Ce travail de thèse s'est inscrit dans la recherche et développement de la photoinscription directe massivement parallèle. L'utilisation d'un masque reconfigurable dans un phototraceur combine la rapidité de la photolithographie par projection et la flexibilité intrinsèque du modulateur spatial de lumière. Le premier axe de travail était d'améliorer la résolution, la vitesse d'écriture et la précision d'un phototraceur existant à Télécom Bretagne et à base d'un modulateur spatial de lumière à cristaux liquides afin d'atteindre la résolution limite possible avec ce système. Nous avons ainsi fabriqué des éléments optiques diffractifs (EOD) dans la photorésine de dimension critique 1 µm à 32 niveaux de phase avec une efficacité de diffraction à l'ordre 0 inférieure à 1% et celle de l'ordre +1 aux alentours de 80%. Le second volet consistait à mettre en place un nouveau phototraceur à l'aide d'un modulateur spatial de lumière à micro-miroirs et d'utiliser des nouvelles longueurs d'onde d'écriture aux alentours de 365 nm, afin d'élargir la gamme de matériaux photosensibles utilisables et d'accéder à une résolution sub-micronique. Ce phototraceur permet la fabrication des EODs binaires par écriture directe dans le matériau sol-gel hybride Ormocer avec une résolution de 700 nm. La dernière partie concernait l'étude et la première démonstration expérimentale de faisabilité de la combinaison de cette technique de phototraçage massivement parallèle avec celle de la photopolymérisation à deux photons qui permet de dépasser la limite de diffraction des systèmes de photoinscription classiques.

La chaîne de réception des téléphones mobiles de dernière génération utilisent au moins deux étages de transposition en fréquence avant d'effectuer la démodulation en quadrature. La transposition en fréquence augmente la complexité du système et engendre de nombreux problèmes tels que la limitation de l'échelle dynamique et l'introduction de bruit issu de l'oscillateur local. Il est alors nécessaire d'envisager une numérisation du signal le plus près possible de l'antenne. Cette dernière permet la conversion directe d'un signal analogique en un signal numérique à des fréquences intermédiaires. Elle simplifie ainsi la conception globale du système et limite les problèmes liés aux mélangeurs. Pour cela, des architectures moins conventionnelles doivent être développées, comme la conversion analogique-numérique utilisant la modulation Sigma-Delta à temps continu. La modélisation comportementale de ce convertisseur analogique-numérique, ainsi que la conception des principaux blocs ont donc été l'objet de cette thèse. L'application d'une méthodologie de conception avancée, permettant la simulation mixte des blocs fonctionnels à différents niveaux d'abstraction, a permis de valider aussi bien la conception des circuits que le système global de conversion. En utilisant une architecture à multiples boucles de retour avec un quantificateur multi-bit, le convertisseur Sigma-Delta passe bande à temps continu atteint un rapport signal sur bruit (SNR) d'environ 76 dB dans une large bande de 20MHz. / Wireless front-end receivers of last generation mobile devices operate at least two frequency translations before I/Q demodulation. Frequency translation increases the system complexity, introducing several problems associated with the mixers (dynamic range limitation, noise injection from the local oscillator, etc.). Herein, the position of the analog-to-digital interface in the receiver chain can play an important role. Moving the analog-to-digital converter (ADC) as near as possible to the antenna, permits to simplify the overall system design and to alleviate requirements associated with analog functions (filters, mixers). These currently requirements have led to a great effort in designing improved architectures as Continuous-Time Delta-Sigma ADCs. The behavioural modeling this converter, although the circuit design of the main blocks has been the subject of this thesis. The use of an advanced design methodology, allowing the mixed simulation at different levels of abstraction, allows to validate both the circuit design and the overall system conversion. Using a multi-feedback architecture associated with a multi-bit quantizer, the continuous-time Bandpass Delta-Sigma converter achieves a SNR of about 76 dB in a wide band of 20MHz.

