Les nano-Oscillateurs à transfert de spin (STNOs) sont des dispositifs capables d'émettre une onde hyperfréquence lorsqu'ils sont pompés par un courant polarisé grâce au couple de transfert de spin. Bien qu'ils offrent de nombreux avantages (agilité spectrale, intégrabilité, etc.) pour les applications, leur puissance d'émission et leur pureté spectrale sont en général faibles. Une stratégie pour améliorer ces propriétés est de synchroniser plusieurs oscillateurs entre eux. Une première étape est de comprendre la synchronisation d'un STNO unique à une source externe. Pour cela, nous avons étudié une vanne de spin Cu60|NiFe15|Cu10|NiFe4| Au25 (épaisseurs en nm) de section circulaire de 200 nm. Dans l'état saturé perpendiculaire (champ appliqué > 0.8 T), nous avons déterminé la nature du mode qui auto-Oscille et son couplage à une source externe grâce à un microscope de force par résonance magnétique (MRFM). Seul un champ micro-Onde uniforme permet de synchroniser le mode oscillant de la couche fine car il possède la bonne symétrie spatiale, au contraire du courant micro-Onde traversant l'échantillon. Ce même échantillon a ensuite été étudié sous faible champ perpendiculaire, les deux couches magnétiques étant alors dans l'état vortex. Dans ce cas, il est possible d'exciter un mode de grande cohérence (F/ ∆F >15000) avec une largeur de raie inférieure à 100 kHz. En analysant le contenu harmonique du spectre, nous avons déterminé que le couplage non-Linéaire amplitude-Phase du mode excité est quasi nul, ce qui explique la grande pureté spectrale observée, et qu'en parallèle, la fréquence d'oscillation reste ajustable sur une grande gamme grâce au champ d'Oersted créé par le courant injecté. De plus, la synchronisation de ce mode à une source de champ micro-Onde est très robuste, la largeur de raie mesurée diminuant de plus de cinq ordres de grandeur par rapport au régime autonome. Nous concluons de cette étude que le couplage magnéto-Dipolaire entre STNOs à base de vortex est très prometteur pour obtenir une synchronisation mutuelle, le champ dipolaire rayonné par un STNO sur ses voisins jouant alors le rôle de la source micro-Onde. Nous sommes donc passés à l'étape suivante, à savoir la mesure expérimentale de deux STNOs similaires séparés latéralement de 100 nm. En jouant sur les différentes configurations de polarités des vortex, nous avons réussi à observer la synchronisation mutuelle de ces deux oscillateurs. / Spin transfer nano-Oscillators (STNOs) are nanoscale devices capable of generating high frequency microwave signals through spin momentum transfer. Although they offer decisive advantages compared to existing technology (spectral agility, integrability, etc.), their emitted power and spectral purity are quite poor. In view of their applications, a promising strategy to improve the coherence and increase the emitted microwave power of these devices is to mutually synchronize several of them. A first step is to understand the synchronization of a single STNO to an external source. For this, we have studied a circular nanopillar of diameter 200~nm patterned from a Cu60|Py15|Cu10|Py4|Au25 stack, where thicknesses are in nm. In the saturated state (bias magnetic field > 0.8 T), we have identified the auto-Oscillating mode and its coupling to an external source by using a magnetic resonance force microscope (MRFM). Only the uniform microwave field applied perpendicularly to the bias field is efficient to synchronize the STNO because it shares the spatial symmetry of the auto-Oscillation mode, in contrast to the microwave current passing through the device. The same sample was then studied under low perpendicular magnetic field, with the two magnetic layers in the vortex state. In this case, it is possible to excite a highly coherent mode (F/∆F>15000) with a linewidth below 100 kHz. By analyzing the harmonic content of the spectrum, we have determined that the non-Linear amplitude-Phase coupling of the excited mode is almost vanishing, which explains the high spectral purity observed. Moreover, the oscillation frequency can still be widely tuned thanks to the Oersted field created by the dc current. We have also shown that the synchronization of this mode to a microwave field source is very robust, the generation linewidth decreasing by more than five orders of magnitude compared to the autonomous regime. From these findings we conclude that the magneto-Dipolar interaction is promising to achieve mutual coupling of vortex based STNOs, the dipolar field from a neighboring oscillator playing the role of the microwave source. We have thus experimentally measured a system composed of two STNOs laterally separated by 100 nm. By varying the different configurations of vortex polarities, we have observed the mutual synchronization of these two oscillators.

