La miniaturisation d’antenne est un défi important, en particulier en bande VHF où les longueurs d’onde sont grandes. Parmi les différentes techniques rencontrées dans la littérature, une approche théorique originale repose sur l’utilisation de la résonance électrostatique de sphères sub-longueur d’onde de permittivité négative (ENG pour Epsilon NeGative). L’implémentation pratique de cette solution en considérant une décharge plasma comme milieu ENG est étudiée dans ces travaux de thèse. Le plasma laisse entrevoir des potentialités intéressantes pour ce type d’antennes miniatures comme la furtivité et la reconfigurabilité en fréquence. Dans un premier temps, différents modèles analytiques sont développés afin étudier le comportement électromagnétique de petites sphères réalistes de plasma. Ces modèles permettent par ailleurs la construction de schémas numériques précis et adaptés aux simulateurs électromagnétiques commerciaux. Dans un second temps, un prototype fonctionnel est méthodiquement conçu. La solution proposée permet l’intégration du système d’excitation de la décharge plasma au sein de l’antenne sans en perturber son fonctionnement nominal. Ce prototype permet la caractérisation des paramètres plasma de la décharge et du comportement électromagnétique du résonateur sphérique à plasma. Enfin, un travail annexe d’intégration de décharges plasma dans des circuits planaires en technologie micro-ruban est présenté. Les conceptions, modélisations et caractérisations expérimentales de ces résonateurs planaires permettent de mettre en évidence les capacités du plasma pour leur accordabilité en fréquence. / Antenna miniaturisation is a major issue, especially in the VHF band whose wavelengths are significant. Amongst the solution in the litterature, a recent theoretical technique relies upon the electrostatic resonance of negative permittivity (ENG) subwavelength spheres. In this work, the use of a plasma discharge as ENG medium is under consideration. Plasma indeed suggests new potentialities for this kind of small antennas, such as stealth and frequency agility. Firstly, several analytical models are developed to study the electromagnetic response of subwavelength realistic plasma spheres. These models further allow to derive accurate numerical representations that fit commercial electromagnetic solvers. A working prototype that comprises a plasma ignition system within the antenna structure without altering its operation is then designed. It is used to both characterize the plasma discharge and the electromagnetic behavior of the plasma spherical resonator. Finally, this work is extended to the case of planar circuits by integrating a plasma discharge inside microstrip resonators. The design, the modeling and the experimental studies of these resonators highlight the ability of the plasma to tune the resonant frequency.

Ces travaux de thèses portent sur l’étude de la dynamique du laser à mode de galerie dans le but de réaliser une source micro-onde en utilisant un laser à mode de galerie doublement monomode. Nous montrons ici les résultats expérimentaux sur le bruit relatif d’intensité (RIN) d’un laser à mode de galerie en verre ZBLALiP dopé aux ions Er3+. Outre l’aspect performances d’utilisation du laser, le spectre de RIN donne un certain nombre d’informations sur la dynamique du laser (temps de vie des photons, taux de pompage effectif, sources de bruit, ...).Les très forts facteur de qualités de ces résonateurs ainsi que leurs propriétés de confinement spatial amène un couplage non-linéaire etre les photons et les atomes du milieu amplificateur, faisant apparaitre dans le spectre de RIN des harmoniques de la fréquence de relaxation du laser. Le modèle harmonique développé permet d’estimer le volume de mode du mode de galerie en régime laser, quantité difficilement estimable dans ce régime d’émission. D’autre part, les mesures de RIN réalisées sur un verre industriel IOG-1 codopé Yb3+/Er3+ montrent la signature d’un couplage modal, induit par la diffusion Rayleigh, où les deux modes couplés fonctionnent au dessus du seuil laser. La dynamique de ce laser est également étudié et les comportements obtenus sont mis en parallèle avec les études réalisées sur le gyro-Laser à l’état solide. / This thesis presents the studies of whispering gallery mode laser dynamics in order to realize a micro-wave source using simultaneous oscillations in a unique whispering gallery mode micro-laser. We show experimental results on the relative intensity noise (RIN) of a Whispering Gallery Mode Laser in ZBLALiP glass doped with Er3+ ions. Besides the pure laser specifications, the RIN spectrum gives informations about the dynamics inside the cavity, such as photon lifetime, effective pumping rate and noise sources. Moreover, we have shown that a single-mode emission comes with the presence of multiple harmonics of the relaxation frequency. The theoretical model taking account the non-linear coupling between photons and atoms allows us to determine the mode volume of the whispering gallery mode in laser regime, which is quite difficult to evaluate in this regime. On the other hand, we have studied the laser dynamics in an industrial IOG-1 glass codoped with Yb3+/Er3+ ions where the signature of a modal coupling, induced by Rayleigh scattering, lies in the RIN spectrum. In this particular case, the two coupled modes operate above threshold. The observed behavior is compared with thoses of a solid state gyro-laser.