Ces travaux de thèse visent à proposer un nouveau type de modulateur acousto-optique intégré exploitantdes ondes élastiques guidées à la surface du niobate de lithium. Ce matériau piézoélectrique permet en effet deréaliser des guides d’ondes optiques intégrés ainsi que des transducteurs à ondes élastiques efficaces. La modulationacousto-optique y reste cependant classiquement limitée par le recouvrement partiel des deux types d’ondes. J’aicherché à développer un nouveau type de guide d’ondes élastiques de surface exploitant les résonances d’épaisseurd’électrodes épaisses et permettant une meilleure exploitation de la conversion d’énergie électrique en énergieélastique dans les dispositifs intégrés.Dans un premier temps, j’ai développé un moyen de confiner l’énergie acoustique en surface afin de l’utiliserplus efficacement. Je me suis tourné vers la réalisation de transducteurs à peignes interdigités pour les ondes acoustiquesde surface permettant de confiner l’énergie qu’ils génèrent dans des électrodes à haut facteur de forme. Lacaractérisation de ces dispositifs a permis de démontrer un fort confinement de l’énergie mécanique, concomitantd’une absence de diffraction à la surface du matériau. Ces dispositifs acoustiques permettent ainsi un guidage del’énergie acoustique dans les trois dimensions de l’espace avec une largeur transverse aussi petite que la longueurd’onde.Dans un second temps, j’ai réalisé des modulateurs acousto-optiques utilisant les transducteurs précédents. Cesmodulateurs sont fondés sur un interféromètre de Mach-Zehnder dont un bras est soumis à l’interaction acoustooptique.Les expériences réalisées ont permis de montrer une modulation de l’onde optique aux fréquences de résonancedes transducteurs à haut facteur de forme. La transmission spectrale de ces interféromètres est par ailleurscannelée en raison d’une légère asymétrie des bras de l’interféromètre. Nous avons observé, à fréquence nulle, unfort décalage en longueur d’onde du spectre cannelé d’environ 20 nm. Ce décalage reste encore inexpliqué. / This thesis intended to propose a new kind of integrated acousto-optical modulator exploiting guided elasticwaves on the surface of a lithium niobate substrate. This piezoelectric material makes it possible to integrate opticalwaveguides as well as efficient elastic waves transducers. Classically, the acousto-optical modulation remainslimited by the partial overlap of the two kind of waves. I have sought to develop a new kind of surface elasticwaveguide exploiting the thickness resonances of thick electrodes allowing a better exploitation of electric energyto elastic energy conversion in integrated devices.First, I have developed a way to confine the acoustic energy at the surface to use it more efficiently. I turnedtowards the realization of interdigitated transducers for surface acoustic waves allowing to confine the generatedenergy in the high aspect ratio electrodes. The characterization of such devices allowed to demonstrate a strongconfinement of the mechanical energy at the surface of the material. These acoustic devices allowed for diffractionlessguiding of the acoustic energy in the three dimensions of space over a transverse width as small as thewavelength.The second part of this thesis was dedicated to the realization of acousto-optical modulators using the previoustransducers. These modulators are based on a Mach-Zehnder interferometer including one arm subjectd to theacousto-optical intercation. Due to a slight asymmetry of the interferometer arms, the spectrale transmission with awhite light source gives a channeled spectrum. Experiments have shown an optical wave modulation at resonancesfrequencies of the high aspect ratio transducers. We have observed, at zero frequency, a strong wavelength shift ofchanneled spectrum of about 20 nm. This shift remains unexplained.

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Le stockage de données par holographie suscite un intérêt renouvelé. Il semble bien placé pour conduire à une nouvelle génération de mémoires optiques aux capacités et débits de lecture bien supérieurs à ceux des disques optiques actuels basés sur l’enregistrement dit surfacique. Dans ce travail de thèse, nous proposons une nouvelle architecture de stockage optique de données qui s’inspire du principe de la photographie interférentielle de Lippmann. Les informations y sont inscrites dans le volume du matériau d’enregistrement sous la forme de pages de données par multiplexage en longueur d’onde en exploitant la sélectivité de Bragg. Cette technique, bien que très voisine de l’holographie, n’avait jamais été envisagée pour le stockage à hautes capacités. L’objectif de la thèse a été d’analyser cette nouvelle architecture afin de déterminer les conditions pouvant conduire à de très hautes capacités. Cette analyse s’est appuyée sur un outil de simulation numérique des processus de diffraction en jeu dans cette mémoire interférentielle. Elle nous a permis de définir deux conditions sous lesquelles ces hautes capacités sont atteignables. En respectant ces conditions, nous avons conçu un démonstrateur de mémoire dit de « Lippmann » et avons ainsi démontré expérimentalement que la capacité est bien proportionnelle à l’épaisseur du matériau d’enregistrement. Avec une telle architecture, des capacités de l’ordre du Téraoctet sont attendues pour des disques de 12 cm de diamètre. / Nowadays, the holographic data storage presents a renewed interest. It seems well placed to lead a new generation of optical storage capacity and playback speeds much higher than current optical discs based on the recording onto a surface. In this thesis, we propose a new architecture for optical data storage that is based on the principle of Lippmann photography interferential. Information are included in the volume of the recording material in the form of pages of data multiplexing in wavelength by exploiting the Bragg selectivity. This technique, although very similar to holography, had never been considered for high storage capacities. The aim of the thesis was to analyze this new architecture to determine the conditions that can lead to very high capacities. This analysis was based on a numerical simulation tool of diffraction process involved in this memory interferential. It allowed us to define two conditions under which these high capacities are achievable. In accordance with these conditions, we developed a demonstrator called "Lippmann’s memory" and have thus demonstrated experimentally that the capacity is proportional to the thickness of the recording material. With such an architecture, Terabyte disks of 12 cm in diameter are expected.