Ce manuscrit est consacré à l'étude du bruit de phase dans les oscillateurs optoélectroniques (OEO) à ligne à retard à fibre optique. Cette classe particulière d'oscillateurs dans la gamme micro-onde a été développée (1994) récemment, et étudiée par différents groupes de recherche dans le monde, du fait de son important potentiel en termes de très faible bruit de phase à court terme (applications radar, spatial, et télécom haut débit). Sur la base d'un modèle théorique s'appuyant sur une description temporelle, nous avons étudié la dynamique de l'oscillateur, et ses propriétés de bruit de phase. L'équation différentielle stochastique, non linéaire, et à retard, est directement dérivée de la description des différents éléments de la chaîne d'oscillation : la non linéarité prédominante d'un modulateur électro-optique de Mach-Zehnder, le temps de retard induit par plusieurs kilomètres de fibre, la dynamique résonante du filtre micro-onde à 10 GHz sélecteur des modes à retard, et les différentes sources de bruit additif et multiplicatif (laser, photodiode, amplificateur RF). La linéarisation de ce modèle autour du point de fonctionnement a permis d'obtenir une expression théorique du bruit de phase et d'amplitude de l'OEO. Ces résultats sont confrontés à une exploration expérimentale des caractéristiques de bruit, à la fois des composants utilisés, et du système complet de l'OEO en régime d'oscillation monomode. Des techniques de mesure de bruit ultra-sensibles, utilisant des architectures optoélectroniques d'un banc de mesure, ainsi que des principes de mesure par corrélation, sont décrites. Une très bonne correspondance entre théorie et expérience est ainsi obtenue. Le travail a abouti à l'identification quantitative des principales sources de bruit limitant les performances de l'OEO. Par l'utilisation de composants optimaux, un niveau de bruit de phase de l'ordre de –?143 dBrad2/Hz à 10 kHz de la porteuse à 10 GHz, a été atteint. La discussion des sources de bruit résiduelles a également permis de proposer des améliorations pour les architectures futures d'OEO.

Le travail présenté dans ce mémoire traite de l'étude d'oscillateurs et d'Oscillateurs Contrôlés en Tension (OCT) différentiels couplés appliqués à la commande d'un réseau d’antennes linéaire. Après avoir rappelé les concepts d'antennes réseaux et d'oscillateurs, une synthèse de la théorie élaborée par R. York et donnant les équations dynamiques modélisant deux oscillateurs de Van der Pol couplés par un circuit résonnant a été présentée. Après avoir montré la limitation de cette approche concernant la prédiction de l'amplitude des oscillateurs, une nouvelle formulation des équations non linéaires décrivant les états de synchronisation a été proposée. Néanmoins, compte tenu du caractère trigonométrique et fortement non linéaire de ces équations, une nouvelle écriture facilitant la résolution numérique a été proposée. Ceci a permis l'élaboration d'un outil de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) fournissant une cartographie de la zone de synchronisation de deux oscillateurs de Van der Pol couplés. Celle-ci permet de déterminer rapidement les fréquences d'oscillation libres nécessaires à l'obtention du déphasage souhaité. Pour ce faire, une procédure de modélisation de deux oscillateurs et OCTs différentiels couplés, par deux oscillateurs de Van der Pol couplés par une résistance a été élaborée. Les résultats fournis par l'outil de CAO proposé ont ensuite été comparés avec les résultats de simulations de deux oscillateurs et OCTs différentiels couplés obtenus avec le logiciel ADS d'Agilent. Une très bonne concordance des résultats a alors été obtenue montrant ainsi l'utilité et la précision de l'outil présenté. / The work presented in this thesis deals with the study of coupled differential oscillators and Voltage Controlled Oscillators (VCO) used to control antenna arrays. After reminding the concept of antenna arrays and oscillators, an overview of R. York's theory giving the dynamics for two Van der Pol oscillators coupled through a resonant network was presented. Then, showing the limitation of this approach regarding the prediction of the oscillators' amplitudes, a new formulation of the nonlinear equations describing the oscillators' locked states was proposed. Nevertheless, due to the trigonometric and strongly non-linear aspect of these equations, mathematical manipulations were applied