Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à l'investigation du fonctionnement des technologies bipolaires, et plus particulièrement des technologies BiCMOS SiGe, pour une utilisation à température cryogénique. Un état de l'art sur les transistors bipolaires et les bruits électroniques que l'on rencontre sur ce genre de technologie sont donnés avec une approche orientée vers les basses températures. Ces rappels permettent d'aborder les mesures, des paramètres basse fréquence et du bruit, réalisées sur des transistors bipolaires silicium et sur deux technologies SiGe à 300 K, 77 K et 4.2 K. Il est ensuite présenté deux réalisations d'ASIC cryogénique en technologie standard BiCMOS SiGe. La première est un amplificateur bas bruit (1 nV/sqrtHz) et large bande (1 GHz) fonctionnant à 77 K. Il est destiné à la caractérisation de bolomètres supraconducteurs YBaCuO à électrons chauds. La seconde réalisation est un circuit de lecture et de multiplexage de matrice de SQUID. Il est, en particulier, présenté le développement, la réalisation et le test d'un amplificateur ultra bas bruit (0.2 nV/sqrtHz) avec deux entrées multiplexées fonctionnant à 4.2 K.

Ce travail de thèse a porté sur le développement de réseaux de micro- et nanocapteurs opto-électrochimiques pour la bioanalyse. Ils répondent à la demande grandissante dans le domaine de la recherche et du diagnostic pour des outils permettant de réaliser de multiples analyses simultanément avec des échantillons de faibles volumes. Ces nouvelles biopuces de haute densité sont fabriquées à partir de faisceaux cohérents de fibres optiques. Une des deux faces est micro- ou nanostructurée par une attaque chimique, puis fonctionnalisée avec une sonde biologique. La première biopuce est un réseau de nanocapteurs fluorescents à ADN où les sondes ont été immobilisées grâce aux propriétés d’électropolymérisation du pyrrole. La lecture est réalisée à distance au travers du faisceau d’imagerie. En combinant la technique d’immobilisation avec des microleviers électrochimiques, plusieurs sondes différentes ont pu être adressées sur le même réseau nanostructuré. La seconde biopuce permet d’effectuer des immunodosages multiplexés en utilisant l’imagerie électrochimiluminescente résolue à l’échelle d’une microsphère. Le développement de cette technique permet de combiner les avantages de l’électrochimiluminescence avec des immunodosages multiplexés. L’élaboration de ces réseaux allie différentes techniques physico-chimiques, notamment électrochimiques, pour obtenir des biopuces avec un fort potentiel, grâce à une densité et un degré de multiplexage importants. / This work presents the development of optoelectrochemical micro- and nanosensor arrays for bioanalytical applications. These platforms respond to the growing need in research and diagnostic for tools allowing multiple and simultaneous analysis in small-volume samples. These new high density biochips are made from coherent optical fiber bundles: one face is micro- or nanostructured by chemical etching and then functionnalized with biological probes. The first biochip is a fluorescent DNA nanosensor array where probes have been immobilized by electrodeposition of a polypyrrole thin film. The detection of the hybridization is remotely performed through the imaging fiber. Different probes were succesfully addressed onto the same nanostructured array thanks to electrochemical cantilevers. The second biochip allows multiplexed sandwich immunoassays using electrochimiluminescent imaging resolved at the single bead level. In particular, the development of this new readout mechanism allows extending electrochemiluminescent detection for multiplexed immunoassays. Design and implementations of both platforms take advantages of different physical and chemical techniques, especially electrochemical, to obtain biochips with a great potential through high density and high multiplexing level.

