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En raison des conflits maritimes qui s'étendent (piraterie, embargo,...), les besoins de communiquer et de détecter les menaces sont de plus en plus importants. Ceci conduit irrémédiablement à l'augmentation du nombre d'aériens à bord des plateformes navales. Afin de gérer au mieux cet accroissement du nombre d'antennes, qui conduit à des effets de couplage et à une augmentation de la signature radar du navire, les principales entreprises du secteur ont mis en place des structures de mâts intégrés. C'est dans un contexte d'amélioration de leur mâture intégrée compacte (Cmast™) que les Constructions Mécaniques de Normandie (CMN) de Cherbourg en collaboration avec l'IETR de Rennes et INEO Défense ont proposé cette thèse. Ces travaux ont pour objectifs le développement de deux systèmes antennaires intégrables au sein de cette mâture intégrée compacte : une antenne de communication en bande V/UHF et une antenne de radar de navigation à balayage électronique en bande X. Une première étude a permis le développement d'une antenne conique large bande (225-400MHz) dont les paramètres géométriques ont été optimisés pour assurer une communication entre les navires et des aéronefs. Un prototype de cette antenne a été réalisé et a permis une validation expérimentale de ses performances. Une seconde étude a permis le développement d'une antenne d'un radar de navigation à balayage électronique en bande X. Cette antenne est basée sur une technologie transmit-array comprenant une source illuminante et un réseau permettant la formation du diagramme. Un effort particulier a été porté sur la source illuminante qui doit éclairer, à des distances très courtes (<550mm), un réseau qui présente des dimensions particulières (1530mmx100mm). Plusieurs sources utilisant un principe de focalisation en zone champ proche ont été développées et validées expérimentalement. Enfin deux architectures d'antennes transmit-array ont été étudiées, utilisant respectivement une technologie imprimée et une technologie en guide. Le fonctionnement de l'antenne complète (source illuminante + réseau transmit-array) a été étudié théoriquement. / The need to communicate and detect potential enemies increases with the extension of maritime conflicts. This need impacts directly the number of antennas on naval platforms. However, this increase of aerials leads to several damaging effects: like coupling or high radar signature. To limit this effect, some companies have developed integrated mast design. This structure limits the coupling effect between aerials by a subdivision of the mast and provides an omnidirectional coverage for all antennas inserted inside the mast. The objective of the thesis is to design two antenna systems for the compact integrated mast (CmastTM) developed by the Constructions Mécanique de Normandie (CMN): a communication antenna in the V/UHF band and an electronically scanning antenna for a maritime navigation radar in X-band. For the communication in the V/UHF band, a broadband conical antenna has been developed (225-400MHz). This antenna provides an optimized radiation pattern to insure the communications between the ship and the aircrafts. An experimental validation has been done with a prototype. In the second study, we have developed an electronically scanning antenna for a navigation radar. This antenna is based on a transmit-array technology including an illuminating feed and an antenna which generates the appropriate radiation pattern. A large part of the study has been done on the feed, which illuminates an array with specific dimensions (1530mmx100mm). Three different near-field focusing feeds have been developed and some of them have been validated experimentally. Then, two architectures of transmit-array antennas have been studied, using two different technologies: printed technology and a mixed technology with waveguide and horn.

