La conception, fabrication et caractérisation d’un récepteur hétérodyne à 1.2 THz a été effectuée par le Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères (LERMA) et constitue la base de ce rapport de thèse. Les études, analyse et résultats présentés dans ce manuscrit ont été effectués dans le cadre la mission JUpiter ICe moon Explorer (JUICE). JUICE est la première des grandes missions proposées à l’agenda du programme spatial Cosmic Vision 2015-2025 de l’Agence Spatial Européenne (ESA). La mission satellitaire JUICE est consacrée à l’étude du système Jovien. La charge utile du satellite est composée de 10 instruments à l’état-de-l’art et d'une expérience. Le développement du récepteur hétérodyne à 1.2 THz présenté dans cette thèse est dédié à SWI, acronyme anglais de “Submillimeter Wave Instrument", qui, grâce à une résolution spectrale de 107, étudiera à partir de 2030 la structure, la composition et la dynamique des températures de la stratosphère et de la troposphère de Jupiter ainsi que les exosphères et les surfaces des lunes glacées. La partie haute fréquence du récepteur est complètement basée sur la technologie de diodes Schottky planaires sur membrane d'arséniure de galium (GaAs), appelées “Planar Schottky Barrier Diodes” (PSBDs) dans le manuscrit. La réalisation du canal à 1.2 THz de SWI basé sur la technologie Schottky et entièrement développé par le consortium européen, dont fait parti le LERMA, a été le défi le plus significatif rencontré par ce dernier. L'extrême réduction de la taille des anodes des diodes Schottky nécessaire pour monter aux fréquences du THz a été atteinte en collaboration avec le Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN) en utilisant la lithographie électronique pour la fabrication de véritables “Monolithic Microwave Integrated Circuits” (MMIC).Une partie importante du ce rapport de thèse et consacrée à l’étude des phénomènes physiques additionnels qui apparaissent quand les dimensions des diodes sont fortement réduites. En particulier, les modifications du comportement résistif et capacitif des diodes Schottky dues à des phénomènes microscopiques bidimensionnels ont été étudiées au moyen d’un simulateur bidimensionnel Monte Carlo (2D-MC), en collaboration avec l’Université de Salamanca, en Espagne.Comme détaillé dans ce manuscrit, la caractérisation précise du comportement capacitif de la diode Schottky est un point critique pour déterminer la plage de fréquences de leur utilisation pour une application donnée. Toute modélisation imprécise de cette propriété de la diode peut entrainer un décalage significatif de la plage de fréquences d’opération d'un circuit THz.Cependant, la modélisation précise des diodes Schottky à ultra-hautes fréquences, n'est qu'une des étapes requises pour réussir à concevoir correctement un circuit THz. L’analyse précise et méticuleuse de l’interaction entre le comportement électromagnétique du chip MMIC et le comportement physique des diodes Schottky a été le but le plus important poursuit dans ce travail doctoral pour le développement du récepteur à 1.2 THz. Cette tâche a été abordée en utilisant les outils commerciaux “High Frequency Simulation/Structure Software” (Ansys-HFSS) et “Keysight Advance Design System” (Keysight-ADS). La combinaison des simulations électromagnétiques des structures tridimensionnelles du chip MMIC (Ansys-HFSS) et les simulations du comportement électrique non-linéaire de la diode Schottky (Keysight-ADS) est la manière actuelle d'aborder la conception de ce type de circuits THz. Le modèle électrique analytique de la diode requis par l’outil ADS a été défini par l'auteur conformément aux résultats précédemment obtenus avec le simulateur physique Monte Carlo. L’implémentation du modèle étendu de la diode Schottky dans cette méthode pour la conception et l'optimisation de chaque étage du récepteur à 1.2THz, est le sujet développé dans ce rapport de thèse. / The design, fabrication and testing of a frequency heterodyne receiver at 1.2 THz has been developed by Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères (LERMA) and it is the foundation of this dissertation. The studies, analysis and results presented in this manuscript have been carried out within the framework of the JUpiter ICe moon Explorer (JUICE) mission. JUICE is one of the proposed missions in the agenda of the European Space Agency (ESA) Cosmic Vision 2015-2025 program. The objective of the JUICE satellite mission is to study the Jovian system, especially the Jupiter atmosphere properties and the surface characteristics of its icy moons. Scientific equipment consisting of ten state-of-the-art instruments and one experiment comprise the payload of this satellite. The development of a 1.2 THz channel is part of the Submillimeter Wave Instrument (SWI) devoted to recovering the spectroscopy data of the Jupiter atmosphere and icy-moons’ surface composition. The scientific principle for this receiver is all-solid-state semiconductor technology based in GaAs Planar Schottky Barrier Diodes (PSBDs). The achievement of a 1.2 THz channel based in PSBDs totally developed by European partners was the major challenge proposed for SWI, with LERMA committed to this assignment. The required ultra-scaling of the Schottky anode size of PSBDs in the attainment of the THz range has been achieved in collaboration with Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN) using