La technologie photonique-RF offre une alternative intéressante à l'approche purement électronique dans différents systèmes micro-ondes pour des applications militaires, spatiales et civiles. Un composant original, l'oscillateur optoélectronique (OEO), permet la génération de signaux RF stables et à haute pureté spectrale. Il est basé sur une liaison photonique micro-onde utilisée comme boucle de rétroaction et comportant soit une fibre longue, soit un résonateur à fort coefficient de qualité. Différentes études ont été menées au cours de cette thèse afin d'optimiser et d'améliorer la performance en termes de stabilité et de bruit de phase pour le cas de l'OEO à résonateur. La caractérisation fine et la modélisation des résonateurs est une première étape de la conception globale du système. La métrologie du résonateur optique est réalisée par une technique originale, dite de spectroscopie RF. Les résultats expérimentaux ont révélé que cette technique permet d'une part d'identifier le régime de couplage du résonateur et d'autre part de déterminer avec une grande précision tous les paramètres d'un dispositif résonant, comme les facteurs de qualité interne et externe ou les facteurs de couplage. Une deuxième étude a été orientée vers l'implémentation d'un modèle non-linéaire fiable du dispositif. Dans un tel modèle, la photodiode rapide nécessitait une description plus précise, dans le but de contrôler la conversion du bruit d'amplitude optique en bruit de phase de l'OEO. Un nouveau modèle non-linéaire d'une photodiode hyperfréquence a été développé sous un logiciel commercial: Agilent ADS. Ce nouveau modèle rend effectivement compte de cette conversion de bruit. Une puissance optique optimale à l'entrée de la photodiode a été déterminée, pour laquelle la contribution de RIN du laser au bruit de phase RF pourrait être négligeable. La performance de l'OEO est affectée par diverses perturbations entrainant un décalage en fréquence entre la fréquence du laser et la fréquence de résonance du résonateur. Il est donc important d'utiliser un système de stabilisation pour contrôler cette différence de fréquence. Des séries d'expériences et de tests ont été menées pour étudier la possibilité, d'une part, de remplacer l'électronique commerciale utilisée auparavant pour le système de verrouillage en fréquence (boucle de Pound-Drever-Hall) par une électronique faible bruit et, d'autre part, d'utiliser un laser à semi-conducteur. Un bilan de ces approches est présenté. / RF photonics technology offers an attractive alternative to classical electronic approaches in several microwave systems for military, space and civil applications. One specific original architecture dubbed as optoelectronic oscillator (OEO) allows the generation of spectrally pure microwave reference frequencies, when the microwave photonic link is used as a feedback loop. Various studies have been conducted during this thesis on the OEO, especially the one that is based on fiber ring resonators, in order to optimize and improve its phase noise performance and its long-term stability. Precise characterization and modeling of the optical resonator are the first step towards overall system design. The resonator metrology is performed using an original approach, known as RF spectral characterization. The experimental results have demonstrated that this technique is helpful for the identification of the resonator's coupling regime and the accurate determination of the main resonator parameters such as the intrinsic and extrinsic quality factors or the coupling coefficients. A second study was directed toward implementing a reliable nonlinear model of the system. In such a model, the fast photodiode require an accurate description, in order to reduce the conversion of the optical amplitude noise into RF noise. A new nonlinear equivalent circuit model of a fast photodiode has been implemented in a microwave circuit simulator: Agilent ADS. This new model is able to describe the conversion of the laser relative intensity noise (RIN) into microwave phase noise at the photodiode output. An optimal optical power at the photodiode's input has been identified, at which the contribution of the laser RIN in RF phase noise is negligible. When it comes to practical applications, the desired performance of an OEO is threatened by various disturbances that may result in a frequency shift of both the laser frequency and the transmission peak of the resonator, which causes a malfunction of the OEO. Therefore it is desirable to use a stabilization system to control the difference between the laser frequency and the resonator frequency. A series of tests and experiments have been carried out to investigate the possibility, on one hand, to replace the commercial servo controller that was used up until now in the Pound-Drever-Hall loop, with a low noise homemade one and, on the other hand, to use a semiconductor laser to reduce the system size. A detailed review of these approaches is presented.