Le sujet de thèse porte sur des micro/nanorésonateurs ainsi que leurs électroniques de lecture. Les composants mécaniques sont utilisés pour mesurer des masses inférieures à l'attogramme (10-18 g) ou de très faibles concentrations de gaz. Ces composants peuvent ensuite être mis en réseau afin de réaliser des spectromètres de masse ou des détecteurs de gaz. Afin d'atteindre les résolutions nécessaires, il a été choisi d'utiliser une détection harmonique de résonance détectant les variations de la fréquence de résonance d'une nanostructure mécanique. Les dimensions du résonateur sont réduites afin d'augmenter sensibilité en masse, cependant le niveau du signal électrique en sortie du composant est également réduit. Ce faible signal nécessite donc de concevoir de nouvelles transductions électromécaniques ainsi que des architectures électroniques qui minimisent le bruit, les couplages parasites et qui peuvent être mise en réseau. / The PhD project focuses on micro or nanomechanical resonators and their surrounding electronics environment. Mechanical components are employed to sense masses in the attogram range (10−18 g) or extremely low gas concentrations. The components can then be implemented in arrays in order to construct cutting-edge mass spectrometers or gas chromatographs. To reach the necessary resolutions, a harmonic detection of resonance technique is employed that measures the shift of the resonant frequency of a tiny mechanical structure due to an added mass or a gas adsorption. The need of shrinking the resonator's dimensions to enhance the sensitivity also reduces the signal delivered by the component. The resonator low output signal requires employing new electromechanical resonator topologies and electronic architectures that minimize the noise, the parasitic couplings and that can be implemented in arrays.

Le sujet de thèse porte sur des micro/nanorésonateurs ainsi que leurs électroniques de lecture. Les composants mécaniques sont utilisés pour mesurer des masses inférieures à l'attogramme (10-18 g) ou de très faibles concentrations de gaz. Ces composants peuvent ensuite être mis en réseau afin de réaliser des spectromètres de masse ou des détecteurs de gaz. Afin d'atteindre les résolutions nécessaires, il a été choisi d'utiliser une détection harmonique de résonance détectant les variations de la fréquence de résonance d'une nanostructure mécanique. Les dimensions du résonateur sont réduites afin d'augmenter sensibilité en masse, cependant le niveau du signal électrique en sortie du composant est également réduit. Ce faible signal nécessite donc de concevoir de nouvelles transductions électromécaniques ainsi que des architectures électroniques qui minimisent le bruit, les couplages parasites et qui peuvent être mise en réseau. / The PhD project focuses on micro or nanomechanical resonators and their surrounding electronics environment. Mechanical components are employed to sense masses in the attogram range (10−18 g) or extremely low gas concentrations. The components can then be implemented in arrays in order to construct cutting-edge mass spectrometers or gas chromatographs. To reach the necessary resolutions, a harmonic detection of resonance technique is employed that measures the shift of the resonant frequency of a tiny mechanical structure due to an added mass or a gas adsorption. The need of shrinking the resonator's dimensions to enhance the sensitivity also reduces the signal delivered by the component. The resonator low output signal requires employing new electromechanical resonator topologies and electronic architectures that minimize the noise, the parasitic couplings and that can be implemented in arrays.