De nos jours, les capteurs capacitifs sont largement utilisés dans la mesure de grandeurs physiques telles que le déplacement, l’humidité, la pression, etc. Cette large diffusion est principalement due au développement des technologies MEMS qui ont permis de réduire leur coût, leur taille et leur consommation. Pour mesurer ces variations de capacité, des interfaces de conditionnement électronique ont été développées afin d’obtenir un signal électrique exploitable tel qu’une tension, un courant, un temps, une fréquence ou directement une sortie numérique. C’est dans ce cadre que se positionne l’objectif de cette thèse ; étudier la faisabilité d’une mesure capacitive à sortie numérique à partir d’un pont actif, une architecture développée et brevetée par l’équipe Conception et Test de Microsystèmes du LIRMM pour le conditionnement de capteurs résistifs basse consommation. La conversion numérique utilisée est une modulation Sigma-Delta 1 bit du 1er ordre, relativement facile à implémenter, et donc bien adaptée à l’intégration, à la faible consommation et à la réalisation d’interfaces génériques. Pour le retour 1 bit, deux structures de contre réaction ont été proposées : une contre-réaction résistive et une capacitive. Les résultats théoriques sont comparés à des résultats de simulations et à des mesures obtenues à partir des prototypes fabriqués en technologie CMOS 0,35μm d’Austria MicroSystem (AMS). / Nowadays, capacitive sensors are widely used in the measurement of physical quantities such as displacement, humidity, pressure, etc. This wide dissemination is mainly due to the development of MEMS technologies that have reduced their cost, size and consumption. To measure these capacitance changes, sensor electronic interfaces have been developed to obtain an exploitable electrical signal such as voltage, current, time, frequency or directly a digital output. It is in this framework that the aim of this thesis is positioned ; to study the feasibility of a capacitive measurement with digital output from an active bridge, an architecture developed and patented by the Design and Test Microsystems team of LIRMM for conditioning low power resistive sensors. The digital conversion used is a one-bit first-order Sigma-Delta modulation that is relatively easy to implement, and is well adapted to integration, low power consumption and realization of generic sensor interfaces. Two feedback architectures have been proposed: a resistive feedback and a capacitive. The theoretical results are compared with the results of simulations and measurements obtained from prototypes fabricated using a 0.35μm CMOS technology from Austria MicroSystem (AMS).