Les travaux décrits dans ce mémoire portent sur l’étude d’un laser à fibre impulsionnel accordable en longueur d’onde. La majorité des lasers accordables actuels utilisent des pièces mécaniques pour réaliser la sélection de la longueur d’onde laser. Le schéma décrit dans ce mémoire est basé sur un contrôle purement électronique de la fréquence d’émission ; la fréquence laser est accordée en insérant une ligne dispersive dans une partie de la cavité à l’air libre et en opérant le laser en régime de synchronisation modale active. Le modulateur d’amplitude produisant la synchronisation modale est activé par un train d’impulsions électriques ; la cadence de ces impulsions règle la fréquence de l’émission laser. La ligne dispersive est constituée d’une paire de réseaux de diffraction qui introduisent une dispersion anomale importante. Le milieu laser est une fibre dopée à l’erbium qui fournit un gain sur une plage spectrale s’étalant de 1500 nm à 1600 nm. Des dispositifs interférométriques ont été insérés dans la partie à l’air libre afin de simuler une modulation périodique du délai et des pertes pour un trajet dans la cavité en fonction de la fréquence laser. Nous avons déterminé la relation entre la puissance laser et la puissance pompe ainsi que la sensibilité à l’alignement de la paire de réseaux. Le laser a été accordé sur une plage continue allant de 1524 nm à 1564 nm. Des caractéristiques de la cavité ont été analysées, dont la dispersion induite par la paire de réseaux ainsi que la forme et la durée des impulsions émises. Le réglage du signal de modulation électrique permet une accordabilité rapide de la fréquence laser et l’ajustement de la durée des impulsions entre 40 et 100 ps. En insérant un interféromètre de Gires-Tournois, nous avons constaté l’impact d’une modulation du délai en fonction de la fréquence optique sur l’accordabilité du laser. L’accordabilité n’est plus continue, mais elle ressemble à un escalier comportant des sauts plutôt réguliers. Cette modulation a aussi un impact négatif sur la puissance crête, la forme et la durée de l’impulsion qui ne sont plus stables dans le temps. Nous présenterons une solution qui corrige ces instabilités par une optimisation du signal électrique de modulation, dont la durée doit descendre à quelques centaines de picosecondes ou moins.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / L'utilité des microcavités diélectriques a été démontrée dans le cadre de plusieurs applications technologiques, de la biodétection à l'informatique quantique en passant par le développement de nouvelles sources laser. Les ingrédients nécessaires à ces multiples applications sont principalement une concentration énergétique élevée et un haut facteur de qualité (temps de confinement très long) menant à un recyclage photonique efficace. Les cavités en forme de microdisque (rayon de 10-100 pm) sont d'un intérêt particulier comme structure de base en raison de leur géométrie quasi-bidimensionnelle et de la facilité associée à leur fabrication et leur intégration. Ce projet de maîtrise s'articule autour de deux types de méthodes numériques visant à modéliser des structures optiques bidimensionnelles, plus particulièrement des microcavités diélectriques. D'abord, un algorithme de modélisation par éléments de frontière est mis en oeuvre afin de déterminer les modes résonants de cavités et le facteur de qualité associé. La méthode est généralisée à un nombre arbitraire de domaines diélectriques simplement ou multiplement connexes. Le cas important de la cavité annulaire, une cavité en microdisque dans laquelle un défaut circulaire est inscrit, est traité en détail. Cette géométrie particulière permet d'accéder à une plus grande richesse de profils d'émission tout en conservant le haut facteur de confinement propre aux cavités symétriques. Les résultats obtenus s'inscrivent spécifiquement dans le cadre du développement de nouveaux microlasers directionnels. Deuxièmement, un modèle numérique par éléments finis est développé afin de rendre compte du couplage evanescent entre une microcavité et un guide d'ondes rectangulaire. Cette étude vise à optimiser les paramètres géométriques d'un dispositif d'optique intégrée pouvant être utilisé dans le cadre de la biodétection.

