Ce travail de thèse, qui se rattache au domaine des composants télécom, concerne l'étude de composants passifs élémentaires constitués de lignes de transmission coplanaires alliant ferrite et métamatériaux. Ces composants sont susceptibles de réaliser de nouvelles fonctions en électronique des hautes fréquences en combinant plusieurs phénomènes comme ceux de non réciprocité, des comportements main droite - main gauche et l'agilité en fréquence. Les applications visées portent sur un grand champ de composants microondes comme des antennes, des isolateurs, déphaseurs, coupleurs, filtres - agiles et performants. La modélisation, la fabrication et la caractérisation de ces composants ont été effectuées dans le cadre d'une collaboration entre l'INL et le LT2C. Les outils mis en œuvre dans ce travail comprennent la réalisation de ces composants en salle blanche, leur caractérisation en hyperfréquences (en général jusqu'à 20 GHz), leur simulation par un logiciel commercial de simulation par éléments finis (COMSOL) ainsi que le développement de techniques d'extraction de paramètres (Matlab). La mise en œuvre de ces outils a permis d'appréhender le comportement de ces lignes en termes de constante de propagation et de diagramme de dispersion. Sur le plan pratique, des composants inductifs et/ou capacitifs (capacités à fente ou interdigitées) ont été intégrés à des lignes de transmission coplanaires sur 2 types de substrats. Le premier substrat, diélectrique (Al203), sert de référence, tandis que le second est ferrimagnétique (YIG ou Y3Fe5O12) et présente un effet de non-réciprocité de la propagation du signal dans la configuration retenue. Sur alumine, les valeurs des capacités et des inductances intégrées atteignent 80 fF et 400 pH respectivement. Sur YIG, à partir d'études paramétriques originales sur différentes topologies de structures de test, les effets de non réciprocité attendus ainsi que les phénomènes de résonance gyromagnétique ont bien été mis en évidence. La simulation électromagnétique des structures est validée par un accord correct entre simulations et mesures. Il ressort de cette étude que la non réciprocité d'une ligne sur YIG chargée par des inductances parallèles peut être améliorée jusqu'à 15 dB environ par rapport à une simple ligne coplanaire sur YIG pour certaines bandes de fréquences. Enfin l'agilité en fréquence de la structure de bande des lignes CRLH est établie. Ces travaux ouvrent de très intéressantes perspectives pour le développement de nouveaux composants microondes et sont susceptibles de constituer un socle solide pour une suite des activités dans cette thématique.

Ce travail de thèse, qui se rattache au domaine des composants télécom, concerne l’étude de composants passifs élémentaires constitués de lignes de transmission coplanaires alliant ferrite et métamatériaux. Ces composants sont susceptibles de réaliser de nouvelles fonctions en électronique des hautes fréquences en combinant plusieurs phénomènes comme ceux de non réciprocité, des comportements main droite – main gauche et l’agilité en fréquence. Les applications visées portent sur un grand champ de composants microondes comme des antennes, des isolateurs, déphaseurs, coupleurs, filtres - agiles et performants. La modélisation, la fabrication et la caractérisation de ces composants ont été effectuées dans le cadre d’une collaboration entre l’INL et le LT2C. Les outils mis en œuvre dans ce travail comprennent la réalisation de ces composants en salle blanche, leur caractérisation en hyperfréquences (en général jusqu’à 20 GHz), leur simulation par un logiciel commercial de simulation par éléments finis (COMSOL) ainsi que le développement de techniques d’extraction de paramètres (Matlab). La mise en œuvre de ces outils a permis d’appréhender le comportement de ces lignes en termes de constante de propagation et de diagramme de dispersion. Sur le plan pratique, des composants inductifs et/ou capacitifs (capacités à fente ou interdigitées) ont été intégrés à des lignes de transmission coplanaires sur 2 types de substrats. Le premier substrat, diélectrique (Al203), sert de référence, tandis que le second est ferrimagnétique (YIG ou Y3Fe5O12) et présente un effet de non-réciprocité de la propagation du signal dans la configuration retenue. Sur alumine, les valeurs des capacités et des inductances intégrées atteignent 80 fF et 400 pH respectivement. Sur YIG, à partir d’études paramétriques originales sur différentes topologies de structures de test, les effets de non réciprocité attendus ainsi que les phénomènes de résonance gyromagnétique ont bien été mis en évidence. La simulation électromagnétique des structures est validée par un accord correct entre simulations et mesures. Il ressort de cette étude que la non réciprocité d’une ligne sur YIG chargée par des inductances parallèles peut être améliorée jusqu’à 15 dB environ par rapport à une simple ligne coplanaire sur YIG pour certaines bandes de fréquences. Enfin l’agilité en fréquence de la structure de bande des lignes CRLH est établie. Ces travaux ouvrent de très intéressantes perspectives pour le développement de nouveaux composants microondes et sont susceptibles de constituer un socle solide pour une suite des activités dans cette thématique. / In this thesis we studied some passive components based on metamaterials. Our goal was to assess the physical properties of CRLH lines combined with a ferrite substrate. When the CRLH TLs are integrated with ferrite substrate, new properties based on the “CRLH” structure and nonreciprocity of ferrite can be obtained. Samples were processed on dielectric substrate (alumina) as well as on YIG substrate, according to fabrication steps which are described in this work. These samples have been characterized, in particular for the YIG substrate, with and without a magnetic polarization field. 