Recently, the fundamental and nanoscale understanding of complex phenomena in materials research and the life sciences, witnessed considerable progress. However, elucidating the underlying mechanisms, governed by entangled degrees of freedom such as lattice, spin, orbit, and charge for solids or conformation, electric potentials, and ligands for proteins, has remained challenging. Techniques that allow for distinguishing between different contributions to these processes are hence urgently required. In this paper we demonstrate the application of scattering-type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) as a novel type of nano-probe for tracking transient states of matter. We introduce a sideband-demodulation technique that allows for probing exclusively the stimuli-induced change of near-field optical properties. We exemplify this development by inspecting the decay of an electron-hole plasma generated in SiGe thin films through near-infrared laser pulses. Our approach can universally be applied to optically track ultrafast/-slow processes over the whole spectral range from UV to THz frequencies.

Near field imaging using microwave in medical applications has gain much attention recently as various researches show its high ability and accuracy in illuminating object comparing to the well-known screening tools such as Magnetic Resonance Imaging (MRI), digital mammography, ultrasound etc. This has encourage and motivate scientists continue to exploit the potential of microwave imaging so that a better and more powerful sensing tools can be developed. This thesis documents the development of antenna design for microwave imaging application such as breast cancer detection. The application is similar to the concept of Ground Penetrating Radar (GPR) but operating at higher frequency band. In these systems a short pulse is transmitted from an antenna to the medium and the backscattered response is investigated for diagnose. In order to accommodate such a short pulse, a very wideband antenna with a minimal internal reflection is required. Printed monopole and planar metal plate antenna is implemented to achieve the necessary operating wide bandwidth. The development of new compact printed planar metal plate ultra wide bandwidth antenna is presented. A generalized parametric study is carried out using two well-known software packages to achieve optimum antenna performance. The Prototype antennas are tested and analysed experimentally, in which a reasonable agreement was achieved with the simulations. The antennas present an excellent relative wide bandwidth of 67% with acceptable range of power gain between 3.5 to 7 dBi. A new compact size air-dielectric microstrip patch-antenna designs proposed for breast cancer detection are presented. The antennas consist of a radiating patch mounted on two vertical plates, fed by coaxial cable. The antennas show a wide bandwidth that were verified by the simulations and also confirmed experimentally. The prototype antennas show excellent performance in terms the input impedance and radiation performance over the target range bandwidth from 4 GHz to 8 GHz. A mono-static model with a homogeneous dielectric box having similar properties to human tissue is used to study the interaction of the antenna with tissue. The numerical results in terms the matching required of new optimised antennas were promising. An experimental setup of sensor array for early-stage breast-cancer detection is developed. The arrangement of two elements separated by short distance that confined equivalent medium of breast tissues were modelled and implemented. The operation performances due to several orientations of the antennas locations were performed to determine the sensitivity limits with and without small size equivalent cancer cells model. In addition, a resistively loaded bow tie antenna, intended for applications in breast cancer detection, is adaptively modified through modelling and genetic optimisation is presented. The required wideband operating characteristic is achieved through manipulating the resistive loading of the antenna structure, the number of wires, and their angular separation within the equivalent wire assembly. The results show an acceptable impedance bandwidth of 100.75 %, with a VSWR < 2, over the interval from 3.3 GHz to 10.0 GHz. Feasibility studies were made on the antenna sensitivity for operation in a tissue equivalent dielectric medium. The simulated and measured results are all in close agreement.