in order to obtain a new system easier to solve numerically. This has allowed to the elaboration of a Computer Aided Design (CAD) tool, which provides a cartography giving the frequency locking region of two coupled differential Van der Pol oscillators. This cartography can help the designer to rapidly find the free-running frequencies of the two outermost differential oscillators or VCOs of the array required to achieve the desired phase shift. To do so, a modeling procedure of two coupled differential oscillators and VCOs as two coupled differential Van der Pol oscillators, with a resistive coupling network was performed. Then, in order to validate the results provided by our CAD tool, we compared them to the simulation results of two coupled differential oscillators and VCOs obtained with Agilent’s ADS software. Good agreements between the simulations of the circuits, the models and the theoretical results from our CAD tool were found.

L'intégration des circuits est au centre de l'enjeu lié à la réduction de l'encombrement et des coûts de fabrication des systèmes de télécommunication. Dans les systèmes d'émission et de réception, la génération de fréquence issue de l'oscillateur local va permettre la transposition du signal modulé autour de la porteuse vers une fréquence intermédiaire ou vers le signal en bande de base (et inversement pour l'émetteur). La synthèse de fréquence est généralement assurée par une boucle à verrouillage de phase (PLL). L'objectif de ce travail de thèse consiste à réaliser une PLL fractionnaire intégrée en bande X (8 GHz-12 GHz) en technologie BiCMOS. Dans un premier temps, un démonstrateur de PLL à division entière intégrée est présenté, pour lequel nous décrirons les spécifications et les méthodes. Les différents éléments constitutifs de la PLL numérique sont présentés pour lesquels nous évaluerons les spécifications en bruit. Cette étude permet d'établir un bilan de performances mettant en avant l'enjeu des caractéristiques dynamiques et en bruit lors de la conception d'un oscillateur contrôlé en tension. L'étude et la conception de l'oscillateur contrôlé en tension constituent l'objet du second chapitre. Les principes fondamentaux de la conception d'un oscillateur en technologie monolithique sont présentés. La nécessité de simuler correctement les performances du circuit, et tout particulièrement le bruit de phase, est mise en avant. La conception de deux oscillateurs contrôlés en tension est présentée (une topologie parallèle et une topologie série). La méthodologie de conception met en avant la prépondérance du phénomène de conversion de la source de bruit en courant sur la jonction base-émetteur du transistor : l'optimisation du bruit de phase est basée sur la minimisation de cette conversion. Sur la base de l'identification et de la localisation de la source de bruit prépondérante responsable du bruit de phase, nous proposons une solution de polarisation hybride afin de diminuer le bruit de phase en court-circuitant la source de bruit en courant. Une conception d'oscillateur contrôlé en tension à 20 GHz est aussi entreprise sur un concept de topologie push-push permettant d'atteindre un niveau de bruit de phase définissant l'état de l'art pour cette technologie et cette fréquence d'oscillation. Enfin, dans le dernier chapitre, nous étudions la division fractionnaire et décrivons la mise en oeuvre de la PLL toute intégrée : les différents types de circuits de la division fractionnaire sont exposés, et une étude spécifique de la topologie mise en place est présentée. Le bruit de phase de l'ensemble est estimé, mettant en avant la contribution en bruit du filtre qui est particulièrement problématique en solution toute intégrée

Les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) continus sont des sources de lumière cohérente largement accordables reposant sur l'interaction paramétrique de trois champs dans un cristal non-linéaire. Leur utilité est aussi bien liée à cette accordabilité (spectroscopie) qu'aux propriétés quantiques propres au système (génération d'états comprimés, photons jumeaux). D'autre part, en tant que systèmes non-linéaires, les OPO sont susceptibles de présenter une grande richesse de phénomènes dynamiques temporels et spatio-temporels. Nous présentons une étude expérimentale, théorique et numérique de différentes instabilités temporelles présentées par les intensités des champs à la sortie de la