Ce travail de thèse est une contribution à la thématique de l’intégration de matériaux actifs en photonique silicium pour la réalisation de fonctions intégrées. L’accent a été mis sur des matériaux préparés en couches minces pouvant être déposés sur substrats silicium pour la réalisation de sources de lumière ou d’amplificateurs dans la fenêtre télécom (1.55µm). L’approche suivie a privilégié l’utilisation de guides à cœur creux (‘slot waveguides’) en raison du recouvrement qu’ils permettent entre les modes optiques guidés et les matériaux de couverture utilisés : - Des guides slot Si/SiO2 et SiN/SiO2 et des résonateurs en anneaux basés sur ces guides ont conduit à des pertes de propagation typiquement de l’ordre de 1dB/cm et des résonateurs à facteur de qualité de quelques dizaines de milliers pour des structures couvertes par des matériaux d’indice 1,5. - Des travaux menés visant à l’intégration de matériaux actifs dopés à l’Erbium ont été conduits dans le cadre deux collaborations internationales (Chine et Finlande). La première collaboration nous a amené à la démonstration de gain optique à partir d’une géométrie de guide en arête inversée. Un gain interne de l’ordre de 25dB a été obtenu par cette approche pour une puissance de pompe optique de l’ordre de 80mW. Une seconde collaboration s’est focalisée, quant à elle, sur l’intégration d’oxyde Al2O3 dans des guides à fentes SiN fabriqués au C2N. Les problématiques d’intégration des matériaux ont été étudiées dans un premier temps. Le résultat le plus marquant a été l’observation d’un gain relatif de 25dB/cm dans des guides slot courts pour des puissances de pompe de l’ordre de 50mW à longueur d'onde 1480nm. - Nous avons exploré une seconde voie destinée à la démonstration de structures émittrices/amplificatrices sur puce, exploitant l’utilisation de nanotubes de carbone semiconducteurs (NCS). Notre équipe du C2N, en collaboration avec le CEA-Saclay, a développé une méthode de préparation de couches minces riches en NCS pouvant être utilisées comme milieu actif dans le cadre d’une intégration planaire. Par cette approche, nous avons démontré qu’un pompage vertical des structures photoniques pouvait donner lieu à une extraction de photoluminescence (PL) en sortie guidée par la tranche, dans des guides à fentes, et qu’un renforcement significatif de la PL (>100) était obtenu par effet de recyclage des photons dans des résonateurs diélectriques à base de guides à fente, associé à un rétrécissement spectral des résonances observées en fonction de la puissance de pompe. L’ensemble des travaux présentés dans cette thèse apporte une contribution au développement d’une photonique hybride sur silicium exploitant les propriétés de la plateforme de guidage optique sur SOI et celles de matériaux actifs (ici : polymères dopés à l’Erbium ou aux nanotubes de carbone).

Les travaux présentés dans ce manuscrit contribuent au développement d’une méthode de caractérisation diélectrique sans contact de tissus biologiques, au moyen de sondes inductives fonctionnant dans le domaine des radiofréquences (RF). Ces travaux s’inscrivent dans le contexte général du développement de méthodes de détection des tissus cancéreux à bas coût, ayant pour but de faciliter la mise en œuvre d’une politique de prévention massive. La méthode de caractérisation s’appuie sur la mesure des propriétés diélectriques (conductivité électrique et permittivité diélectrique) du tissu, qui sont fortement affectées par les modifications structurelles des tissus lors de l’apparition de pathologies cancéreuses. S’appuyant sur des travaux expérimentaux préalables qui ont montré expérimentalement la sensibilité de sondes RF sans contact à la permittivité complexe de milieux organiques, les travaux présentés dans cette thèse s’attachent à explorer de manière plus formelle la pertinence de telles méthodes pour la caractérisation de tissus cancéreux. Pour ce faire, nous avons étudié l’implantation d’une méthode semi-analytique DPSM pour modéliser les interactions intervenant en champ proche et à échelle mésoscopique entre une antenne inductive et le milieu à caractériser, et déterminé les paramètres permettant d’ajuster la sensibilité de l’antenne aux paramètres diélectriques du milieu. Ensuite, nous avons exploité une méthodologie d’estimation de la distribution spatiale des propriétés diélectriques du milieu à l’aide d’une approche à réseaux de neurones artificiels, permettant de détecter, localiser et estimer les propriétés d’une inclusion « tumorale » enfouie dans un « tissus sain », avec des erreurs d’estimation inférieures à 10% pour les configurations étudiées. La méthodologie développée doit ouvrir à la voie au développement de systèmes multicapteurs RF sans contact pertinents pour la détection à bas coût de lésions tumorales dans les tissus