Les travaux développés dans ce manuscrit de thèse concernent la proposition et la mise au point d’une nouvelle architecture optique basée sur la modulation de cohérence (MC) d’une source à spectre large dédiée aux calculs arithmétiques et au traitement des signaux. La modulation de cohérence de lumière est une technique particulière de codage optique qui autorise, entre autres, le multiplexage des signaux à travers une seule porteuse. Les signaux à traiter sont codés en MC par le biais de paires modulateur de lumière/lame de phase placées en série et éclairées par un seul faisceau de lumière polarisée. Cette technique est basée sur l’introduction d’un retard optique supérieur à la longueur de cohérence de la source utilisée. La validation expérimentale de l’approche proposée pour la réalisation d’opérations arithmétiques, telles que la somme et la soustraction, a été effectuée par le biais de signaux temporels. Différentes formes et fréquences des signaux ont été testées et ont parfaitement validé l’approche. L’impact du cross-talk des signaux et de la divergence du faisceau gaussien sur la qualité des opérations effectuées a été étudié. Ces effets se traduisent par un bruit de modulation d’intensité affectant le résultat des opérations effectuées. Dans ce travail, nous avons proposé des solutions permettant de minimiser son impact. L’originalité de la technique proposée est qu’elle permet la réalisation d’opérations multiples entre plusieurs signaux. Des tests ont été réalisés sur des images à deux et plusieurs niveaux de gris. Les résultats obtenus ont été évalués par les figures de mérite incluant le rapport signal sur bruit (SNR, signal to noise ratio), le rapport signal/bruit crête à crête (PSNR, peak signal to noise ratio) et l’erreur quadratique moyenne (MSE, mean squared error). Enfin, nous avons appliqué la technique à la cryptographie par contenu. Nous avons démontré la performance et la robustesse de la technique. Comme perspectives de ce travail, nous envisageons exploiter d’avantage la technique dans le domaine de la cryptographie (ie: utilisation d’une phase aléatoire pour le codage des images). De plus, une extension de l’étude à la compression des images sera utile. Une autre perspective de ce travail de recherche est l’étude de l’impact de l’incohérence spatiale sur le codage et le décodage des signaux / In this thesis, we study and developed the use of coherence multiplexing (also called path-difference, by analogy with WDM optical communications) to achieve simultaneous coding and decoding of analogue signals. The coherence modulation of light consists in encoding a signal on a light beam as an optical path-difference larger than its coherence length. This opens the way to the use of broadband sources in systems that thought to be restricted to quasi-monochromatic light. The different signals to be processed are encoded by using an Electro-optic Modulator and a birefringent plate placed between two polarizers. First, we have shown how the coherence multiplexing process can be exploited to achieve parallel real-time all optical signal addition and subtraction. Then, we have studied the impact of the crosstalk, due to the imperfection of the opto-geometrical parameters of the elements in the architecture, in the quality of the obtained results. The second part of the work consists of the validation of the technique to image signals. Thus, we have tested both image with binary and several gray levels. Also, we have confirmed that the method can be used for simple and multiplex encoding module. After that, we have evaluated the performance of the processor as a function of the continuous optical path-difference ratio in terms of Signal to Noise Ratio (SNR), Mean Square Error (MSE) and Peak to peak Signal to Noise Ratio (PSNR). Finally, we have tested the coherence multiplexing method to the encryption method based on merging together multiple-images. Therefore, we have evaluated the performance and the robustness of the method

L'objectif de cette thèse est de réaliser un système de transmission optique bas coût en multiplexage temporel (OTDM), pour un débit global de 10 Gb/s. Le train de pulses optique nécessaire au système a été généré par modulation externe d'une source optique continue, avec une modulateur d'intensité. Les simulations ont été concluantes quant à la faisabilité du système étudié. Une étude théorique a permis de résoudre le problème lié aux interférences cohérentes dues à la nature de la source utilisée. Les performances du système de multiplexage expérimental ont été comparées pour deux sources optiques différentes. Le démultiplexage est réalisé avec un modulateur à électroabsorption (EAM). Des valeurs de Taux d'Erreur Binaire (TEB) inférieures à 10-10 ont été obtenues expérimentalement sur chaque canal extrait. Le système est adapté pour une combinaison avec la technique de multiplexage en longueur d'onde (WDM).

Le sujet de ce travail est la conception d'une caméra bolométrique à bas niveau de bruit pouvant contenir jusqu'à un millier de pixels. Ce type d'architecture est proposé pour la réalisation d'une nouvelle génération d'instruments dédiés à l'astronomie millimétrique. La caméra offrira d'intéressantes perspectives pour la cosmologie et la physique galactique. Nous avons défini les spécifications de la chaîne optique et des détecteurs, pour une utilisation optimale du radiotélescope de 30m de l'IRAM. Nous avons ouvert la voie à la réalisation de matrices de bolomètres par des procédés de microfabrication. Une partie importante du travail est consacrée à la caractérisation électrique de couches minces thermométriques de NbSi à très basse température (0,1 K). Nous avons étudié le problème du multiplexage des signaux, afin de mesurer un grand nombre de détecteurs en évitant les inconvénients liés au câblage. Nous proposons une électronique de proximité fonctionnant à très basse température.

