Aujourd'hui, un large éventail d'activités d'exploration et d'exploitation du milieu sous-marin requière l'établissement de transmissions de données à haut débit. Dans ce contexte, les solutions de communications traditionnelles par câble ou par fibre optique impliquent des déploiements coûteux et une flexibilité très limitée. D'autre part, les communications acoustiques offrent des performances opérationnelles très faibles. Récemment, avec le développement de composants optoélectroniques compacts et peu coûteux, il est devenu possible de réaliser des modems optique pour les communications sans-fil, qui soient compacts et offrent des vitesses de transmission et une efficacité énergétique sans précédentes. Cependant, cette technologie souffre encore de plusieurs limitations, notamment quand il s'agit d'établir des liens de communication sur des distance relativement longues et à des débits de transmission élevés. Pour faire face à certaines de ces faiblesses, cette thèse considère l'utilisation de nouveaux composants optoélectroniques et des techniques de traitement du signal adaptées afin d'améliorer les performances des liaisons de communication optique sans fil sous-marine.En effet, après l'étude de l'effet du bruit solaire sur la performance de ces liaisons, nous étudions l'utilisation d'une nouvelle technologie de photo détection, basée sur les photomultiplicateurs en silicium (SiPM). Nous étudions les performances de ces composants dans différentes conditions de turbidité de l'eau. Par ailleurs, nous proposons des techniques de transmission efficaces basées principalement sur la modulation d'amplitude et l'égalisation dans le domaine fréquentiel. Cette dernière est employée afin de dépasser la limitation imposée sur les débits de transmission par les composants d'émissions et de réception, notamment les LEDs et les SiPMs, et ainsi permettre une transmettre les données à des débits plus élevés. L'efficacité des solutions proposées est ensuite validée par une étude expérimentale. / Today we are witnessing a growing need to high-rate data transmission in underwater missions in a wide range of application areas. Within this context, traditional cable- or fiber-based communications imply costly deployments with very limited flexibility, and the conventional acoustic communications offer very low operational performance. Recently, with the development of small and low-cost optoelectronic components and devices, it has become feasible to realize small and compact wireless optical communication transceivers providing unprecedentedly high transmission rates and energy efficiency. However, there still remain several shortcomings of this technology, in particular to attain high data rates over relatively long communication ranges. In order to overcome some of these limitations, this PhD thesis considers the use of advanced optoelectronic components and signal processing techniques in order to improve the performance of underwater wireless optical communication (UWOC) links. In this view, after studying the effect of solar background noise on the performance of these links, we investigate the use of the recent promising Silicon photo-multipliers (SiPMs) in UWOC receivers and study the corresponding system performance in different conditions of water turbidity. We also propose efficient transmission solutions, mainly based on pulse amplitude modulation and frequency domain equalization in order to surpass the bandwidth limitation of the emitters and SiPMs to allow high rate data transmission. The benefits of the proposed solutions are further validated through experimental measurements.

L'illumination par la face arrière amincie des imageurs CMOS est une des voies étudiées pour accroître le rapport signal à bruit et ainsi la sensibilité de ce capteur. Or cette configuration est adaptée à la détection des électrons dans la gamme d'énergie [[1 ; 12 keV]. L'électron incident crée, par multiplication, plusieurs centaines d'électrons secondaires, proche de la surface. Une couche de passivation par surdopage P++ de la face arrière est nécessaire afin de réduire le nombre de recombinaisons de surface des électrons. Par effet de champ électrique, la couche de passivation augmente le nombre de charges collectées, et ainsi le gain de collection du capteur. L'objectif de cette thèse est de développer des moyens de caractérisation pour déterminer in situ les performances sur le gain de collection de six procédés de passivation. Préalablement, le profil de dépôt d'énergie de l'électron incident est étudié au moyen d'une simulation Monte-Carlo puis d'un modèle analytique. Un modèle associé du gain de collection indique qu'à forte énergie, l'effet miroir de la passivation est déterminant tandis qu'à faible énergie, l'épaisseur de la passivation est un facteur clef. Une première expérience d'irradiation de diodes étendues P++=N permet de dégager l'influence du procédé de passivation sur les recombinaisons de surface. Grâce à une seconde caractérisation de type < événement unique >, directement sur capteur CMOS aminci, les passivations sont discriminées quant à leur effet miroir et l'étalement de la charge qu'elles induisent. Le recuit laser d'activation des dopants peut s'avérer une source d'inhomogénéités du gain sur la surface de la matrice