3D Finite element simulation was used to get the scattering parameters. Lastly, dispersion diagrams were extracted from both measured and simulated data.We can get nonreciprocity by modeling the ferrite substrate, and “left-handed” property by modeling the structure of CRLH. The first chapter of this manuscript focus on theories of microwave transmission lines, coplanar waveguides, magnetic materials and metamaterials. In the second chapter, we designed and implemented conventional CPW components as well as stand-alone capacitors and inductors on alumina substrate. We completed the fabrication process in NANOLYON. Then the simulations in software COMSOL, and the analytical modelling approaches in Matlab are presented. The measured, simulated and analytical S parameters are given, the corresponding propagation constants of CPW, the extracted values of capacitance and inductance are given and discussed. The CPW components on ferrite are introduced in the third chapter. Firstly, different kinds of ferrite and the fabrication of components are presented. Then the modelling of permeability of ferrite material is detailed, and implemented in the 3D finite element simulation. The nonreciprocity is studied using CPW components based on ferrite BaM and YIG. For CPW on ferrite substrate, the measured and simulated S parameters, as well as propagation constant are given. In chapter four, the modelling of CRLH transmission line and the CRLH transmission line theory were presented. Examples of balanced and unbalanced CRLH TL are presented and the dispersion diagram is given. Then a parametric study of the components realized on alumina and on YIG has been driven. The geometric parameters were the left-handed inductances, left-handed capacitances and the length of the CPW separating them (CPW2). Both experimental and simulated scattering parameters are shown and the corresponding propagation constants are given. That enables to identify the different frequency bands: left-handed band, right-handed band and bandgap. Moreover, we establish that the band structure of these components can be tuned with the magnetic applied field.

Au cours des dernières décennies, les métamatériaux ont montré qu'ils pouvaient avoir des propriétés étonnantes, permettant d'imaginer et de réaliser des dispositifs tels que des lentilles à indice négatif, des dispositifs de camouflage ou des lentilles parfaitement plates. Aussi, font-ils aujourd'hui l'objet d'une intense recherche. Cette thèse, inscrite dans le projet ANR METAPHOTONIQUE, avait pour objectif principal d'étudier la possibilité d'utiliser des métamatériaux pour l'optique guidée à la longueur d'onde télécom. Ceci a requis une meilleure compréhension du comportement des métamatériaux, ce qui nous a orientés vers l'étude de modèles effectifs. La récupération des paramètres optiques effectifs a nécessité de pouvoir simuler la réponse des métamatériaux sous une illumination en incidence oblique, ce qui a requis l'implémentation de telles méthodes en FDTD. Aux cours de nos travaux, nous avons aussi mis en évidence un phénomène de rotation de la polarisation de modes guidés suite à leur interaction avec des métamatériaux asymétriques. Nous avons alors pu concevoir et caractériser un dispositif pour l'optique guidée destiné faire tourner la polarisation de la lumière sur une longueur deux fois plus courte que la longueur d'onde. Enfin, un objectif secondaire a été de déterminer si les pertes dues à la présence de nanostructures métalliques dans nos métamatériaux pouvaient être compensées grâce à l'utilisation de matériaux à gain. Un modèle permettant de décrire de tels matériaux en FDTD a donc été étudié et implémenté / Over the last decades, metamaterials have been shown to exhibit extraordinary properties. These properties could allow the design of new devices such as negative refractive index lenses, cloaking devices and perfectly flat lenses. This PhD is part of the ANR METAPHOTONIQUE project and its main objective was to study the potential of metamaterials for integrated photonics at telecommunication wavelengths. This required to first better understand the behavior of metamaterials, which led us to study effective index models. The retrieval of effective optical parameters required to be able to simulate the optical response of metamaterials under oblique incidence excitation. Due to this, we had to study and implement such methods for FDTD computations. Our work also showed that asymmetrical metamaterials possessed the ability to make the polarization of guided modes rotate. This allowed us to design and characterize a potential device for integrated photonics, which effectively converts the polarization of guided modes over lengths shorter than half the wavelength. A secondary goal of this PhD was to study the potential compensation of losses occuring within the metallic nanostructures of our metamaterials through the use of materials with gain. Thus, a model allowing us to simulate such materials in FDTD has been implemented