cavité de notre OPO. Nous caractérisons des oscillations de fréquence de 1 à 300MHz dont nous montrons expérimentalement qu'elles ont pour origine l'interaction entre plusieurs modes transverses. Ces oscillations rapides peuvent être couplées à des oscillations plus lentes d'origine thermique, menant à l'apparition d'instabilités du type oscillations en rafales. Un développement perturbatif multi-échelle permet d'obtenir des solutions analytiques pour les champs une fois les oscillations rapides moyennées. Nous avons d'autre part observé ce qui est à notre connaissance la première observation expérimentale de chaos déterministe dans ce système. Enfin nos travaux expérimentaux et théoriques ont permis d'améliorer notre compréhension de la sélection de modes dans les OPO.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'autopulsation à 40 GHz générée par verrouillage de modes passif dans les lasers DBR à semi-conducteurs, et de leur application à la récupération d'horloge tout-optique à 40 Gbit/s. Un modèle théorique a montré que le blocage de modes passif dans ces lasers est engendré par mélange à quatre ondes et génère une corrélation des bruits de phase des modes du laser. La signature expérimentale de l'autopulsation est alors la réduction de largeur spectrale du spectre lorentzien du photocourant. L'importance du mélange à quatre ondes a ensuite guidé les démarches de conception de ces composants, et les lasers DBR autopulsants réalisés ont permis l'étude expérimentale du blocage de modes passif, à travers la mesure d'une relation de phase fixe entre modes et la démonstration de la corrélation de leurs bruits de phase. Par la suite, la caractérisation de lasers à boîtes quantiques, développés au III-V Lab, a montré leur potentiel à générer des signaux autopulsants de haute pureté spectrale, avec des largeurs spectrales proches du kHz. Enfin, l'étude de la synchronisation externe du laser autopulsant a montré le rôle clé de la largeur spectrale et l'intérêt des lasers à boîtes quantiques pour les applications telles que la récupération d'horloge tout-optique ou la génération de porteuses optiques micro-ondes. Ces lasers ont d'ailleurs permis la réalisation d'une récupération d'horloge tout-optique à 40 Gbit/s présentant une fonction de transfert de gigue compatible avec le gabarit de la norme ITU-T G825.1. Ce résultat prometteur permet d'envisager l'utilisation de lasers DBR autopulsants dans une interface de régénération.

Ce mémoire de thèse s'intéresse aux problèmes posés par l'intégration dans les technologies silicium des synthétiseurs de fréquence dans la gamme 1-5 GHz. Il est montré que l'intégration des architectures classiques n'est pas envisageable car la consommation excessive et le bruit de phase obtenus sont incompatibles avec les spécifications des applications radiofréquences modernes. Dans ce mémoire, un oscillateur original capable de se verrouiller sur l'harmonique d'un signal d'entrée basse fréquence appelé Oscillateur Synchrone (OS) est présenté. Une étude théorique permettant de prévoir la plage de synchronisation de l'OS est proposée rendant ainsi possible une conception optimisée. D'autre part elle confirme les propriétés attendues des OS, en particulier la recopie du bruit de phase du signal de synchronisation, au facteur de multiplication près. Deux prototypes d'OS, intégrés dans une technologie BiCMOS 0,8 μm, sont décrits. Le premier oscille aux alentours de 2,4 GHz et est synchronisé par un signal de fréquence voisine de 400 MHz.. Sa plage de synchronisation de 12 MHz . Le deuxième prototype est une version optimisée, à partir de la théorie développée, oscillant aux alentours de 2 GHz. Il est synchronisé par un signal de fréquence voisine de 330 MHz. Sa plage de synchronisation est de 112 MHz environ permettant de couvrir la plage de réception ou d'émission de l'application UMTS2000. Ces deux prototypes confirment les avantages de l'OS dans une architecture de synthétiseur à boucle double par le report des contraintes de bruit de phase sur la boucle basse fréquence et par sa consommation bien moins élevée qu'une boucle à verrouillage de phase fonctionnant à la même fréquence. Un dernier prototype implanté dans la technologie CMOS 0,25 μm de STMicroelectronics est ensuite décrit. Cet OS oscille à 5,2 GHz et présente une plage de synchronisation de 160 MHz lorsqu'un signal à 900 MHz est appliqué sur son entrée (6ème sous harmonique).