RésuméLa diffraction et la diffusion de rayons X sont utilisées dans de nombreux domaines de la physique, de la médecine et de la technologie. Des faisceaux de haute brillance sont néanmoins requis pour améliorer les performances de ces techniques. L’utilisation de la diffusion Compton d’un laser sur un faisceau d’électrons présente un grand intérêt pour la production de rayons X. Ce processus permet l’emploi d’un anneau de stockage d’électrons compacts et d’un résonateur optique pour accroître la puissance laser. Avec un tel système, un taux de collision laser-électron supérieur au méga Hertz est envisageable permettant d’atteindre un flux de rayons X de l’ordre de 10¹³ photons/s. Dans le premier chapitre, je décris les motivations pour le développement d’une source de rayons X basée sur la diffusion Compton et utilisant un résonateur optique. Je détermine aussi les performances que l’on peut attendre de ce type de sources ainsi que l’état de l’art actuel dans ce domaine. Dans le deuxième chapitre, je décris le comportement et les propriétés des résonateurs optiques en régime impulsionnel. J’introduis la notion de phase CEP (‘carrier envelope phase’) et je montre la nécessité de contrôler à la fois la fréquence de répétition de l’oscillateur laser et cette phase CEP. Le chapitre 3 est consacré aux oscillateurs fibrés à blocage de mode. Je montre les performances du laser que j’ai construit en utilisant le phénomène de rotation de polarisation non-linéaire.La méthode d’asservissement laser-résonateur optique ‘tilt locking’ est introduite au chapitre 4. Je décris tout d’abord les études de simulations et le montage expérimental qui ont permis de tester la méthode en régime impulsionnel. Je donne ensuite les résultats expérimentaux qui démontrent la faisabilité de la méthode ‘tilt locking’ en régime impulsionnel. J’effectue aussi une comparaison expérimentale des performances de la méthode ‘tilt locking’ avec la méthode classique ‘Pound-Drever-Hall’. Je termine le chapitre en indiquant une difficulté expérimentale de la méthode pour générer plusieurs signaux d’erreurs.Je décris la conception du système optique de la machine Compton TTX de l’université Tsinghua dans le chapitre 5. Les performances attendues pour cette machine sont des flux de rayons X compris entre 10¹º et 10¹³ photons/s. / X-ray diffraction and scattering, X-ray spectroscopy, and X-ray crystallography are widely used in the life sciences, material science, and medical diagnosis. High-quality and high-brightness X-rays are a strong requirement to improve applications. Inverse Compton scattering (ICS) X-ray source has attracted great interests worldwide lately. To significantly enhance the average X-ray photon flux, a compact electron storage-ring combined with a high finesse optical enhancement cavity (OEC) can be utilized. In such a system, the collision rate between the electron beam and the laser pulse is greatly increased to the MHz range, enabling a photon flux up to 10¹³ph/s.In the first chapter, I describe the motivation behind the development of OEC based on ICS X-ray source. The characteristics of this kind of X-ray source are summarized, compared to those of the conventional low-repetition-rate Terawatt laser system based on ICS X-ray source. The latest progress and research status of OEC based on ICS X-ray source are presented. Pulsed-laser injected high-finesse OEC stacking theory and properties are discussed in Chapter 2. Not only does the OEC based on ICS X-ray source require the laser pulse repetition rate to be matched to the free spectral range (FSR) of the cavity, where both also have to match the electron storage-ring circulation frequency. In addition, we have to match the phase shift of the laser repetition rate to the phase offset introduced by the dispersion of the cavity mirrors, since our cavity finesse design value is quite high. The stacking theory is analyzed in the frequency domain. Cavity properties, including cavity mirror dispersion, finesse, and FSR, are discussed in detail. A laser frequency comb and OEC coupling is analyzed also. The laser source development is presented in Chapter 3. We constructed a mode-locked fiber laser based on nonlinear polarization rotation. The locking model, locking techniques, and the theory, simulations and experimental tests of tilt locking (TL) in the pulsed laser injected high-finesse OEC are discussed in Chapter 4. We succeeded in locking a pulsed laser to a high-finesse cavity with the TL technique. The experimental results show that the TL and the Pound–Drever–Hall techniques have the same performance: stable locking, high sensitivity, and the same power coupling rate for picosecond laser pulse case, while the test results for full spectrum TL locking show that it is uneasy to align the split-photodiode to the beam waist.Based on the above experimental study and tests, we design the OEC system for Tsinghua University X-ray project in Chapter 5. The expected X-ray flux is 10¹º to 10¹³ ph/s. We detail every subsystem requirement.