Dans un réseau coopératif, différents noeuds coopèrent afin de créer un réseau d'antennes virtuel et exploiter la diversité spatio-temporelle. On s'intéresse d'abord au canal à relai. Afin d'améliorer les performances à bas SNR, on propose une stratégie adaptative pour les protocoles "amplify-and-forward" (AF) et "decode-and-forward" (DF) qui détermine la meilleure technique de transmission en fonction du canal. Afin de définir un protocole DF à la fois performant et facile à implémenter, on propose ensuite d'utiliser un décodage incomplet aux relais. Cette technique permet d'atteindre les gains de multiplexage et de diversité maximaux, son DMT est le même que celui du protocol AF non-orthogonal (NAF). Pour réduire la complexité aux relais, deux nouvelles méthodes de décodage sont proposées, basées pour l'une sur la structure des codes TAST, et pour l'autre sur une approximation diophantienne. Dans le cas où plusieurs sources transmettent simultanément, on parle de canal coopératif à accès multiple (CMA). Une implémentation pratique et deux améliorations du protocole CMA-NAF sont proposées, ainsi qu'une variante utilisant une stratégie DF. Ces protocoles permettent d'atteindre de meilleures performances asymptotiques et leur DMT est plus proche de la borne MISO. Enfin, si le lien direct entre source et destination est inutilisable, on utilise une stratégie multi-saut. Dans cette thèse, on propose un protocole pour le canal "K-parallel-path" (KPP), basé sur la sélection de chemin combinée avec un code spatio-temporel de faible dimension. Ce protocole permet d'atteindre les limites théoriques du canal tout en ayant une complexité limitée.

Les systèmes sur puce intègrent sur un même substrat de silicium l'ensemble des organes nécessaires à la prise en charge des différentes fonctionnalités du système. Pour la partie dédiée aux traitements numériques, le microprocesseur central est souvent déchargé des applications critiques (traitement du signal et des images en général) par un accélérateur de traitement. C'est par rapport à l'architecture du coprocesseur que se pose la problématique de cette thèse. En effet, de nombreuses approches sont possibles pour ce dernier, et vouloir les comparer s'avère être une tâche complexe. Après avoir fait un état de l'art des différentes solutions architecturales de traitement flexibles, nous proposons un ensemble de métriques dans une optique de caractérisation. Nous illustrons alors notre méthode par la caractérisation et la comparaison d'architectures représentatives de l'état de l'art. Nous montrons que c'est par une exploitation efficace du parallélisme que les coprocesseurs peuvent améliorer significativement leurs performances. Or, malgré de réelles aptitudes, les accélérateurs ne sont pas toujours capables de tirer parti de ce potentiel. C'est pour cela que nous proposons une méthode générale de multiplexage matériel, qui permet d'améliorer les performances par l'exploitation du parallélisme dynamique (boucle et tâches). Par son application à un cas concret, un système baptisé Saturne, nous prouvons que par l'adjonction d'un contrôleur dédié au multiplexage matériel, les performances de l'accélérateur sont quasiment doublées, et ce avec un faible surcoût matériel.