Le Centre de Recherche sur les Outillages, les Matériaux et les Procédés (CROMeP) veut obtenir des cartes de températures précises, sur des moules métalliques entre 400 et 1000°C. Plusieurs équipes ont montré l'intérêt d'utiliser des caméras silicium dans ce contexte.<br />Nous nous distinguons de leurs travaux par l'approche adoptée pour modéliser le système. Nous proposons un nouveau modèle, plus précis et paramétré par un unique jeu de coefficients indépendant du temps d'intégration. Il permet d'obtenir une procédure d'étalonnage courte et précise, ainsi qu'un système dont la dynamique est contrôlable en ligne. Nous étudions d'autre part différents phénomènes perturbant la mesure, afin de l'améliorer, et d'évaluer sa précision. Ces caractérisations sont en partie effectuées au laboratoire de Conception d'Imageurs Matriciels Intégrés (CIMI).<br />Enfin nous positionnons les caméras CCD et CMOS par rapport aux systèmes de thermographie infrarouges, et présentons une application de mesures couplées dimensionnelles/thermiques, basée sur un unique capteur de stéréovision silicium.

Ce travail de thèse, essentiellement théorique et basé sur une approche modale, porte sur les propriétés optiques de surfaces métalliques comportant un certain nombre de gravures de profil rectangulaire dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière incidente.<br />Ces surfaces présentent des anomalies de réflexion liées à des exaltations locales du champ électromagnétique, dues notamment à des résonances de type Fabry-Pérot à l'intérieur des sillons. L'analyse du problème d'un couple de cavités sub-longueur d'onde, couplées en champ proche, montre comment on peut générer des "points chauds" et contrôler la localisation de la lumière à l'échelle sub-longueur d'onde. Les applications sont de première importance: commutation optique, adressage quantitatif de la lumière, diffusion Raman exaltée en<br />surface (SERS)... On s'intéresse également aux effets de localisations liés au désordre structurel: la rupture de symétrie d'un arrangement périodique génère différents jeux d'allumage des cavités, très sensibles à la fréquence d'excitation. Certaines prédictions théoriques sont étayées expérimentalement.<br />Enfin, le cas des réseaux lamellaires très fortement sub-longueur d'onde est examiné, en lien avec l'Absorption Optique Anormale et l'effet SERS observés sur certains films métalliques rugueux. Les exaltations géantes du champ électrique, calculées dans les nano-cavités par la méthode modale exacte, dans le domaine visible, s'expliquent par l'excitation de plasmons-polaritons de surface dont les vecteurs d'onde sont très supérieurs à ceux de la lumière.

A ce jour, les développements de systèmes liés à la sécurisation des biens et à la surveillance des personnes s'appuient le plus souvent sur l'usage de détecteurs commerciaux de type pyroélectriques mono-points, indiquant le passage d'une personne dans le champ. Ces détecteurs font apparaître deux limitations : l'impossibilité de détecter lorsque la personne à surveiller est immobile, et la nécessité dans certains cas, d'avoir des informations plus riches que la simple présence (direction des mouvements, estimation de la distance &). Notre travail de recherche se situe dans une perspective liée à la surveillance passive dans le domaine de l'habitat intelligent. Il vise le développement de capteurs infrarouges de nouvelles générations. Au terme d'une investigation sur les principaux matériaux permettant la détection infrarouge et compte tenu de la problématique et des spécifications que nous avons établies, le choix s'est porté sur une technologie thermoélectrique de type thermopile. Selon les recommandations générales concernant la conception "Top-down" des microsystèmes, nous avons fait un travail assez approfondi de modélisation analytique du système global de détection infrarouge avant d'engager les étapes de conception et de réalisation. A partir de cette démarche conceptuelle, plusieurs structures (au total 180) sous la forme de capteurs unitaires, matriciels et de véhicules tests ont été réalisées. Ce travail de recherche se termine par le développement d'un banc de mesures spécifique et la corrélation des caractérisations expérimentales avec le modèle élaboré. Les résultats obtenus montrent la validité des concepts mis en Suvre et permettent d'engager dès à présent le développement de détecteurs de présence statique.