Les propriétés optique des nanoparticules ont ouvert de nouvelles voies dans de nombreux domaines, de l'optique fondamental avec la compréhension des interactions dans la matière, la biologie et la compréhension du fonctionnement des milieux cellulaires, en passant par la microscopie en champ proche, qui permet de sonder localement les propriétés physiques de divers nano-systèmes. Au cours de ce travail, nous avons réalisé l'étude de la génération de seconde harmonique (GSH) de nanoparticules de KTP ainsi que de dimères d'or isolés. Des mesures optiques du rayonnement émis par ces nano-objets montrent qu'ils sont parfaitement photostables. Par ailleurs, nous avons aussi étudié de nouvelles particules actives qui permettent d’obtenir un double signal, de luminescence ainsi que de GSH. Ces nanosources bimodales sont constituées des nanoparticules de KTP dopées avec des ions Europium. Dans une seconde partie, nous tentons de fabriquer des sondes optiques pour le champ proche en utilisant les nanocristaux non-linéaires de KTP, ceci dans le but de développer une nouvelle microscopie optique en champ proche capable de sonder localement et vectoriellement un champ électromagnétique. Une pointe de microscopie à force atomique est fonctionnalisée par une particule d'or, puis approchée d'un nanocristal de KTP. Des résultats préliminaires montrent qu'il est possible par cette méthode de sonder le champ électromagnétique présent autour d'une nanoparticule d'or. / The optical properties of nanoparticles have opened new avenues in many areas of optics with the fundamental understanding of the interactions in matter, biology and understanding of the functioning of cell media, through the near-field microscopy, which allows us to probe locally the physical properties of various nano-systems. In this work, the study of second harmonic generation (SHG) has been performed on isolated nanoparticles of KTP and dimers of gold. Optical measurements of radiation emitted by these particles show that nanoparticles are perfectly photostable.Furthermore, we also explored new active particles that deliver a double signal, luminescence and GSH. These nanosources bimodal nanoparticles consist of KTP doped with europium ions. In the second part, we try to manufacture optical probes for near field using nonlinear nanocrystals in this case the probe is KTP nanocrystals. A tip of atomic force microscopy is functionalized by a particle of gold, then approached a nanocrystal of KTP. Preliminary results showed that it was possible to probe the electromagnetic field present around a gold nanoparticle.

La caractérisation des sources de rayonnement électromagnétique par des techniques de champ proche est aujourd'hui largement utilisée. Ces techniques consistent à mesurer le champ rayonné à proximité de la source pour en déduire, par traitement mathématique, le champ dans d'autres zones de l'espace (champ proche ou champ lointain). Les applications sont nombreuses comme par exemple la caractérisation des diagrammes de rayonnement des antennes ou la détermination des périmètres de sécurité autour des antennes de station de base. Par ailleurs, la mesure en champ proche trouve également des applications dans le diagnostic des sources.Ce travail de thèse porte sur une nouvelle méthode de calcul des coefficients du développement modal à partir d'une mesure sur une surface échantillonnée irrégulièrement ou arbitraire. Ces coefficients permettent ensuite d'évaluer le diagramme de rayonnement de la structure rayonnante dans toutes les directions de l'espace.Le principe de la méthode matricielle consiste à mesurer les composantes tangentielles du champ électromagnétique sur une surface. Les coefficients modaux sont obtenus par l'inversion d'un système d'équations linéaires reliant le champ électrique mesuré et les fonctions d'ondes.Cette méthode permet de désolidariser la géométrie de la surface de mesure du système de coordonnées dans lequel est exprimé le développement modal. Il en résulte de nombreux avantages, comme le choix d'une surface de mesure quelconque, pour des raisons de compacité, de simplicité de mise en œuvre ou de suppression d'erreur de troncature. / The characterization of electromagnetic radiation sources by near field techniques is now widely used. These involve measuring the radiated field close to the source to deduce, by mathematical processing, the field in other areas of space (near field and far field). There are many applications such as the evaluation of the antenna far field radiation patterns or the determination of safety perimeters around base station antennas. Furthermore, the near-field measurement technique can be used in the sources diagnostic.In our study, we present a new method for calculating the modal expansion coefficients from irregularly sampled or arbitrary measurement surfaces. The calculation of these modal coefficients allows the assessment of the radiation pattern of the antenna under test in every spatial directions.The principle of the matrix method is to calculate the modal coefficients by solving a system of linear equations relating the measured electric field and wave functions. Once the modal coefficients are known the far field of the structure is achieved.This method allows the separation between the geometry of the measuring surface and the coordinate system wherein the modal expansion is expressed. This leads to many advantages, such as selecting any measurement surfaces, for the reasons of compactness, implementation simplicity or truncation errors suppression.