Depuis une dizaine d’années, avec la diversification des appareils connectés (PCs, Tablettes, TVs et Smartphones), l’écosystème Internet s’est drastiquement étendu. Aujourd’hui, 80 % du trafic IP mondial est concentré dans les centres de données. Pour répondre aux problématiques d’échelle des centres de données en terme de densité de bande passante, de consommation énergétique et de coût des interconnections, le développement de nouveaux émetteurs optiques est critique. L’objectif de cette thèse est de proposer et évaluer différentes architectures d’émetteur en photonique sur silicium afin de répondre à la prochaine norme de débit de 400 Gbit/s sur des transmissions de 2 kilomètres. Le modulateur électro-optique sélectionné est le modulateur silicium en anneau résonant. Il possède des avantages non négligeables: faibles dimensions, faible consommation énergétique, et il permet un multiplexage dense en longueurs d’ondes. Durant cette thèse, l’optimisation de l’émetteur optique a été faite de manière progressive: de la jonction active à l’émetteur complet. Cette première étude a identifié les différents compromis à faire sur les paramètres du modulateur en anneau afin de définir ses performances. Un model compact du modulateur a été créé, permettant d’optimiser le composant avec un temps de simulation très réduit. Puis, tout en utilisant le modèle compact, deux architectures d’émetteur ont été étudiées basées sur une architecture classique de la littérature. Elles sont basées sur la mise en série de 8 modulateurs en anneau, chacun modulant une longueur d’onde différente. La différence entre les deux architectures vient du format de modulation utilisé: la première est modulée avec des signaux sur deux niveaux électriques avec des signaux sur 2 niveaux électriques au format d’impulsions en amplitude (PAM-2) à 50 Gbaud ; alors que la deuxième est modulée avec des signaux sur 4 niveaux électriques au format d’impulsions en amplitude (PAM-4). Les deux solutions répondent aux demandes de performances de la norme 400 Gbit/s avec les mêmes points de compromis de fonctionnement. Finalement, de nouvelles architectures d’émetteur optique ont été proposées permettant de réaliser la modulation PAM-4. Contrairement aux solutions précédemment étudiées, ces architectures utilisent en entrée deux flux de bits en parallèle qui sont optiquement combinés pour générer en sortie une modulation PAM-4. Une première solution est basée sur la mise en série de deux modulateurs en anneaux. Cette architecture a été validée avec des caractérisations de transmission optique à 30 Gbit/s avec seulement 1 Vpp de tension de commande. Une seconde solution a ensuite été proposée, elle est basée sur l’utilisation de deux modulateurs mis en parallèle dans un interféromètre Mach Zehnder. De la même manière, des caractérisations de transmission à 30 Gbit/s avec 1.2 Vpp de tension de commande ont permis de valider le fonctionnement de l’architecture. / Over the past decade, with the diversification of connected devices (PCs, Tablets, TVs and Smartphones), the Internet ecosystem has drastically extended. Today, 80 % world traffic is concentrated in the data centers where the data rate, the size and the cost is still growing. To address such scaling issues as bandwidth density, energy consumption and cost of the interconnects inside the data centers, the development of new optical transmitters is critical. The aim of this thesis is to propose and evaluate transmitter architectures using silicon photonics technology to address next 400 Gbit/s data rate standard over up to 2 kilometer links. The selected electro-optical modulator is the silicon ring resonator modulator which has substantial benefits: low footprint, low energy consumption and enables dense multiplexing. The optical transmitter architectures evaluations were successively optimized: from the active junction to the complete optical transmitter. This study identified the performances trade-offs impacted by the ring resonator modulator parameters. A compact model was generated to physically optimize the component in a reduced simulation time. Then, using the compact model, two transmitter architectures were studied based on classical architecture. Both are based on eight ring resonator modulators arranged in series modulating eight different wavelengths. The difference is the modulation format: the first one is electrically modulated at 50 Gbaud in 2-levels pulse amplitude modulation (PAM-2) and the second one at 25 Gbaud 4-levels pulse amplitude modulation (PAM-4). The two solutions fit the 400 Gbit/s performances demand with the use of the same trade-offs. Finally, new transmitter architectures were proposed to generate PAM-4 modulation. Unlike the previous architecture, they have in input two parallel bit streams which are optically combined to generate the PAM-4 modulation. The first solution is based on two silicon ring resonator modulator arranged in series. This architecture was validated through 30 Gbit/s transmission characterizations with only 1 Vpp. A second solution was then proposed, based on two silicon ring resonator modulators arranged in parallel in a Mach Zehnder interferometer. In the same way, transmission characterizations at 30 Gbit/s with 1.2 Vpp allows this architecture to be validated.