With the rise of nanoelectronics, many novel technologies have emerged, holding the promise to replace or complement the traditional computing building block – the CMOS transistor. However, at the nanoscale, noise significantly affects the behavior of systems, inducing random fluctuations. It is thus natural to look for computing techniques which are intrinsically tolerant to noise, variability and errors, or even better, which take advantage of these. Among the possible solutions, one paradigm has emerged as particularly promising and disruptive: taking inspiration from biology. Indeed, our brain is able to perform computations – while consuming only 20 W – even though its components themselves exhibit stochastic behavior. Bio-inspired computing with stochastic nanodevices should prove to be particularly successful for cognitive tasks such as pattern recognition and classification. Mixing conventional electronic components with emerging technologies could allow performing such tasks at low energy cost. The focus of this thesis is a specific nanodevice, the magnetic tunnel junction. Because of its endurance, reliability and CMOS compatibility, this bistable system has emerged as the flagship device of spintronics. However, maintaining the stability of this device while reducing its size is a challenge. Unstable magnetic tunnel junctions – called superparamagnetic tunnel junctions – behave as stochastic oscillators. In this thesis, I investigated for the first time how to harness the random behavior of stochastic magnetic tunnel junctions, taking inspiration from biology. First, it is experimentally demonstrated that electrical noise can induce the synchronization of a junction to a weak voltage source. A theoretical model is developed and predicts that using noise could allow a hundred-fold energy gain over the synchronization of traditional dc-driven spin torque oscillators. This result opens the way to the low power hardware implementation of synchronization-based computing schemes which can perform tasks such as pattern recognition. Then, an analogy between superparamagnetic tunnel junctions and sensory neurons – which fire voltage pulses with random time intervals – is drawn. Pushing this analogy, it is numerically demonstrated that interconnected populations can perform computing tasks such as learning, coordinate transformations and sensory fusion. Such a system is realistically implementable and could allow for intelligent sensory processing at low energy cost. All these results suggest that the superparamagnetic tunnel junction is a promising building block for hardware implementations of bio-inspired computing.

La recherche de nouveaux matériaux a permis de nouveaux développements au cours de ces dernières décennies. Ce sont entre autres les diélectriques artificiels ou encore les métamatériaux. Cependant, si ces matériaux restent passifs, malgré tous les développements possibles, les performances des antennes, ou autres structures électromagnétiques qui découlent d’eux seront toujours confrontés aux mêmes limitations fondamentales. En intégrant des circuits actifs dans ces matériaux, par exemple des résistances négatives, des capacités négatives et des inductances négatives, il est possible de dépasser ces limitations ainsi les propriétés synthétisables et les applications d’ingénierie pourront être significativement élargies. En effet, cela permettrait de créer des matériaux et des dispositifs dont les propriétés ne seront pas possibles autrement et surpasseraient celles des matériaux existant dans la nature. Cette thèse a été l’occasion dans un premier temps d’utiliser les circuits non-Foster qui sont des circuits actifs à rétroaction positive, pour l’adaptation d’antennes électriquement petites à basses fréquences. Ceci a permis de mettre en évidence les avantages de ce type d’adaptation par rapport à une adaptation passive plus conventionnelle. Ensuite, des capacités négatives ainsi que des inductances négatives et positives ont été conçues. Leur fonctionnement totalement différent des composants passifs a été mis en exergue. Ce qui nous a conduits à les appliquer sur des structures périodiques. Cela a donné des résultats intéressants comme la propagation supraluminique d’ondes sur une ligne de transmission. Et en les appliquant à la cellule unitaire d’une surface de métamatériaux qui est aussi une structure périodique, sa taille est réduite pour une plus grande compacité des antennes à cavités conçues pour les basses fréquences où la longueur d’onde est très grande.