Cette thèse porte sur la conception d’un système de mesure in-situ permettant de détecter les perturbations variables dans l’environnement proche d’un réseau d’antennes. Une première partie est consacrée à l’étude du bénéfice d’un tel système appliqué à un réseau de goniométrie. Une étude quantitative de la dégradation des performances de goniométrie sur porteur en présence d’obstacles variables est réalisée. Le deuxième point majeur de cette thèse est le choix de la technologie pour la conception du système de diagnostic. La Technique de diffusion modulée par l’optique (OMS) est sélectionnée. Un modèle de prédiction de la puissance rétrodiffusée par la sonde OMS a été élaboré afin de choisir la dimension de sonde optimale. Suite aux études théoriques, une sonde de 12 cm chargée par la photodiode (PDCS30T) a été réalisée. Des mesures en chambre anéchoïque ont été menées afin de valider le bilan de liaison et mesurer la sensibilité de la sonde à des obstacles proches. Finalement, une étude est réalisée afin d’étudier la sensibilité exigée par le réseau de diagnostic pour détecter la présence d’obstacles. Un dimensionnement du système global est calculé. / This thesis focuses on the design of an in-situ measurement system to detect variable disturbances in the near field of antenna arrays. The first part was focused on the study of the benefit of the monitoring system for direction finding antennas (DFA). A quantitative study of degradation of performances of DFA installed on a carrier in presence of variable obstacles was done. The second point of the study concerns the choice for the technology for the diagnostic system design. The Optically Modulated Scatterer Technique (OMS) is selected. A model that predicts the OMS backscattered power is developed to select the optimal dimension of the probe. Following the theoretical studies, a 12 cm OMS probe coupled to the nonlinear device (PDCS30T) was designed. Measurements in anechoic chamber were conducted to validate the budget link model and measure the sensitivity of the probe to nearby objects. Finally, a study is conducted to investigate the sensitivity required by the diagnostic probes for detecting the presence of obstacles. A dimensioning of the overall system is computed.

Le développement de la société de l'information et de la monnaie virtuelle, a soulevé de nouveaux problèmes aux communautés de la sécurité et du circuit intégré, faisant devenir la cryptologie un outil incontournable permettant de répondre aux exigences sécuritaires telles que l'identification, l'authentification ou la confidentialité. L'intégration des primitives cryptographiques dans différents dispositifs électroniques est largement répandue aujourd'hui dans le domaine des communications, des services financiers, des services gouvernementaux ou de la PayTV. Au premier rang de ces dispositifs, figure la carte à puce. D'après un rapport publié en août 2010, IMS Research prévoit que le marché de la carte à puce atteindra les 5.8 milliards d'unités vendues en fin d'année. La grande majorité est utilisée dans les télécommunications (carte SIM) et les services bancaires. La carte à puce incorpore un circuit intégré qui peut être, soit un processeur dédié aux calculs cryptographiques, soit seulement de la mémoire non-volatile ou les deux. Ces circuits intégrés manipulent et contiennent donc des secrets comme les clefs secrètes ou privées utilisées par les algorithmes de cryptographie symétriques ou asymétriques. Ces clefs doivent donc, rester absolument confidentielles et intègres afin de garantir la chaîne de sécurité. Par conséquent la robustesse des cartes à puces aux attaques cryptographiques est cruciale. En effet, les attaques sur les circuits intégrés sont aujourd'hui très performantes. Elles peuvent être classées selon trois grandes familles : invasives, semi-invasives et non-invasives. 1- Les attaques invasives sont des attaques menées en général par des experts et requièrent du matériel spécifique. 2- Les attaques semi-invasives, famille d'attaques récemment introduite par l'équipe de Ross Anderson, dont le principe est de décapsuler le package contenant le circuit, afin de se positionner le plus proche possible de la surface, sans pour autant en détériorer les fonctionnalités. 3- Les attaques non-invasives ne nécessitent aucune préparation préalable du dispositif soumis aux attaques. Elles consistent à espionner les phénomènes physiques engendrés par la manipulation des données et notamment les clefs secrètes. Les attaques non-invasives peuvent être considérées comme les plus dangereuses, dans la mesure où ce type d'attaque peut être réalisé sans contact avec le circuit. En effet, pendant l'utilisation d'appareils électroniques, les circuits qui les composent sont soumis à des variations de courant et de tension. Ces variations génèrent des ondes électromagnétiques qui se propagent dans le voisinage du circuit. Ces émanations présentent une corrélation avec des informations censées être stockées dans la puce de façon sécurisée (exemple: la clef secrète d'une carte bancaire utilisée pour l'authentification). Plusieurs attaques dites par canaux auxiliaires, et basées sur ces fuites électromagnétiques ont été publiées par la communauté scientifique ces dernières années. Cette thèse a pour objectifs: (a) comprendre les différentes sources des émanations électromagnétiques des circuits intégrés, et de proposer un flot d'attaque électromagnétique localisée et en champ proche afin de tester la robustesse d'un circuit cryptographique contre les attaques et analyses utilisant le canal électromagnétique, et (b) proposer des contre-mesures afin de contrecarrer ces attaques par analyse de champ électromagnétique. Afin d'atteindre ces objectifs, nous présentons, dans un premier temps, une technique efficace nommée WGMSI (Weighted Global Magnitude Squared Incoherence) pour localiser les positions, au-dessus du circuit cryptographique, qui génèrent les émanations électromagnétiques les plus dépendantes des données secrètes. Dans un deuxième temps la WGMSI est utilisée aussi pour améliorer la stabilité et la convergence des différentes attaques électromagnétiques proposées dans la littérature. La suite de la thèse décrit les différentes contre-mesures aux attaques par canaux auxiliaires. En effet, face à ces techniques d'attaques évoluées, il est primordial, de rendre les fonctions cryptographiques implantées dans les circuits intégrés pour la sécurité (confidentialité, authentification, intégrité ... ), inattaquables en un temps raisonnable et ceci même en manipulant des sous-clefs dans des chiffrements par blocs. Pour cela, on se focalisera principalement aux contre-mesures basées sur des logiques différentielles et dynamiques. Ces contre-mesures sont dites par conception, puisqu'elles se situent au niveau des portes logiques qui sont considérées comme les éléments de base pour la conception d'un circuit intégré. Ceci permet une certaine indépendance des algorithmes cryptographiques vis à vis de l'architecture ou de la technologie considérées. Parmi les différentes logiques différentielles et dynamiques, on s'intéressera plus spécifiquement à la logique STTL (Secure Triple Track logic) qui peut être considérée comme une amélioration de la logique double rail, dans la mesure où un troisième rail est ajouté afin de contrecarrer la faiblesse principale de la logique double rail, à savoir l'évaluation anticipée. Enfin, nous présenterons un flot d'implémentation sur FPGA de la logique STTL prouvée robuste aux attaques par analyse de courant, et nous implémenterons un prototype de DES STTL afin de tester sa robustesse aux attaques électromagnétiques localisées en champ proche. / The integration of cryptographic primitives in different electronic devices is widely used today incommunications, financial services, government services or PayTV.Foremost among these devices include the smart card. According to a report published in August 2010, IMS Research forecasts that the smart card market will reach 5.8 billion units sold in this year. The vast majority is used in telecommunications (SIM) and banking.The smart card incorporates an integrated circuit which can be a dedicated processor for cryptographic calculations. Therefore, these integrated circuits contain secrets such as secret or private keys used by the symmetric or asymmetric cryptographic algorithms. These keys must remain absolutely confidential to ensure the safety chain.Therefore the robustness of smart cards against attacks is crucial. These attacks can be classifiedinto three main categories: invasive, semi-invasive and non-invasive.Non-invasive attacks can be considered the most dangerous, since this kind of attack can be achieved without any contact with the circuit.Indeed, while using electronic circuits that compose them are subjected to variations in current and voltage. These variations generate an electromagnetic radiation propagating in the vicinity of the circuit.These radiations are correlated with secret information (eg a secret key used for authentication). Several attacks based on these leakages were published by the scientific community.This thesis aims to: (a) understand the different sources of electromagnetic emanations of integrated circuits, and propose a localized near field attack to test the robustness of a cryptographic circuit and (b) propose counter-measures to these attacks.