Ce travail de thèse porte sur la réalisation d’un nouveau modulateur électro-optique pouvant s’intégrer sur un substrat SOI. Le modulateur proposé utilise une structure dite à fente ou SLOT formée verticalement par la couche superficielle de silicium du matériau SOI sur laquelle on dépose la couche de BTO puis une couche de silicium amorphe. Le confinement latéral dans ce guide de lumière est réalisé par gravure de la couche de silicium amorphe supérieure. La géométrie du ruban de silicium amorphe est optimisée pour obtenir un mode SLOT en polarisation TM (Transverse Magnétique) pour lequel la quasi-totalité de l’énergie lumineuse est confinée dans la couche active de BTO, ce qui permet d’augmenter l’efficacité du modulateur par rapport à une structure conventionnelle. La conception d’un tel modulateur a nécessité l’élaboration d’un outil numérique multi-physique lors de ce travail de thèse afin de prendre en compte rigoureusement les propriétés d’anisotropie des matériaux ferroélectriques, rarement disponibles dans les logiciels de simulation photonique commerciaux. Plus précisément, nous combinons un solveur de mode optique FVFD avec un solveur radiofréquence de Laplace. Il permet des calculs précis de la modulation d'indice de réfraction et de la réponse électro-optique induite par l’effet Pockels des matériaux anisotropes qui présentent une variation non-diagonale du tenseur de permittivité. L’optimisation du modulateur est réalisée, tant du point de vue optique qu’électrique en radiofréquence. Notamment, pour obtenir un modulateur rapide, il est nécessaire de concevoir une électrode qui possède une onde radiofréquence de même constante de propagation que le mode SLOT optique. Le travail de thèse est aussi consacré à la conception des briques de bases d’optique intégrée passive nécessaires à la réalisation des modulateurs: guides droits, diviseurs de faisceaux de type MMI (MultiMode Interference), de virages et de coupleurs directionnels. Un solveur de mode en coordonnées cylindriques a permis de concevoir des virages à très faibles rayons de courbure de 3,6 µm avec des pertes de radiation inférieures à 0.1 dB/90°. Étonnamment, pour des guides en arête, la réduction du rayon de courbure d’un virage n’implique pas forcément une augmentation des pertes de radiation et conduit à une amélioration des performances du dispositif. Ce résultat est très important parce que le virage est la brique de base qui est la plus difficile à miniaturiser en optique intégrée. Actuellement, les rayons de courbures sont limités à 15 µm dans les technologies utilisant les guides en arête. Ce résultat validé expérimentalement, montre qu’il est possible d’obtenir une densité d’intégration 4 à 5 fois plus importante sans modification de la technologie de fabrication. Le deuxième résultat innovant pour la photonique sur silicium porte sur l’obtention de diviseurs de faisceaux très compacts et insensibles à la polarisation (2.0 x 3.6 µm²). / The aim of this thesis is to explore a new electro-optic modulator which could be integrated on SOI substrate. The ferroelectric material BaTiO3 (BTO) is potentially the most interesting because it has highest linear electro-optic coefficient among perovskite materials, and its monolithic integration on a SOI substrate as a crystalline thin film was demonstrated in INL. The proposed modulator uses a structure SLOT formed vertically through the silicon layer of the SOI on which is deposited the layer of BTO then an amorphous silicon layer. The lateral confinement in the light guiding is formed by etching of the upper amorphous silicon layer. The geometry of the strip-loaded amorphous silicon is optimized to obtain a SLOT TM (Transverse Magnetic) polarization mode in which substantially all of the light energy is confined in the active layer of BTO, thereby increasing the efficiency of modulator with respect to a conventional structure. The design of such a modulator requirs the development of a multi-physics numerical tool to consider carefully anisotropic properties of ferroelectric materials, rarely available in commercial photonics simulation softwares. Specifically, we combine a FVFD optical mode solver with a radiofrequency Laplace solver. It allows precise calculation of the modulation of refractive index and the electro-optical response induced by Pockels effect of anisotropic materials exhibiting non-diagonal change in the permittivity tensor. The optimization of the modulator is carried out, from both aspects optical and electrical in radiofrequency. In particular, to obtain a rapid modulator, it is necessary to design a radiofrequency electrode that has a same wave propagation constant of optical SLOT mode. The thesis is as well devoted to the design of passive building blocks in integrated optics, which are necessary for the implementation of modulators: straight waveguides, beam splitters of type MMI (MultiMode Interference), turns and directional couplers. A cylindrical coordinate’s mode solver realizes the design of turns of very low bending radii of 3.6 microns with radiation losses less than 0.1dB/90°. Surprisingly, for strip-loaded guides, reducing the cornering radius of turns does not necessarily imply an increase in losses of radiation, and so leading to improved device performance. This result is very important because the turns is a basic building block the most difficult to be miniaturized in integrated optics. Currently, the radii of curvature are limited to 15 microns in waveguide technology. The experimental validation shows that it is possible to obtain a 4-5 times larger integration density without changing the manufacturing technology. The second result for innovative silicon photonics is about obtaining very compact and polarization insensitive beam splitters (2.0 x 3.6 μm²).