Le sujet de cette thèse concerne la dynamique auto-entretenue excitée par transfert de spin de vortex couplés, dans des structures de type nano-piliers vannes de spin (Py/Cu/Py). Un premier objectif a été de comprendre les processus de transport polarisé en spin et de transfert de spin associés à des configurations d'aimantation fortement non-homogènes. Cette étude a permis d'identifier et ainsi de précisément contrôler les configurations magnétiques à base de vortex, et en particulier d'observer l'influence du transfert de spin sur les mécanismes de renversement du cœur de vortex. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, nous avons également pu déterminer les conditions sur les paramètres relatifs des deux vortex (chiralités et polarités) pour obtenir des oscillations gyrotropiques couplées auto-entretenues de deux vortex dans un pilier unique. Un cas très intéressant est prévu pour les piliers de plus grands diamètres (typiquement supérieurs à 200nm) pour lesquels le courant critique est réduit potentiellement à zéro. Les résultats expérimentaux confirment les prédictions sur l'existence d'une dynamique couplée de vortex, avec des largeurs de raies atteignant 200kHz, un record à champ nul (soit un facteur de qualité Q ≈ 5000, un ordre de grandeur plus grand que pour les auto-oscillations de vortex unique) et diminuant même jusqu'à 50kHz sous champ extérieur. Un second objectif de ce travail a été l'étude de la synchronisation de deux auto-oscillateurs à transfert de spin à base de vortex. Nous avons démontré que le verrouillage des phases par couplage dipolaire de deux oscillateurs identiques peut être théoriquement obtenu indépendamment des paramètres des deux vortex. Toutefois un couplage trois fois plus important est prévu dans le cas de vortex de polarités opposées. Du point de vue expérimental, des premiers résultats ont permis de démontrer une faculté de synchronisation de deux oscillateurs présentant un écart en fréquence atteignant jusqu'à 10% de leurs fréquences d'auto-oscillation. Ce travail de thèse, qui s'inscrit dans l'effort de recherche mené pour améliorer les performances rf des nano-oscillateurs à transfert de spin, a permis d'illustrer que l'excitation de modes d'aimantations couplées est une voie à poursuivre dans le but d'aboutir à des largeurs de raies de plus en plus faibles.

Thèse doctorat : Microondes et microtechnologies : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3359. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Les liaisons par fibre optique sont une alternative sérieuse aux câbles électriques pour la transmission de signaux analogiques. A bord des satellites, elles permettent une réduction significative de la taille et de la masse des harnais de distribution vers les charges utiles, une meilleure isolation électromagnétique, et les applications TéraHertzs bénéficieront de leur bande passante très large. Au sol, la faible atténuation des fibres a des applications comme le partage d'une horloge ou la synchronisation des réseaux de stations sols ou d'antennes. Cette thèse propose des systèmes de transmissions optiques de signaux hyperfréquences, optimisés en gain et en bruit. La modulation par annulation de porteuse optique, ou DSB-CS, a été plus particulièrement étudiée. Enfin le signal reçu est conditionné par la synchronisation d'un oscillateur faible bruit : le bruit de phase du signal est ainsi amélioré et son niveau largement relevé.