Depuis plusieurs décennies un intérêt est né pour combiner deux systèmes quantiques pour former unsystème hybride quantique (SHQ) aux qualités qu’il serait impossible d’atteindre avec un seul des deuxsous-constituants. Parmi les systèmes quantiques, les atomes froids se distinguent par leur fort découplagede l’environnement, permettant un contrôle précis de leurs propriétés intrinsèques. En outre, les simulateursquantiques réalisés en piégeant des atomes froids dans des réseaux optiques présentent des propriétéscontrôlables (échelle d’énergie, géométrie,...) qui permettent d’étudier de nouveaux régimes intéressants enphysique de la matière condensée. Dans cette quête de phases quantiques exotiques (e.g., antiferromagnétisme),la réduction de l’entropie thermique est un défi crucial. Le prix à payer pour atteindre de si faiblestempérature et entropie est un long temps de thermalisation qui limite la réalisation expérimentale. La réductionde la période du réseau est une solution prometteuse pour augmenter la dynamique du système.Les SHQs avec des atomes froids offrent de riches perspectives mais requiert d’interfacer des systèmes quantiquesdans des états différents (solide/gaz) à des distances très proches, ce qui reste un défi expérimental.Le projet AUFRONS, dans lequel s’inscrit cette thèse, vise à refroidir un gaz d’atomes froids jusqu’aurégime de dégénérescence quantique puis de transporter et piéger ce nuage en champ proche d’une nanostructure.L’idée est d’obtenir un gaz d’atomes froids piégé dans un réseau bidimensionnel aux dimensionssublongueur d’onde, à quelques dizaines de nm de la structure. Un des objectifs est d’étudier les interactionsau sein du réseau mais également le couplage des atomes avec les modes de surface.Le travail réalisé durant cette thèse se décompose en une partie expérimentale et une partie théorique.Dans la première nous présentons le refroidissement d’atomes de 87Rb jusqu’au régime de dégénérescencequantique. La seconde partie est consacrée aux simulations théoriques d’une nouvelle méthode que nousavons implémentée pour piéger et manipuler des atomes froids à moins de 100 nm d’une nanostructure.Cette méthode, qui tire profit de la résonance plasmonique et des forces du vide (effet Casimir-Polder),permet de créer des potentiels sublongueur d’onde aux paramètres contrôlables. Nous détaillons ainsi lescalculs des forces optiques et des forces du vide que nous appliquons au cas d’un atome de 87Rb en champproche d’une nanostructure 1D. / An interest for hybrid quantum systems (HSQs) has been growing up for the last decades. This object combines two quantum systems in order to take advantage of both systems’ qualities, not available withonly one. Among these quantum systems, ultracold atoms distinguish themselves by their strong decoupling from environment which enables an excellent control of their intrinsic properties. Optical lattice quantum simulators with tunable properties (energy scale, geometry,...) allows one to investigate new regimes incondensed matter physics. In this quest for exotic quantum phases (e.g., antiferromagnetism), the reduction of thermal entropy is a crucial challenge. The price to pay for such low temperature and entropy is a longthermalization time that will ultimately limit the experimental realization. Miniaturization of lattice spacingis a promising solution to speed up the dynamics. Engineering cold atom hybrids offers promising perspectives but requires us to interface quantum systems in different states of matter at very short distances, which still remains an experimental challenge.This thesis is part of the AUFRONS project, which aims at cooling down an atomic gas until the quantum degeneracy regime then transport and trap this cloud in the near field of a nanostructure. The idea is to trapcold atoms in a two-dimensional subwavelength lattice, at a few tenth of nm away from the surface. One goal is to study atom-atom interactions within the lattice but also atom-surface modes coupling.The work realized during this thesis splits into an experimental part and a theoretical part. In the firstone, we present the cooling of 87Rb atoms until the quantum degeneracy regime. The second part is dedicated to theoretical simulations of a new trapping method we have implemented to trap and manipulate cold atoms below 100 nm from structures. This method takes advantage of plasmonic resonance and vacuum forces (Casimir-Polder effect). It allows one to create subwavelength potentials with controllable parameters.We detail the calculations of optical and vacuum forces to apply them to an atom of 87Rb in the vicinity of a 1D nanostructure.

Recently, remarkable advances have been made in the understanding of micro/nanoscale energy transport, opening new opportunities in various areas such as thermal management, data storage, and energy conversion. This dissertation focuses on thermally-sensed nanotopography using a heated silicon microcantilever and near-field thermophotovoltaic (TPV) energy conversion system. A heated microcantilever is a functionalized atomic force microscope (AFM) cantilever that has a small resistive heater integrated at the free end. Besides its capability of increasing the heater temperature over 1,000 K, the resistance of a heated cantilever is a very sensitive function of temperature, suggesting that the heated cantilever can be used as a highly sensitive thermal metrology tool. The first part of the dissertation discusses the thermal characterization of the heated microcantilever for its usage as a thermal sensor in various conditions. Particularly, the use of heated cantilevers for tapping-mode topography imaging will be presented, along with the recent experimental results on the thermal interaction between the cantilever and substrate. In the second part of the dissertation, the so-called near-field TPV device is introduced. This new type of energy conversion system utilizes the significant enhancement of radiative energy transport due to photon tunneling and surface polaritons. Investigation of surface and bulk polaritons in a multilayered structure reveals that radiative properties are significantly affected by polariton excitations. The dissertation then addresses the rigorous performance analysis of the near-field TPV system and a novel design of a near-field TPV device.