e-beam photolithography in the fabrication of Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMIC). An important part of this dissertation addresses the appearance of additional physical phenomena when ultrascaling solid-state PSBDs. Particularly, the modification of the electrical resistivity and capacitance of SBDs due to two-dimensional phenomena has been studied by means of a physical microscopic Two-Dimensional Monte Carlo (2D-MC) simulator, in collaboration with the University of Salamanca, Salamanca, Spain. As discussed within this manuscript, the accurate characterization of the diode capacitance is one of the critical points when opening a frequency window in the required frequency range of a THz application. A misunderstanding of this modified capacitance during the design of these devices can lead to a considerable offset in the frequency range of the experimental module. However, the accurate modeling of PSBDs in such high frequency applications is only a part of the expertise required for the successful completion of this challenge. The accurate and meticulous analysis of the interrelationship between the electromagnetic behavior of the MMIC chip and the physical behavior of the integrated PSBDs is the main challenge faced in this dissertation for the development of the 1.2 THz receiver. This task has been addressed using the commercial Ansys High Frequency Simulation/Structure Software (Ansys-HFSS) and the Keysight Advance Design System (Keysight-ADS). The combination of the three-dimensional electromagnetic characterization of the chip structure (obtained with HFSS) with the non-linear electrical circuit simulation (carried out by ADS) of diodes is the current methodology for the design of these modules. The analytical electrical model of PSBDs required by ADS software has been defined by this author in agreement with the results obtained with the 2D-MC simulator. The implementation of this approach in the design and optimization of the different stages of the accomplished 1.2 THz receiver is the main subject of this dissertation. The interaction between the physical model of the PSBDs and the electromagnetic modeling of the structure will be discussed within the different chapters of this dissertation. Finally, the mechanical engineering of these applications must be addressed in this discussion.

La détection hétérodyne infrarouge est une technique qui a été développée principalement pour améliorer la détectivité des détecteurs infrarouges, en particulier dans la fenêtre 8-12 μm. Cette technique a longtemps été étroitement associée à l’usage de lasers à gaz. Les domaines d’applications ont été principalement les études astrophysiques et atmosphériques. Peu d’autres applications ont pu être envisagées du fait de la complexité de mise en oeuvre et de l’encombrement de ce type d’instruments. Les progrès récents dans le domaine des lasers à semi-conducteurs (les lasers à cascade quantique - QCL - couvrent une grande partie du spectre infrarouge) permettent d’envisager de nouveaux développements et de nouvelles applications pour la détection hétérodyne infrarouge, par exemple pour la détection et l’identification à distance de molécules d’intérêt atmosphérique telles que les polluants. Les principaux atouts de la détection hétérodyne concernent la sélectivité spectrale et directionnelle de l’instrument. Elle est applicable dans le domaine civil aux molécules d’intérêt atmosphérique telles que l’ozone et le dioxyde de carbone et pour le domaine militaire à la détection d’espèces dangereuses. Un récepteur hétérodyne a été réalisé avec un QCL émettant autour de 10 μm et un corps noir stabilisé en température. Dans ce but, plusieurs systèmes ont été envisagés : un système à base de lentilles, un autre à base de miroirs paraboliques hors axes et un dernier à base de fibres optiques moyen infrarouge. Parallèlement, un héliostat a aussi été développé dans le but de réaliser des mesures atmosphériques. / Infrared heterodyne sensing is a technique which has been developed primarily toimprove the detectivity of infrared detectors, particularly in the 8 − 12 μm window. This technique has long been closely associated with the use of gas lasers. The fields of application were mainly astrophysical and atmospheric studies. Due to the complexity of implementation and the size of this type of instrument, ew other applications could have been envisaged. Recent progress in the field of semiconductor lasers (Quantum Cascade Laser - QCL - cover a large part of the infrared spectrum) enable to consider new developments and new applications for infrared heterodyne sensing, for example for the remote detection and identification of atmospheric molecules, such as pollutants. The main advantages of heterodyne sensing concern spectral and directional selectivity of the instrument. It is applicable in civil sector to atmospheric molecules such as ozone and carbon dioxide, and for the military one to detect hazardous species. A heterodyne receiver has been developed with a QCL emitting at around 10 μm and a temperature stabilized black body. To this end, several systems were considered: a system based on lens, another one based on off-axis parabolic mirrors and a last one based on mid-infrared optical fibers. Meanwhile, a heliostat has also been developed in order to do atmospheric measurements.