Wir erforschen r?umlich Modenprofile in Wellenleitern mit Submikrometerabmessungen. Daf?r wird die optische Nahfeldmikroskopie in Kombination mit durchstimmbaren Laseranregungsquellen eingesetzt. Wir zeigen, wie das Nano-Photolumineszenzsignal von den Facetten von Quantentroglasern benutzt werden kann, um in diesem Bereich Oberfl?chenrekombination und Diffusionsl?ngeunabh?ngig voneinander zu bestimmen. Damit werden wichtige Informationen ?ber Haftstellen und deren Konzentration an Bauelementeoberfl?chen gewonnen. Eigenmoden in quasi-2-dimensionalen plasmonischen Kristallen sowie ihre Bandstruktur werden direkt gemessen und abgebildet. Messungen der Relaxation der Oberfl?chenplasmonanregung in der Raum- und Zeitdom?ne erlauben die Aufkl?rungder mikroskopischen Natur der Oberfl?chenplasmonemission. / Methods of the near-field spectroscopy combined with tunable laser excitation was used in order to perform investigation of the modeprofiles of submicron-sized waveguides in semiconductor device lasers. It was shown that the nano-photoluminescence signal at facets of a quantum well laser can be used to obtain surface recombination velocity and diffusion length independently and provide important information about concentration of trap-like defect states. Eigenmodes of the quasi-two-dimensional plasmonic crystals as well as their dispersion relations were directly mapped. The temporal and spatial domain measurement of the damping time of the surface plasmon excitation allow to reveal microscopic origins of surface plasmon radiation in such suchstructures.