Les réseaux optiques sont aujourd’hui l’élément de base des systèmes de communica- tions modernes, en particulier l’Internet. Grâce au multiplexage en longueurs d’onde et au groupage du tra?c, la bande passante disponible sur une ?bre optique est supérieure à plusieurs térabits par seconde. Cependant les équipements opto-électroniques qui permettent d’opérer ces réseaux sont très coûteux car il doivent fonctionner à un débit très important. Le problème de groupage et du routage d’un ensemble de requêtes couplé avec l’affectation des longueurs d’onde (GRWA) est donc un problème stratégique de première importance. L’objectif est de minimiser le coût du réseau, évalué comme le nombre de ports optiques installés aux nœuds. Il peut être modélisé sous la forme d’un problème d’allocation de ressources dans un réseau à capacité multi-niveaux avec multi-?ots non bifurqués. Cette catégorie de problème est connue pour être très dif?cile compte tenu de la faiblesse de la relaxation linéaire des formulations associées. Les travaux réalisés durant cette thèse ont consisté en le développement de méthodes de résolution pour ce problème à partir de multiples techniques de recherche opéra- tionnelle : méta-heuristique de type recherche avec tabous, décomposition de Dantzig- Wolfe, décomposition de Benders, reformulation en variables binaires, méthode de plans coupants, heuristique d’arrondi. Les méthodes résultantes, dont certaines sont hybrides, permettent d’avoir un aperçu des méthodes ef?caces pour ce type de problème. En partic- ulier, les méthodes basées sur la décomposition de Benders, qui donnent lieu à des procédures d’optimisation hiérarchique dans lesquelles l’affectation de longueurs d’onde est placée au dernier niveau, sont les méthodes les plus ef?caces car elles permettent de séparer le routage optique du routage physique. En?n, nous utilisons la meilleure méthode de résolution pour observer l’impact des contraintes de délais sur la qualité des solutions. / Optical networks are the core element of modern communication systems and in particu- lar Internet. With wavelength multiplexing and grooming capability, terabits per second bandwidth can be reached. However, opto-electronic equipment used to operate these networks are very expensive as their bit rate must be very large. The grooming, routing and wavelength assignment (GRWA) problem, which consists in minimizing the net- work cost, evaluated by the number of required optical ports, while guaranteeing that each request is granted, is of great interest. The GRWA problem can be modeled as a multi-layer capacitated network design problem with non-bifurcated multi-?ows. This type of problem is known to be hard to solve as their linear relaxation is weak. The objective of this work was to develop solution methods based on multiple oper- ations research techniques : Tabu search based meta-heuristic, Dantzig-Wolfe decompo- sition, Benders decomposition, 0 1 reformulation, cutting-planes, rounding heuristic. The resulting solution tools, some of them hybrid, give a perspective on the effective solution approaches for this type of problem. From the experiments, it turns out that the methods based on Benders’ decomposition, which lead to hierarchical optimization procedures, are the most ef?cient as they allow to separate the optical routing from the physical routing with the wavelength assignment decisions taken in the lower stage sub- problem. In addition to the approach comparison, we use the most effective method to evaluate the impact of the delay constraints on the solution quality.

De nouveaux besoins dans le domaine des télécommunications par satellite ont amené les industriels du secteur à se pencher sur l’optimisation des ressources en créant des systèmes reconfigurables, capables d’adapter leur fonctionnement fréquentiel en cours de mission. Cette thèse s’intéresse plus particulièrement aux multiplexeurs et à la manière de les rendre agiles à travers les filtres qui les composent ainsi qu’une adaptation de leur architecture.Dans un premier temps, le présent manuscrit dresse l’état de l’art des dispositifs accordables réalisés par les équipes de recherche du monde entier, avant de proposer des solutions mettant en œuvre une topologie de multiplexage à coupleurs hybrides. Dans un second temps, des études sont présentées portant sur une pluralité de concepts de cavités ou d’éléments de couplage accordables. Certains de ces concepts sont ensuite sélectionnés et assemblés afin de former des fonctions de filtrage et de multiplexage accordables. La dernière partie présente ainsi deux multiplexeurs accordables, l’un permettant une reconfiguration en bande étroite, l’autre en bande large, le premier ayant donné lieu à une réalisation expérimentale. / New needs in the field of satellite telecommunications have led manufacturers in the sector to focus on optimizing resources by creating reconfigurable systems able to adapt their operating frequencyplan during the mission. This thesis focuses on multiplexers and how to make them agile through their architecture and the filters that compose them.This manuscript starts by realizing the state of the art oftunable filtering devices through analysis of contributions made by research teams around the world. Based on this state of art,solutions to the problematic are proposed using a hybrid coupler multiplexing topology. Then studies are presented on various tunable cavities or coupling elements concepts. Some of these concepts have been selected and assembled to form tunable filtering and multiplexing functions. The last part thus presents two tunable multiplexers, allowing narrowband or broadband reconfiguration. An experimental realization has also been conducted on the narrowband version.