De nos jours, l’apport de la miniaturisation a permis d’innombrables progrès scientifiques et techniques : de la microélectronique à la microfluidique et dernièrement les nanotechnologies. Autant de domaines où les enjeux économiques de suivi de qualité ou d’optimisation de production peuvent nécessiter une étape de caractérisation des propriétés intrinsèques des constituants. Parmi ces propriétés, les données thermophysiques permettent notamment de définir la capacité à stocker ou diffuser la chaleur (conductivité, effusivité ou conductivité thermique par exemple). Une manière d’estimer ces propriétés passe par la connaissance du champ de température. Aux échelles microscopiques, seules des mesures de températures sans contact sont plus adaptées. Les travaux de cette thèse rentrent dans cette catégorie en présentant une méthode de caractérisation de propriétés thermophysiques aux échelles microscopiques par le biais de la thermographie infrarouge. En prenant exemple sur les méthodes hétérodynes développées pour la thermoréflectance, nous avons mis au point un stroboscope électronique dédiée à la thermographie infrarouge et permettant de suivre des excitations thermiques locales et périodiques de fréquences caractéristiques de l’ordre du kilohertz avec fréquence d’acquisition caméra de 25 Hz. En couplant cette méthode, que nous qualifierons de méthode d’Hétérodynage, avec une observation microscopique nous pouvons ainsi observer des phénomènes de diffusion longitudinale localisée à la surface d’échantillons diffusifs tels que les métaux et impossible à obtenir avec les applications standard de thermographie infrarouge. A partir de ces données expérimentales, nous montrons sur deux échantillons la manière de remonter à des valeurs de diffusivité dans le plan et dans l'épaisseur. De ces résultats, nous discuterons sur les limitations des estimations notamment dues à l'effet filtre passe bas du temps d'intégration de la caméra prépondérant lorsque l'excitation devient haute fréquence ou à la présence d'une couche émissive (dépôt de spray de peinture noire pour augmenter le contraste thermique) qui peut empêcher la propagation des ondes thermiques de la source au sein du matériau à caractériser dés que la fréquence d'excitation dépasse un seuil dépendant des propriétés thermiques du bicouche étudié. D'une autre manière, nous montrerons que des estimations de diffusivité thermique dans le plan ou transverse peuvent également être possible par une méthode d'hétérodynage en flash périodique. A titre d'applications futures, nous présenterons une première approche académique de modèle de diffusion avec transport sur un disque tournant pour des futures applications d'écoulement en goutes pour la microfluidique, une extension des estimations de diffusivité dans le plan pour obtenir des cartographies en scannant la zone étudiée et des résultats d'hétérodynage en régime périodique transitoire qui pourraient s'assimiler à une réponse de température en échelon. / Nowadays, the contribution of the miniaturization has led to countless advances in science and technology: microelectronics, microfluidics, nanotechnologies... All areas where the economics of quality monitoring and the optimization of production may require a step of characterizing the intrinsic properties of these constituents. Among these porperties, the thermophysical datas can defined the ability to store or distribute the heat (thermal conductivity, effusivity, diffusivity for example). A way to estimate these properties needs the knowledge of the temperature field. At microscale, the measurement temperature without contact is well adapted. The work of this thesis fall into this category by offering a method to characterize the thermophysical properties at microscopic scales by means of infrared thermography. With the help of the heterodyne methods developed for the Thermoreflectance, an electronic stroboscope has been developped. This method is dedied to the infrared thermography and allowing to follow thermal local and periodical excitations with a characteristic frequency around with a frame camera frequency of . By coupling this heterodyne method with microscope lens, it is possible to observe thermal diffusion phenomena longitudinal and transverse localized to the surface of the diffusive sample like metals and impossible to obtain with standard infrared thermography. From experimental data, the values of in-plane or transverse thermal diffusivity are obtained on two samples. Depending of these results, a debate is organized about the limitation of these estimations as the lowpass filter effect of the intregation time of the infrared camera which becomes important with high frequency excitation or the presence of an emissive of thin layer on the surface of the sample (dark spray coating for enhancing the thermal contrast) which can stopped the thermal waves propagation into the layer sample to characterize soon as the excitation frequency exceeds a threshold dependent on the thermal properties of the sample studied. In another way, the estimation of thermal in-plane or transverse diffusivity with an heterodyne method with repeated flash is shown in first results. For future applications, a first academic approach of thermal diffusion model with transport on rotating disk, an extension of the thermal in-plane diffusivity estimation to obtain cartography by scanning the sample area and few heterodyne results in transient periodic regime which are assilimated to a response level were shown.