Near-field wireless power transfer (WPT) technology facilitates the energy autonomy of heterogeneous systems, significantly augmenting complementary metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor (CMOS) technology. In low-power wearable devices, existing power conditioning integrated circuits do not maximize the power factor (PF) for rectification and power conversion efficiency (PCE) due to multiple conversion. Additionally, there is no core power management for the entire power flow. The majority of the research focuses on active rectifiers, which reduce the turn-on voltage for rectification. Certain studies target the output voltage regulation via feedback to the transmitter or direct battery charging without power maximization. Firstly, this study investigates a high-power factor WPT front-end circuit that is namely the mono-periodic switching rectifier (MPSR) and implemented in a 0.18µm 1.8V/5V CMOS process. Integrated phase synchronizers are used to align the waveshape of a wirelessly-coupled sinusoidal voltage source in a receiving coil to the corresponding conducting current. Using this approach, the PF can be increased from roughly 0.6 to unity without requiring any wireless or wired feedback to the transmitter. The proposed MPSR can also provide AC-DC rectification, and step up and down the sinusoidal voltage source's peak amplitude using a pulse-width modulator. Measured voltage conversion ratios range between 0.73X and 2X, and the PF can be boosted up to unity. Secondly, the wireless power system-on-chip (WPower-SoC) is proposed and implemented in a 0.18µm 1.8V/3.3V CMOS process. The WPower-SoC integrating power management can provide rectification, output voltage regulation, and battery charging. Additionally, the implementation of feedforward envelope detection (FED) can reduce the variation in a wireless power link and improve load transient responses. Simulated results demonstrate that 5% of the output voltage regulation is improved when an output load changes. Moreover, the FED reduces approximately 40% of the transient response time. Overshoot and undershoot voltages are decreased by 23% and 26.5%, respectively. The measured output voltage regulates at 3.42V and can supply output power up to 342mW. A temperature sensor as part of the power management core remains active when the WPT receivers enter sleep mode to prolong the battery usage time. In the final part of this study, a nano-watt high-accuracy temperature sensing core is implemented in a 0.18µm 1.8V/3.3V CMOS process that can self-compensate the temperature shift without the need for additional compensating techniques that consume extra power.

Cette thèse porte sur la conception d’un système de mesure in-situ permettant de détecter les perturbations variables dans l’environnement proche d’un réseau d’antennes. Une première partie est consacrée à l’étude du bénéfice d’un tel système appliqué à un réseau de goniométrie. Une étude quantitative de la dégradation des performances de goniométrie sur porteur en présence d’obstacles variables est réalisée. Le deuxième point majeur de cette thèse est le choix de la technologie pour la conception du système de diagnostic. La Technique de diffusion modulée par l’optique (OMS) est sélectionnée. Un modèle de prédiction de la puissance rétrodiffusée par la sonde OMS a été élaboré afin de choisir la dimension de sonde optimale. Suite aux études théoriques, une sonde de 12 cm chargée par la photodiode (PDCS30T) a été réalisée. Des mesures en chambre anéchoïque ont été menées afin de valider le bilan de liaison et mesurer la sensibilité de la sonde à des obstacles proches. Finalement, une étude est réalisée afin d’étudier la sensibilité exigée par le réseau de diagnostic pour détecter la présence d’obstacles. Un dimensionnement du système global est calculé. / This thesis focuses on the design of an in-situ measurement system to detect variable disturbances in the near field of antenna arrays. The first part was focused on the study of the benefit of the monitoring system for direction finding antennas (DFA). A quantitative study of degradation of performances of DFA installed on a carrier in presence of variable obstacles was done. The second point of the study concerns the choice for the technology for the diagnostic system design. The Optically Modulated Scatterer Technique (OMS) is selected. A model that predicts the OMS backscattered power is developed to select the optimal dimension of the probe. Following the theoretical studies, a 12 cm OMS probe coupled to the nonlinear device (PDCS30T) was designed. Measurements in anechoic chamber were conducted to validate the budget link model and measure the sensitivity of the probe to nearby objects. Finally, a study is conducted to investigate the sensitivity required by the diagnostic probes for detecting the presence of obstacles. A dimensioning of the overall system is computed.

QC 20110831