br />fonctionnement des portes logiques NbN ont été déterminées grâce à la caractérisation de jonctions, SQUIDs <br />et de filtres (résonateurs) micro-ondes. Finalement, une étude comparative entre des circuits à jonctions NbN <br />auto-shuntées opérant à 9K en réfrigération allégée et des circuits similaires obtenus en fonderie Nb basés sur <br />des jonctions Nb/AlO_{X}/Nb shuntées en externe opérant à 4K, démontre tous les avantages qu'on peut espérer <br />attendre de la technologie NbN.

L'hybridation des méthodes numériques est l'une des nombreuses pistes dans la recherche de la rapidité et de l'efficacité et de la précision d'une modélisation électromagnétique des structures complexes associant des parties de formes régulières de grandes dimensions électriques et des parties de formes complexes de dimensions plus modestes. Au lieu d'une seule formulation globale, on cherche à appliquer l'hybridation de plusieurs méthodes numériques notamment la méthode variationnelle multimodale (MVM), la méthode des éléments finis (FEM) et les réseaux de neurones artificiels. Un nouveau schéma hybride original qui combine la MVM et la FEM a été proposé pour caractériser une discontinuité complexe dans un guide d'onde rectangulaire. Les résultats obtenus tout en étant conformes aux résultats fournis par les simulateurs commerciaux et les résultats expérimentaux, apportent une amélioration sensible quant au temps de calcul. Le schéma hybride a été étendu pour la caractérisation des discontinuités complexes en cascade et appliqué à la conception de filtres micro-onde présentant des discontinuités complexes permettant ainsi un gain de temps très important. L'hybridation des réseaux de neurones artificiels et les méthodes modales a amélioré le temps de calcul pour l'analyse des discontinuités simples dans les guides d'onde rectangulaires ce qui a permis d'améliorer l'optimisation des filtres à guides d'ondes nervurés. / Hybridization of numerical methods is one inventive way in the research of the rapidity, the efficiency and the precision of the electromagnetic modeling of complex structures joining straight and large elements with complex and small ones. Instead of a global and unique formulation, we hybridize many numerical methods which are the modal methods, the finite element methods and the artificial neural networks. A novel computer- ided design (CAD) tool of complex passive microwave devices in rectangular waveguide technology is suggested. The multimodal variational method is applied to the full-wave description in the rectangular waveguides while the finite element analysis characterizes waves in the arbitrarily shaped discontinuities. The suggested hybrid approach is successfully applied to the full-wave analysis of complex discontinuities with great practical interest, thus improving CPU time and memory storage against several full-wave finite element method (FEM) based CAD tools. The proposed hybrid CAD tool is successfully extended to the design of filters with cascaded complex discontinuities. The hybridization of modal methods and the artificial neural networks improved the CPU time in the analysis of simple waveguide discontinuities which enhanced the optimization of rectangular ridged waveguide filters.

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.