Wireless operation, near-field or far-field, is a core functionality of any mobile or autonomous system. These systems are battery operated or most often utilize energy scavenging as a means of power generation. Limited access to power, expected long and uninterrupted operation, and constrained physical parameters (e.g. weight and size), which limit overall power harvesting capabilities, are factors that outline the importance for innovative low-power approaches and designs in advanced low-power wireless applications. Low-power approaches become especially important for the wireless transceiver, the block in charge of wireless/remote functionality of the system, as this block is usually the most power hungry component in an integrated system-on-chip (SoC). Three such advanced applications with stringent power requirements are examined including space-based exploratory remote sensing probes and their associated radiation effects, millimeter-wave phased-array radar for high-altitude tactical and geological imaging, and implantable biomedical devices (IMDs), leading to the proposal and implementation of low-power wireless solutions for these applications in SiGe BiCMOS and CMOS and platforms.

Die zunehmende Nutzung [1] persönlicher mobiler Geräte durch immer mehr Fahrgäste des öffentlichen Personenverkehrs (ÖPV) begünstigt die Entwicklung neuer Applikationen, die den allgegenwärtigen Zugriff auf domänenspezifische Inhalte und Echtzeitdaten über variable Schnittstellen und Informationskanäle realisieren. Near Field Communication (NFC) gilt in diesem Zusammenhang als eine vielversprechende Technologie, die neben kontaktloser Datenübertragung auch Bezahlvorgänge direkt über das mobile Endgerät ermöglicht. Mit Blick auf die unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten von NFC in der mobilen Reisebegleitung wird in diesem Beitrag eine ikonografische Klassifikation für die visualisierte Analyse von Anwendungsszenarien vorgestellt, welche zur Planung ubiquitärer Applikationen im ÖPV eingesetzt werden kann.

La technologie d'identification par radiofréquence (RFID) a eu un essor très important ces dernières années notamment grâce à sa configuration polyvalente et aux innombrables possibilités d'intégration offertes par cette technologie notamment avec l'apparition d'un nouveau contexte applicatif celui des objets connectés. Depuis quelques années, des applications de la RFID UHF en champ proche ont été notamment développées afin de surmonter les problèmes liés à la dégradation de lecture des tags lorsqu'ils sont placés dans des milieux fortement perturbateurs. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse s'intéressent à l'étude de la technologie RFID UHF en zones de champ proche et de champ lointain. Les études portent plus particulièrement sur la conception d'antennes lecteur et d'antennes tag ainsi que sur les méthodes de caractérisation des systèmes RFID en zones de champ proche et de champ lointain. Une étude sur les caractéristiques des champs rayonnées par une antenne est réalisée afin de souligner les critères les plus pertinents en vue de concevoir des antennes pour les lecteurs RFID, performantes en zone de champ proche. A partir de l'état de l'art sur les antennes tags et les méthodologies de conception classiques, une nouvelle approche de conception est développée qui vise à améliorer la conception d'antennes tags en intégrant une vision appropriée pour tenir compte du niveau de puissance espéré dans une application donnée. Enfin avec pour objectif la caractérisation des tags RFID UHF, d'une part une approche est proposée permettant l'identification de familles de tags, et d'autre part, une procédure innovante pour la mesure de l'efficacité du transfert de puissance est proposée et validée expérimentalement. / The Radiofrequency Identification technology (RFID) has had a huge growth these last years, due to its versatility and the uncountable possibilities to integrate this technology in many different application (tracking and inventory of goods, access control, supply chain, etc.), and in particular the brand new context of internet of things projects. For some years, the near field UHF RFID applications has been developed in order to overcome the problems related to degradations of tag's read range when needing to use it in a perturbing environment. The research work presented in this thesis come as a study of the UHF RFID in near field and far field zones. This study focus more particularly on the design of reader and tag antennas and on the characterization method in near field and far field zones. A study on the characteristics of fields outgoing from an antenna has been made, in order to underline the important criteria for the design of performant UHF RFID reader antennas in near field zone. From the state of art about tag antennas design and classical methodologies, we propose a new approach that aims improving the design of tag antennas in a more suitable point of view that is getting the expected power level in a given application. Finally, with an objective to characterize UHF RFID tags, we first propose a new approach enabling the identification of tag families, and then propose a new innovating power transfer efficiency measurement procedure, that has been validated experimentally.