Cette étude porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de modulateurs de cohérence intégrés sur substrats semiconducteurs III-V. Nous expliquons tout d'abord le principe de la modulation de cohérence, technique particulière de codage optique appliquée à la transmission et au multiplexage de signaux, qui repose sur l'introduction dans un interféromètre à deux ondes d'un retard optique supérieur à la longueur de cohérence de la source optique. Nous avons réalisé un premier modulateur de cohérence, interféromètre à polarisation à base de guide d'onde optique ruban fortement biréfrigent. Les semiconducteurs III-V n'étant pas biréfringents nous avons développé une structure originale permettant le guidage des seuls modes fondamentaux TE0 et TM0 avec une forte biréfringence de forme résultant de l'empilement de nombreuses couches de GaAlAs de faible épaisseur. Les deux modes présentent en sortie du guide une différence de chemin optique de 230 mm, modulable par effet électro-optique et supérieure à la longueur de cohérence d'une diode superluminescente à 1.3 mm. Nous avons ensuite réalisé un second modulateur sous la forme d'un interféromètre de Mach-Zehnder fortement déséquilibré. Cet interféromètre à deux ondes entièrement intégré en GaAlAs/GaAs introduit un retard optique de 100 mm, par différence de longueur de ses bras. Afin de minimiser les pertes dans cette structure de géométrie complexe nous avons gravé des tranchées situées à l'extérieur des zones courbées. Cette solution a été choisie aprés simulation du dispositif par la méthode des faisceaux propagés (BPM). Les performances du composant sont comparables à celles du précédent. Nous avons donc réalisé les premiers modulateurs de cohérence intégrés en semiconducteurs III-V qui ouvrent la voie à de nouvelles applications en filtrage, contrôle de polarisation... dans les réseaux de télécommunications optiques.

Le travail présenté vise essentiellement à simplifier l'étude des transferts énergétiques qui prennent place au sein des convertisseurs statiques. Une étude mathématique préliminaire nous amène à introduire, dans les schémas, un nouvel élément de représentation que nous nommons "modulateur sans pertes". Ce modulateur peut être présenté comme un transformateur idéal dont le rapport varie au court*du temps sous l'effet d'une commande. .Une telle fonction s'obtient en associant un hacheur bien choisi à des filtres appropriés. Nous étudions ensuite l'association d'un modulateur sans pertes et d'un élément réactif standard que nous appelons udipôle réactif modulé". Nous montrons qu'il est* possible d'obtenir, non seulement, des éléments- réactifs* dont la valeur varie dans le temps, mais aussi un comportement inductif avec un stockage capacitif. Dès lors, nombre de convertisseurs apparaissent comme un assemblage d'~n petit nombre de modulateurs sans pertes et de dipôles réactifs modulés. Enfin et indépendamment, nous montrons que certaines conversions nécessitent le stockage d'une énergie minimum: il faut donc gérer l'énergie en minimisant le stock, c'est à dire en flux. tendu. Ce. concept, appliqué à un convertisseur AC~DC à absorption sinusoïdale, permet de réduire par un facteur supérieur à 10 l'énergie stockée et, par-là même, le temps d'établissement de la sortie. Ceci est étayé par une réalisation pratique.

L'objectif de cette étude est la réalisation en technologie monolithique intégrée de circuits hyperfréquences pour la télémesure d'un instrument spatial. L'étude a plus particulièrement porté sur la conception d'oscillateurs à fréquences fixes et d'oscillateurs contrôlés en tension entièrement intégrés dans la bande de fréquence 8-8,4 GHz. Une nouvelle méthode de conception des oscillateurs hyperfréquences, basée sur le calcul analytique des conditions d'oscillations de l'oscillateur, est présentée. Le calcul formel est utilisé pour accéder au rôle de chacun des éléments du circuit ainsi qu'à leur sensibilité sur les performances électriques. Les résultats théoriques et expérimentaux sont en très bon accord et démontrent la faisabilité d'oscillateurs à fréquences fixes et d'oscillateurs contrôlés en tension à résonateurs intégrés sur une puce. Cette méthode est également appliquée avec succès pour la réalisation d'un oscillateur intégré à 2 GHz. Une autre partie du travail a porté sur la réalisation de modulateurs biphases et quadriphases monolithiques. Les résultats de mesure sont conformes aux simulations et répondent aux spécifications de la télémesure