Le domaine des métamatériaux acoustiques connaît un succès grandissant depuis maintenant une vingtaine d’années, notamment en raison de phénomènes exotiques aux perspectives d’applications plus que prometteuses : « l’invisibilité » acoustique en est l’exemple le plus manifeste. Dans cette thèse, nous présentons des métamatériaux acoustiques à résonances locales, et qui permettent de générer aussi bien de l’opacité que de la transparence acoustique. C’est plus particulièrement le couplage entre résonateurs de différentes formes qui est l’objet de nos investigations. Notre étude nous a permis de comprendre que la diffraction est l’une des principales limitation à l’omnidirectionalité des performances d’opacité, que nous avons caractérisé au moyen d’un banc ultrasonore motorisé. Un tel phénomène de diffraction est dû à la présence d’un réseau, et nous proposons dans notre étude des solutions qui permettent de dépasser cette limitation. A partir de cette étude, nous avons ainsi pu transposer au domaine sonore les résultats obtenus pour les ultrasons, ce qui nous a permis de réaliser deux principaux types de dispositifs : des métamatériaux acoustiques aux fonctions de réflecteur d’une part et d’absorbant basses fréquences d’autre part. Enfin, l’étude en homogénéisation de ce type de structure a aussi révélé un effet de densité effective quasi-nulle, dont les applications vont du contrôle de front d’onde, à la furtivité acoustique. De tels résultats offrent un potentiel d’application dans de nombreux champs, que ce soit pour le bâtiment ,l’automobile, l’aéronautique, ou l’acoustique sous-marine. / For more than twenty years now, Acoustic Metamaterials are experiencing a growing success, partlydue to exotic phenomena and their wide variety of extremely promising applications: “InvisibilityCloak” is the most vivid example of this. In this thesis, we report on designs of locally resonantacoustic metamaterials, that enable us to generate both sound opacity and transparency. It is moreparticularly coupling between resonators having different forms which is the focus of our work.This study permit us to understand that diffraction is one of the main limitation of omnidirectionalcapabilities involving locally resonant perforated plates, as supported by experimental investigationsrealized using a motorized ultrasonic set-up. We proposed solutions to overcome such a limitation,in the case where the opacity mechanism uses diffraction gratings. From this, we transposed theresults obtained in ultrasonic frequencies to the audible range, which permits us to develop twomain kinds of acoustic devices based on metamaterials: broadband reflectors and low-frequencyabsorbers. Finally, homogenization study of such structures revealed an effect of density near-zero,with applications from shaping wave front, to acoustic furtiveness. Such results paves the way forpromising applications in various field, including construction, automotive and aeronautical industries,submarine acoustics and so on.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de l’intégration des films minces ferroélectriques de BaxSr(1-x)TiO3 au sein de dispositifs microondes. Dans un premier temps, les caractéristiques diélectriques des films de B0.3S0.7TiO3 déposés par pulvérisation cathodique ont été déterminées. Il a été mis en évidence l’intérêt d’une couche tampon dans le contrôle de l’orientation des films ainsi que son impact dans l’évolution des propriétés diélectriques. L’utilisation d’une structure coplanaire optimisée a été utilisée dans le but de déterminer les évolutions fréquentielles de