Ce travail consiste en l'étude et la réalisation d'un micro-capteur destiné à la mesure de concentration d'un composé en solution. La méthode de détection est basée sur la variation de fréquence de résonance d'un micro-dispositif mécanique dont la surface est fonctionnalisée pour adsorber le composé à mesurer. Ces biocapteurs en silicium, sous forme de micromembranes piézoélectriques, sont remarquables par leur grande sensibilité et la possibilité d'explorer en parallèle de nombreux échantillons. Après avoir exposé les différentes technologies de biocapteurs existantes, l'étude se concentre sur l'optimisation des conditions d'élaboration de couches minces piézoélectriques pour obtenir un procédé technologique parfaitement compatible avec la technologie silicium. Une caractérisation mécanique de ces membranes a été effectuée par interférométrie optique 3D pour extraire le coefficient piézoélectrique du matériau. Les premières membranes réalisées présentent des propriétés d'actionnement excellentes. Une deuxième génération de membranes a ensuite été réalisée en modifiant les géométries des différentes couches. La sensibilité obtenue est compatible avec les seuils de détection nécessaires pour la détection de molécules biologiques. Des protocoles chimiques permettant la fonctionnalisation de la surface des micromembranes ont ensuite été développés. L'évaluation du comportement du microdispositif en situation, c'est-à-dire en milieu liquide, a enfin été effectuée. Pour cela, une cellule fluidique avec régulation de température a été mise au point. Les membranes piézoélectriques ont été positionnées à l'intérieur de cette cellule fluidique pour mesurer la cinétique d'adsorption de nanoparticules d'or en solution. Dans le cadre des biopuces, des microleviers permettant le dépôt de micro-gouttes de solutions ont aussi été développés. Ils permettent notamment de fonctionnaliser individuellement chaque membrane et présentent l'avantage de ne pas endommager les microstructures.

Ces travaux portent sur un sujet d'intérêt commun à la physique fondamentale et à la physique appliquée. La stratégie du travail est d'utiliser les matériaux supraconducteurs à haute température critique (SHTc), destinés à une application dans des dispositifs pour la télécommunication, ainsi que les prototypes eux-mêmes de ces dispositifs, en tant qu'échantillons dans des études fondamentales portant sur la dissipation dans le régime des hyperfréquences (hf). On a ainsi pu avancer dans la compréhension du comportement non-linéaire des supraconducteurs dans cette partie du spectre électromagnétique, et, en même temps, développer des stratégies pour l'amélioration des dispositifs. En effet, la dissipation énergétique dans les supraconducteurs entraîne une dégradation du facteur de qualité (lorsqu'il s'agit de filtres ou de résonateurs), et une sévère limitation du nombre de canaux de communication que l'on puisse utiliser dans une certaine bande passante. La dégradation du facteur de qualité de filtres supraconducteurs en YBa2Cu3O7 lorsque ceux-ci sont exposés aux champs électromagnétiques de grande amplitude utilisé dans les télécommunications (GSM, UMTS,...) est due à l'augmentation avec la puissance de la résistance de surface, phénomène pour lequel pléthore d'explications tentatives ont été proposés dans le passé : excitation de quasi-particules par le champ hf, pertes hystérétiques à cause du mouvement des lignes de flux quantifiés, pénétration du flux magnétique hf par de joints de grains, et, enfin, chauffage local de la couche supraconductrice. En utilisant la mesure in-situ de la fréquence de résonance, et par delà, de la constante diélectrique du même résonateur en TiO2 posé sur la couche en YBa2Cu3O7 pour mesurer la résistance de surface, il est montré que dans la plage autour de 10 GHz, c'est l'échauffement local de la couche supraconductrice par le champ électromagnétique hf, et l'augmentation en température qui s'en suit, qui est responsable pour toute non-linéarité observée. Il n'y a donc pas de non-linéarités intrinsèques au supraconducteur qui jouent un rôle : seule la dissipation linéaire et l'effet Joule, avec la prise en compte correcte de la thermique de la couche supraconductrice, permettent de rendre compte des phénomènes. Ce résultat ouvre la voie à de nouvelles stratégies pour l'amélioration de dispositifs hf basés sur des supraconducteurs à haute Tc. Là où les pertes linéaires sont dues aux oscillations nanométrique de lignes de flux présents du à la présence du champ terrestre, l'inclusion d'ouvertures de la taille de quelque dizaine de nm dans la couche pourrait avoir un effet bénéfique. Par ailleurs, un blindage de tout dispositif s'impose. Là ou les pertes sont dues à la nature non-conventionelle de la supraconductivité et l'excitations de quasi-particules proche des nœuds de la bande interdite, on bute sur un problème fondamental. Une extension de cette étude porte sur les résonateurs planaires supraconducteurs. La caractérisation d'une série de résonateurs en YBa2Cu3O7 avec des fréquences propres allant de 500 GHz à 12 GHz montre que dans ce cas aussi, les performances des dispositifs étaient limités par l'échauffement de la couche supraconductrice. A fins de démonstration, une technique est développée ou on utilise un résonateur diélectrique (en TiO2 dans la phase rutile) posé sur le résonateur en YBa2Cu3O7 pour mesurer la température locale du dernier. La résonance de l'YBa2Cu3O7 et du TiO2 sont mesurés à l'aide de deux analyseurs de réseau, fonctionnant dans des plages de fréquence distinctes. Par la modélisation, comme par l'application de la méthode magnéto-optique pour la visualisation directe de la pénétration du flux magnétique dans le résonateur supraconducteur, il est montré que cet échauffement a lieu proche des coins aigus du dispositif, ou la densité de flux et du courant d'écrantage sont exacerbés. Une deuxième version des résonateurs YBa2Cu3O7 où les coins aigus sont éliminés au profit de coins arrondis à permis une amélioration d'un facteur dix de la plage de puissance ou le dispositif peut être utilisé. Cette amélioration a d'ores et déjà été incluse dans une application pour la DGA, et un brevet devrait être déposé.