The diploma work deals with techniques of optical contactless distance and velocity measurement. A basic summary of the methods are involved. The problematic of interferometric methods for vibration measurements is analysed in detail. It contains division of interferometers, description of their function principles and also chapters dealing with elements used in interferometers such as lasers, photodetectors and elements in the ray optical way - polarizers, retarders, optical isolators. The vibration and length measurement methods are described, as well as the conception of homodyne and heterodyne detection. Part of this work focuses on the quadrature signal processing and on the proposal of algorithm for demodulation of velocity/displacement and undergoing simple motioning object deviation. This algorithm is implemented in Labview and the whole software instrument served also for visualisation of measured data of the interferometer model constructed in the laboratory. The way how to build up a model, its setting and two possible configurations suitable for homodyne detection are described. Model of interferometer is built-up on the optical breadboard. Particular components are fixed by the help of mounts. The model and software enable to measure the velocity and the vibration deviation with the light wavelength exactness. Functionality and the exactness of the laboratory model are verified by vibrometer. Effects on the measurement uncertainty are discussed here and ways how to restrain them are proposed.

<div>Biological dynamics have been studied by many methods. Fluorescence dynamic microscopy and optical coherence tomography provided fundamental understandings of biological systems. However, their high NA optics only represent local characteristics. Biodynamic imaging (BDI) technique implements a low NA optics and acquires the statistical average of Doppler shifts that occurred by dynamic light scattering with biological dynamic subsystems provided globally averaged dynamic characteristics. </div><div>BDI is used for this study to investigate biomedical applications. The chemotherapy efficacy measurement by BDI demonstrated a good agreement between the Doppler spectral phenotypes and the preclinical outcomes. Also, dynamic responses of microbiomes by chemical stimuli demonstrated featured Doppler characteristics. The bacterial infection of epithelial spheroids showed consistent spectral responses and antibiotic-resistant E. coli infection treatment with a sensitive and resistive antibiotic showed a dramatic contrast. Furthermore, the phase-sensitive characteristics of BDI provided a clue to understanding the characteristics of the random process of biological systems. Levy-like heavy-tailed probability density functions are demonstrated and </div><div>the shape changed by infection will be discussed. </div>

Surface Plasmon Polaritons (SPPs) are considered to be attractive components for plasmonics and nanophotonic devices due to their sensitivity to interface changes, and their ability to guide and confine light beyond the diffraction limit. They have been utilized in SPP resonance sensors and near field imaging techniques and, more recently, SPP experiments to monitor and control ultrafast charge carrier and energy relaxation dynamics in thin films. In this thesis, we discuss excitation and propagation properties of ultrafast SPPs on thin extended metal films and SPP waveguide structures. In addition, localized and propagating surface plasmon interactions in functional plasmonic nanostructures will also be addressed. For the excitation studies of ultrafast SPPs, we have done detailed analysis of femtosecond surface plasmon pulse generation under resonant excitation condition using prism coupling technique. Our results show that photon-SPP coupling is a resonant process with a finite spectral bandwidth that causes spectral phase shift and narrowing of the SPP pulse spectrum. Both effects result in temporal pulse broadening and, therefore, set a lower limit on the duration of ultrafast SPP pulses. These findings are necessary for the successful integration of plasmonic components into high-speed SPP circuits and time-resolved SPP sensors. To demonstrate interactions between localized and propagating surface plasmons, we used block-copolymer based self assembly techniques to deposit long range ordered gold nanoparticle arrays onto silver thin films to fabricate composite nanoparticle thin film structures. We demonstrate that these gold nanoparticle arrays interact with SPPs that propagate at the film/nanoparticle interface and therefore, modify the dispersion relation of SPPs and lead to strong field localizations. These results are important and advantageous for plasmonic device applications. For the propagation studies of ultrafast SPPs, we have designed and constructed a home-built femtosecond photon scanning tunneling microscope (fsPSTM) to visualize ultrafast SPPs in photonic devices based on metal nanostructures. Temporal and phase information have been obtained by incorporating the fsPSTM into one arm of a Mach-Zehnder interferometer, allowing heterodyne detection. Understanding plasmon propagation in metal nanostructures is a requirement for implementing such structures into opto-electronic and telecommunication technologies.