la permittivité, des pertes ainsi que de l’accordabilité jusqu’à 67 GHz. La caractérisation du matériau a permis la réalisation et la qualification de l’élément de base dans la conception de dispositifs microondes accordables : la capacité ferroélectrique. Le phénomène d’agilité a été mis en exergue au sein de cette structure.Par la suite, une analyse complète a été menée sur un dispositif de type résonateur. Une étude analytique couplée à la réalisation de démonstrateur a permis de mettre en évidence la configuration nous permettant d’exploiter au mieux les propriétés des films de BST. / This work is dedicated to the integration of ferroelectric BaxSr(1-x)TiO3 thin films in microwave devices. Initially, the dielectric properties of B0.3S0.7TiO3 films deposited by radiofrequency magnetron sputtering were determined. It has been demonstrated the influence of a buffer layer in the control of orientation films and the impact in the evolution of dielectric properties. The realization of optimized coplanar waveguide has permit to determine the frequency evolution of permittivity, loss factor and tunability up to 67 GHz. The characterization of the dielectric properties has enabled the realization and qualification of the basic element in the design of tunable microwave devices: the ferroelectric capacitance. The agility property has been highlighted within this structure. Subsequently, a complete analysis was conducted on a resonator. An analytical study coupled with the demonstrator realization highlighted the configuration allowing us to exploit the properties of BST films.

Actuellement, les céramiques diélectriques suscitent de nombreux travaux pour des applications microondes (résonateurs diélectriques accordables ou déphaseurs). Pour cela, elles devront être commandables - modification de la constante diélectrique sous l'action d'un champ électrique – avoir une permittivité modérée (de 30 à 1000) et des tangentes de pertes les plus faibles possibles. Dans ce but, nous avons étudié des céramiques composites à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 (BSTO) et d'un oxyde non-ferroélectrique de faible permittivité (MgTiO3 ou MgO). Il s'agissait de corréler la microstructure des céramiques et leurs propriétés diélectriques, notamment la température de Curie et les relaxations diélectriques.<br />Des céramiques à grains nanométriques de BSTO, pour comparaison à des céramiques à grains microniques obtenues par frittage conventionnel, ont été réalisées par pressage à chaud de poudres broyées par attrition. L'hypothèse que ces céramiques amélioreraient les performances des dispositifs microondes s'est avérée inexacte. Une réduction des permittivités est observée mais au détriment de la commandabilité et des pertes. Les céramiques à grains micrométriques de BSTO dopées Mn ont conduit aux meilleures performances. Cependant, les pertes mesurées atteindraient une valeur limite basse lors de l'optimisation du matériau ; il s'agirait de pertes intrinsèques au matériau dues à une relaxation diélectrique de type dipolaire dans la gamme des GHz. Il faudra le vérifier par des mesures en infra-rouge.<br />Les températures de Curie (Tc) chutent drastiquement lors de l'ajout de MgTiO3 ou MgO, montrant une réaction entre les oxydes - observée par DRX seulement pour les céramiques à base de MgTiO3. Une faible interdiffusion abaisse donc largement Tc, et de ce fait la permittivité, et dégrade la commandabilité. Pour pallier ces problèmes, une structure multicouche est testée. Un affinement des dopages des composites pourrait aussi améliorer les performances.