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À l’heure actuelle, les modèles photochimiques utilisés dans la correction des effets de proximitéoptique (OPC) en photolithographie sont devenus complexes et moins physiques afin de permettre decapturer rapidement le maximum d’effets optiques et chimiques. La question de la stabilité de tels modèlespurement empiriques est devenue d’actualité. Dans ce mémoire, nous avons étudié la stabilité desmodèles photochimiques actuels en examinant les différentes causes d’instabilité vis-à-vis des paramètresdu procédé. Dans la suite, nous avons développé une méthode perturbative permettant d’évaluer le critèrede la stabilité. L’obtention de modèles simples et stables nous conduit à séparer les effets optiques desautres effets chimiques. De plus, les approximations utilisées dans la modélisation des systèmes optiquesopérant à grande ouverture numérique entraînent des erreurs résiduelles pouvant dégrader la précisionet la stabilité des modèles OPC. Ainsi, nous nous sommes intéressés à étudier les limites de validitéde l’approximation de Kirchhoff, méthode qui, jusqu’à présent, est la plus utilisée dans la modélisationdu champ proche d’un masque. D’autres méthodes semi-rigoureuses, permettant de modéliser les effetstopographiques, ont été également évaluées. Ces méthodes approchées permettent de gagner en précisionmais dégradent le temps de calcul. Nous avons ainsi proposé différentes façons de corriger les effetstopographiques du masque, tout en gardant l’approximation de Kirchhoff dans la modélisation de la partieoptique. Parmi les méthodes proposées, nous exploitons celle permettant de réduire les erreurs liéesaux effets topographiques du masque par l’intermédiaire d’un second modèle empirique. Nous montronsque pour garantir une précision adéquate, il est nécessaire d’augmenter la complexité du modèle en rajoutantdes termes additionnels. Enfin, pour garantir la stabilité numérique du modèle empirique, nousintroduirons une nouvelle méthode approchée hybride rapide et précise, la méthode des multi-niveaux,permettant d’inclure les effets topographiques par décomposition multi-niveaux du masque fin et discuteronsses avantages et ses limites. / At present, common resist models utilized in photolithography to correct for optical proximity effects(OPC) became complex and less physical in order to capture the maximum of optical and chemical effectsin shorter times. The question on the stability of such models, purely empirical, become topical. In thisthesis, we study the stability of existing OPC models by examining the origins of model instability towardsprocess parameters. Thus, we have developed a perturbative method in order to evaluate the stabilitycriterion. However, achieving stable and simple models needs a separation between optical and otherchemical effects. Besides, multiple approximations, widely utilized in the modeling of optical systemsoperating at high numerical aperture, lead to residual errors which can degrade OPC model accuracyand stability. Thus, we were interested to study the limits of validity of the Kirchhoff approximation,a method which, so far, is the most commonly used in mask near-field modeling. Other semi-rigorousmethods for mask topography effect modeling were also evaluated. These approximate methods canimprove the accuracy but degrades the run time. We then suggested different techniques to correct formask topography effects, while keeping the Kirchhoff approximation in the modeling of the optical part.Among them, we showed that errors due to mask topography effects can be partially captured by asecond empirical model. However, in order to ensure a good accuracy, it is necessary to increase themodel complexity by using more additional empirical terms. Finally, in order to achieve a numericalstability of the empirical model, we introduced a new hybrid fast and accurate method, the multi-levelmethod, which allows us to correct for mask topography effects through a multi-level decomposition ofthe thin mask and discussed its advantages and drawbacks.