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'étude de matériaux piézoélectriques de synthèse de la famille des langasite et sur la réalisation de micro-résonateurs basse fréquence dans ces matériaux. La première partie de l'étude se concentre sur la recherche des orientations des coupes compensées en température pour les coupes X de la langasite (LGS) et de la langatate (LGT), pour les modes d'extension selon Y et de flexion autour de X. Un modèle analytique simple et des simulations par éléments finis permettent de déterminer les valeurs théoriques de ces orientations. Des dispositifs de types barreau et diapason sont ensuite réalisés afin d'effectuer des mesures électriques pou confirmer l'existence de ces coupes compensées. La seconde partie de l'étude concerne la fabrication de micro-résonateurs en langasite. Plusieurs méthodes d'usinage (mécanique, DRIE,...) sont envisagées avant que notre choix ne se porte sur l'usinage chimique (solution HCl). Le procédé de fabrication est détaillé puis des mesures de vibration sont menées pour les dispositifs obtenus.

Le domaine des résonateurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) est aujourd'hui le siège de diverses compétitions entre les producteurs afin d'améliorer les performances en terme de miniaturisation, intégrabilité, coûts de production etc. Ce travail de thèse s'inscrit dans un projet global de développement de résonateurs MEMS à ondes de volume compatibles avec la technologie des circuits intégrées. L'objectif est de valider le principe d'excitation des ondes acoustiques de volume en extension-compression par voie électrostatique dans des substrats monocristallins et aussi d'explorer les possibilités offertes par ces modes pour le confinement de l'énergie acoustique, technique plus largement exploitée dans le domaine des résonateurs à quartz que dans celui des MEMS. En ce sens, une nouvelle structure mono-port en silicium, fixée sur un support en verre, a été étudiée et modélisée analytiquement en vue de son implémentation dans une chaine de fabrication. Les modèles originaux développés dans ce cadre nous ont permis d'estimer les paramètres électriques du circuit équivalent, les déplacements mécaniques statique et dynamique propres au fonctionnement de la structure, autant en mode vibratoire d'extension-compression qu'en mode de flexion. Une étude théorique bidimensionnelle basée sur l'évaluation des courbes de dispersion d'une plaque en silicium a été menée afin d'évaluer les moyens de piégeage de l'énergie au centre de la structure fonctionnant en mode de volume. Tout en exploitant les microtechniques disponibles au sein de la Centrale MIMENTO de l'Institut FEMTO-ST, plusieurs séries de résonateurs ont été fabriquées sur substrat silicium pleine plaque. La fréquence fondamentale de vibration se situe aux alentours de 10 MHz pour le mode d'extension compression et de 70 kHz pour le mode de flexion. On détaille la caractérisation par voie mécanique et électrique. L'intégration des dispositifs fonctionnant en mode de flexion en boucle d'oscillation à l'aide d'un montage à base de point Wien est démontrée ainsi qu'une application de type capteur gravimétrique.

Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de capteurs optiques ultracompacts et sensibles utilisant le mode d'interrogation en intensité pour la détection d'analytes chimiques et biologiques. Deux approches, l'intégration hybride et l'intégration monolithique, ont été explorées durant cette thèse. Après un descriptif des outils d'analyse et de conception de guides d'onde et de micro résonateurs en anneaux, le manuscrit présente l'intégration hybride d'un laser Fabry-Perot en semiconducteur III-V avec un résonateur en anneau basé sur du matériau SOI. Le laser Fabry-Perot à faible coût fonctionnant en multimode longitudinal a été utilisé comme peigne de référence pour le résonateur en anneau en contact avec un échantillon liquide. L'effet Vernier a été implanté dans le système de détection en utilisant le mode d'interrogation en intensité. La largeur spectrale étroite du laser avec sa densité de puissance élevée ont permis d'obtenir un capteur de plus haute sensitivité en comparaison avec le capteur en double anneaux réalisé précédemment. Une étude numérique d'un capteur composé d'un laser Fabry-Perot et deux résonateurs en anneaux permettant de compenser la fluctuation de température a été ensuite présentée. Concernant l'intégration monolithique, l'interface entre oxyde et non-oxyde après l'oxydation de AlGaAs a été étudiée au Central de Technologies du LPN/CNRS. Un phénomène d'oxydation verticale de GaAs ou AlGaAs avec une faible teneur en aluminium activée par une couche voisine oxydée de AlGaAs avec une forte teneur en aluminium a été identifié expérimentalement. Afin de limiter l'oxydation verticale et de réduire la rugosité des interfaces, des guides d'onde basés respectivement sur une structure intégrant un super-réseau et sur une structure standard ont été fabriqués et caractérisés. L'impact de l'hydrogène sur l'activation du processus d'oxydation de GaAs ou AlGaAs avec une faible teneur en Al a été mis en évidence. Enfin, ce manuscrit décrit la réalisation et la caractérisation d'un laser Fabry-Perot fonctionnant en mode TM. Ce laser constitue une brique important vers l'intégration monolithique d'un capteur extrêmement sensible.

Ce travail traite du développement de conditions aux limites (CL) pour prendre en compte des matériaux absorbants dans les codes CAA. L'approche temporelle est nécessaire pour reproduire la propagation d'un bruit large bande par un seul calcul. La traduction de la relation d'impédance vers le domaine temporel est premièrement réalisée par une transformée de Fourier discrète très coûteuse en stockage de données. Des simulations de tube d'impédance montrent que la prise en compte du cisaillement de l'écoulement est nécessaire suivant le nombre de Mach. On s'attache ensuite à réduire ce stockage en utilisant les propriétées de la transformée en z. En vue de sa généralisation, la formulation de la relation d'impédance est rendue 1D suivant la normale à la paroi en chaque point de maillage. Ce traitement curviligne basé sur les métriques du code de calcul permet une application locale non génératrice de fréquences parasites. Des simulations de diffraction et de propagation en présence d'absorbant montrent un coût de stockage faible et un temps CPU identique au traitement d'une paroi rigide. Enfin une étude de l'absorption acoustique dans les résonateurs est effectuée en vue d'une extension des CL à des niveaux acoustiques plus élevés.