Ce travail porte sur l'évaluation et le choix de descripteurs objectifs pertinents du point de vue de la qualité des instruments de musique à vent. Il s'inscrit dans le cadre d'un projet collaboratif de développement d'une plate-forme d'aide à la facture instrumentale. Le travail s'appuie essentiellement sur la notion d'impédance d'entrée. Une étude comparative de diff érentes méthodes de calcul d'impédance d'entrée de pavillons sont confrontées à l'expérience. Les résultats montrent que les méthodes utilisant la théorie des lignes en abscisse curviligne et un modèle de rayonnement adapté, permettent d'obtenir les fréquences de résonance avec une précision de l'ordre de 8 cents. Au-delà de la fréquence de coupure, les méthodes numériques sont plus proches de la mesure mais les hautes fréquences ont une influence mineure sur les fréquences de jeu. Par ailleurs une étude sur les "résonateurs" de tampons de saxophone révèle que ceux-ci doivent être considérés comme des "raidisseurs". A partir d'enregistrements en situation de jeu, il apparaît que la présence ou non de "résonateurs", causant une différence visible sur l'impédance d'entrée, est aussi perceptible par le musicien. Enfin, une analyse comparative entre fréquences de résonance et fréquences de jeu d'une trompette à branche d'embouchure paramétrable a été conduite avec plusieurs musiciens. Après analyse statistique des résultats, il apparaît que la fréquence de jeu est contrôlée par la fréquence de résonance, à 8 cents près, valeur de l'ordre de grandeur de la répétabilité des musiciens. Pour les trompettes, les fréquences de résonance semblent donc être des descripteurs pertinents de l'intonation de l'instrument.

Les capteurs participent à la qualité de la vie quotidienne, beaucoup de domaines d'activité modernes demandant des capteurs performants. Les résonateurs piézoélectriques sont bien connus pour leurs applications pour la génération de fréquences stables, mais leur potentiel d'utilisation pour la réalisation de capteurs est moins exploité.Le mémoire présente deux applications des résonateurs pour la réalisation de capteurs de force et de température.La particularité du capteur de force tient au fait que le résonateur lui-même sert aussi comme sonde de température et que les signaux servant aux mesures de la force et de la température sont isolés électriquement, ce qui simplifie la mise en œuvre. Cela est possible par l'utilisation de modes anharmoniques des résonateurs et par le choix de la direction d'application de la force à mesurer, chaque mode étant essentiellement sensible soit à la force soit à la température. Le mémoire présente en particulier une méthode de dessin de jeux d'électrodes pour un résonateur plan-convexe opérant sur deux modes de cisaillement d'épaisseur (modes B et C).La seconde partie du mémoire est consacrée à la caractérisation expérimentale (topographies par rayon X, réponses électriques et comportements thermiques) de capteurs résonants thermosensibles en quartz et en GaPO4 miniaturisés pour la mesure précise de la température sur une très large gamme jusqu'aux températures cryogéniques. L'étude a en particulier porté sur des investigations des couplages entre modes, responsables du phénomène «activity-dip».Un système électronique complet et un logiciel de calcul de la force et de la température à partir des fréquences délivrées est développé

Le travail de cette thèse est en rapport avec les métamatériaux et ses applications. Tout d'abord, un état de l'art est dressé en présentant leur évolution depuis leur apparition en 19ème siècle jusqu'au nos jours. Les notions sur les milieux chirale, bi-anisotrope, cristaux photoniques et quelques applications dans ces milieux sont données. Ensuite, nous présentons les équations classiques de Maxwell dans les milieux complexes. L'effet bi-anisotrope dans les métamatériaux est ensuite validé par l'extraction des paramètres caractéristiques du matériau main gauche (LHM). La validation a été faite en utilisant deux types différents du résonateur avec inclusion (SRR). Les métamatériaux sont également étudiés comme des cristaux photoniques quand les dimensions utilisées sont de l'ordre de la longueur d'onde correspondant.De plus, les résonateurs SRR et multi-SRR sont analysés du point de vue analytique et électromagnétique afin d'extraire leur fréquence de résonance. Par conséquent, ces composants peuvent être introduits dans différents types de conception; La surface conductrice magnétique artificielle (AMC) illustre un cas explicite et efficace de ces derniers. Une antenne dipôle, placée sur cette surface à la place d'un plan de masse conventionnel, a été étudiée comme une application des métamatériaux. Les résultats relatifs sur la directivité, le gain et le coefficient de réflexion montrent une nette amélioration. Une antenne multi-bandes, comme une autre application des métamatériaux, a également été conçue et simulée. Le résonateur SRR est inséré dans l'antenne de départ afin de créer une autre résonance, et par conséquent une autre bande est ainsi créée.