L'illumination par la face arrière amincie des imageurs CMOS est une des voies étudiées pour accroître le rapport signal à bruit et ainsi la sensibilité de ce capteur. Or cette configuration est adaptée à la détection des électrons dans la gamme d'énergie [[1 ; 12 keV]. L'électron incident crée, par multiplication, plusieurs centaines d'électrons secondaires, proche de la surface. Une couche de passivation par surdopage P++ de la face arrière est nécessaire afin de réduire le nombre de recombinaisons de surface des électrons. Par effet de champ électrique, la couche de passivation augmente le nombre de charges collectées, et ainsi le gain de collection du capteur. L'objectif de cette thèse est de développer des moyens de caractérisation pour déterminer in situ les performances sur le gain de collection de six procédés de passivation. Préalablement, le profil de dépôt d'énergie de l'électron incident est étudié au moyen d'une simulation Monte-Carlo puis d'un modèle analytique. Un modèle associé du gain de collection indique qu'à forte énergie, l'effet miroir de la passivation est déterminant tandis qu'à faible énergie, l'épaisseur de la passivation est un facteur clef. Une première expérience d'irradiation de diodes étendues P++=N permet de dégager l'influence du procédé de passivation sur les recombinaisons de surface. Grâce à une seconde caractérisation de type < événement unique >, directement sur capteur CMOS aminci, les passivations sont discriminées quant à leur effet miroir et l'étalement de la charge qu'elles induisent. Le recuit laser d'activation des dopants peut s'avérer une source d'inhomogénéités du gain sur la surface de la matrice / Backside illuminated thinned CMOS imaging system is a technology developed to increase the signal to noise ratio and the sensibility of such sensors. This configuration is adapted to the electrons detection from the energy range of [1 - 12 keV]. The impinging electron creates by multiplication several hundreds of secondary electrons close to the surface. A P++ highly-doped passivation layer of the rear face is required to reduce the secondary electron surface recombination rate. Thanks to the potential barrier induced by the P++ layer, the passivation layer increases the collected charges number and so the sensor collection gain. The goal of this study is to develop some experimental methods in order to determine the effect of six different passivation processes on the collection gain. Beforehand, the energy profile deposited by an incident electron is studied with the combination of Monte-Carlo simulations and some analytical calculations. The final collection gain model shows that the mirror effect from the passivation layer is a key factor at high energies whereas the passivation layer has to be as thin as possible at low energies. A first experimental setup which consists in irradiating P++=N large diodes allows to study the passivation process impacts on the surface recombinations. Thanks to a second setup based on a single event upset directly on thinned CMOS sensor, passivation techniques are discriminated in term of mirror effect and the implied spreading charges. The doping atoms activation laser annealing is turn out to be a multiplication gain inhomogeneity source impacting directly the matrix uniformity

Les développements technologiques permettent aujourd'hui l'élaboration de systèmes optiques interférentiels composés d'un grand nombre de composants. Ainsi, des formules de filtres diélectriques multicouches comportant plusieurs dizaines ou centaines de couches minces ont été proposées. La combinaison cohérente de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de sources laser fibrées fait également l'objet de nombreux travaux de recherche. De même, d'autres systèmes comme les réseaux diffractifs bi et tridimensionnels composés d'un grand nombre d'ouvertures peuvent être étudiés. L'évaluation de la robustesse de tels systèmes interférentiels aux incertitudes de fabrication constitue un enjeu important mais d'autant plus difficile que le nombre de paramètres décrivant le système est grand. Dans ce document de synthèse, sont rappelés, dans un premier temps, les méthodologies liés aux plans d'expériences numériques et les résultats concernant leur qualité d'exploration des espaces de grandes dimensions au moyen de la construction d'un graphe : l'Arbre de Longueur Minimale. Dans une seconde partie, l'analyse de l'influence des incertitudes des paramètres d'entrée de systèmes interférentiels sur leurs performances est illustrée au moyen de deux applications : les filtres interférentiels multidiélectriques et la combinaison cohérente de sources laser fibrées. La méthodologie mise en oeuvre permet notamment d'identifier les incertitudes et les synergies les plus critiques au sein du système tout en construisant des métamodèles représentatifs. A partir de ces acquis, la caractérisation spatiale du speckle de surfaces rugueuses et plus généralement la caractérisation de la variabilité spatiale de phénomènes optiques sont ensuite explicitées. Enfin, les perspectives scientifiques issues de l'ensemble de ces activités de recherche sont développées. (PS : Les planches présentées lors de la soutenance ont été ajoutées en annexe du document original : pages 170 à 202).