Manipulating light by controlling surface plasmons on metals is being discussed as a means for bridging the size gap between micrometer-sized photonic circuits and nanometer-sized integrated electronics. Plasmonic waveguides based on metal nanoparticles are of particular interest for circumventing the diffraction limit, thereby enabling high-speed communication over short-range distances in miniaturized micro-components. However, scalable, inexpensive fine-tuning of particle assemblies remains a challenge and near-field probing is required to reveal plasmonic interactions. In this thesis, self-assembled waveguides should be produced on DNA scaffolds. DNA origami is an extremely versatile and robust self-assembly method which allows scalable production of nanostructures with a fine control of assemblies at the nanoscale. To form the plasmonic waveguides, six-helix bundle DNA origami nanotubes are used as templates for attachment of highly monodisperse and monocrystalline gold nanoparticles with an inter-particle distance of 1-2 nm. In the first part of this thesis, the effects of parameters which are involved in assembly reactions are systematically investigated. The assembly yield and binding occupancy of the gold nanoparticles are determined by an automated, high-throughput image analysis of electron micrographs of the formed complexes. As a result, unprecedented binding site occupancy and assembly yield are achieved with the optimized synthesis protocol. In addition, waveguides with different sizes of gold nanoparticles and different inter-particle distances, quantum dots attachments to the waveguides and multimerization of the waveguides are successfully realized. In the second part of this thesis, direct observation of energy transport through a self-assembled waveguide towards a fluorescent nanodiamond is demonstrated. High-resolution, near-field mapping of the waveguides are studied by electron energy loss spectroscopy and cathodoluminescence imaging spectroscopy. The experimental and simulation results reveal that energy propagation through the waveguides is enabled by coupled surface plasmon modes. These surface plasmon modes are probed at high spatial and spectral resolutions. The scalable self-assembly approach presented here will enable the construction of complex, sub diffraction plasmonic devices for applications in high-speed optical data transmission, quantum information technology, and sensing. / Die Manipulation des Lichts durch die Kontrolle von Oberflächenplasmonen auf metallischen Oberflächen und Nanopartikeln gilt als vielversprechende Methode zur Überbrückung der Größen-Lücke zwischen Mikrometer-großen photonischen und nanometer-großen elektronischen Schaltkreisen. Plasmonische Wellenleiter basierend auf metallischen Nanopartikeln sind vom besonderen Interesse, da sie die Umgehung des Beugungslimits und somit eine Hochgeschwindigkeitskommunikation über kurze Distanzen in immer kleiner werdenden Schaltkreisen ermöglichen könnten. Allerdings ist die skalierbare und kostengünstige Anordnung von Partikeln eine große Herausforderung und es werden Nahfelduntersuchungen benötigt um plasmonische Interaktionen detektieren zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist die Selbstassemblierung von multi-partikel Wellenleitern auf DNA Gerüsten. Die Verwendung von DNA-Origami bietet eine äußerst vielseitige Plattform zur skalierbaren Herstellung von Nanostrukturen mittels Selbstassemblierung und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Anordnungen im Nanobereich. Für den Aufbau der plasmonischen Wellenleiter werden DNA-Origami Nanoröhren, bestehend aus sechs Helices als Templat für die Anbindung von monodispersen und monokristallinen Goldnanopartikeln mit einem interpartikulären Abstand von 1-2 nm verwendet. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden die beeinflussenden Faktoren dieser Assemblierungsreaktion systematisch untersucht. Die Ausbeute der assemblierten Strukturen und die Besetzung der Bindungsstellen werden durch eine automatisierte und effiziente Bildanalyse von Elektronenmikroskopieaufnahmen ausgewertet. Durch die Entwicklung eines optimierten Syntheseprotokolls werden bisher unerreichte Assemblierungsausbeuten ermöglicht. Zusätzlich erfolgen die experimentelle Realisierung von Strukturen mit verschieden großen Goldnanopartikeln und unterschiedlichen interpartikulären Abständen, sowie die Anbindung von Quantenpunkten an die Wellenleiter und eine Verknüpfung der assemblierten Strukturen. Der zweite Abschnitt dieser Dissertation befasst sich mit der Untersuchung des Energietransports in selbstassemblierten Wellenleitern über einen fluoreszierenden Nanodiamanten. Dazu erfolgen hochaufgelöste Nahfeldmessungen der Wellenleiter mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie und Kathodolumineszenz-mikroskopie. Die experimentellen Ergebnisse und zusätzlich durchgeführte Simulationen bestätigen eine durch gekoppelte Oberflächenplasmonenmoden induzierte Weitergabe der Energie innerhalb des Wellenleiters. Diese Oberflächenplasmonenmoden werden bei hoher räumlicher und spektraler Auflösung untersucht. Das hier umgesetzte Konzept der Selbstassemblierung wird den Aufbau komplexer plasmonischer Geräte für Anwendungen im Bereich der optischen Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, der Quanteninformations-technolgie und der Sensorik ermöglichen.