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Yes / Satellite QKD/FSO systems, which facilitate quantum key distribution (QKD) over free-space optical (FSO) links between satellites and ground stations, present a promising pathway toward achieving global security in upcoming sixth-generation (6G) wireless communications. Our study focuses on a superior type of these systems, the satellite EB/CV-QKD/FSO, which utilizes the continuous-variable (CV) method for quantum state representation and the entanglement-based (EB) scheme for QKD implementation. We propose the use of optical phase-shift keying (QPSK) signaling and dual-threshold/heterodyne detection (DT/HD) receivers to bolster the reliability and feasibility of satellite EB/CV-QKD/FSO systems. Closed-form expressions for key system performance metrics are derived using improved channel modeling. Numerical results are presented to showcase the effects of channel impairments on the system performance. We also provide recommendations for optimal system setup parameters, aiming to enhance performance. / Ministry of Information and Communications (Vietnam) (Grant Number: DT.26/23). Asia Pacific Network Information Centre (APNIC) Foundation under the Switch! Project

Pour préparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, le CNES est responsable d'un projet de ballon stratosphérique appelé PRONAOS-SMH pour lequel notre laboratoire doit construire le récepteur à 380 GHz. Ce projet est décrit dans l'introduction. Dans le premier chapitre, j'expose les bases de la supraconductivité, de l'effet Josephson et du fonctionnement du mélangeur SIS. Le chapitre II développe la technologie utilisée pour la fabrication des jonctions SIS: les principes de l'évaporation, de la pulvérisation, de la gravure et de la photolithographie y sont expliqués. Le troisième chapitre est plus particulièrement consacré à la description et à l'optimisation du procédé de fabrication des jonctions en Nb/AI-A1Ox/Nb. Des jonctions fiables de petite dimension (1 micron carré) et de forte densité de courant sont obtenues. Les études nécessaires pour parvenir à ce résultat sont détaillées. L'intégration de ces jonctions dans des récepteurs millimétriques et submillimétriques est décrite dans le chapitre IV. Les premiers résultats obtenus dans le récepteur à 380 GHz sont prometteurs : une température de bruit de 310 K DSB pour le récepteur dans son ensemble a été mesurée à 374 GHz.

Les travaux de recherche effectués lors de cette thèse portent sur l’obtention de nanotubes de carbone ultracourts et leur biofonctionnalisation pour une utilisation comme biomarqueur proche infrarouge. Des dispersions de nanotubes de carbone en milieux aqueux ont été formulées à l’aide de différents tensioactifs. Un traitement chimique oxydant préalable et/ou l’application d’ultrasons aux nanotubes ont permis de réduire leur longueur de façon significative, la sélection des plus courts étant effectuée par ultracentrifugation en gradient de densité. Les différentes fractions sélectionnées à l’issu de ce processus ont été caractérisées par spectroscopie Raman et spectroscopie d’absorption ainsi que par microscopie à force atomique. Il est ainsi montré la sélection de nanotubes d’une longueur inférieure à 20 nm. Nous montrons également leur fonctionnalisation à l’aide d’anticorps monoclonaux et leur visualisation par imagerie photothermique hétérodyne. Des résultats prometteurs ont été obtenus avec la fixation spécifique de nanotubes de carbone ultracourts sur des cellules. Ces travaux ouvrent de nombreuses perspectives en bioimagerie et en particulier l’étude de la plasticité synaptique au sein de neurones vivants. / This thesis reports the achievement of ultrashort carbon nanotubes and their biofunctionalization for applications as near-infrared biomarker. Dispersions of carbon nanotubes in aqueous media have been formulated with various surfactants. Oxidizing chemical treatments combined with the application of ultrasounds allowed significant shortening of the carbon nanotubes. Sorting and selection of the shortest nanotubes was done by density gradient ultracentrifugation. The different fractions selected at the end of this process have been characterized by Raman spectroscopy, UV-vis absorption spectroscopy and atomic force microscopy. Selection of nanotubes of a length below 20 nm is demonstrated. We also show functionalization by antibodies and the visualization of ultrashort functionalized nanotubes by photothermal heterodyne imaging. Promising results were obtained with the specific binding of ultrashort carbon nanotubes to cells. This work open route towards bioimaging applications and in particular towards the study of the synapsis plasticity within alive neurons.