Ce travail porte sur le couplage de bruit par le substrat seiniconducteur entre les circuits numériques et analogiques des capteurs d’image CMOS. Les deux premières parties constituent un état de l'art respectivement des capteurs d'image CMOS et de l'étude du bruit de substrat. Nous abordons dans la troisième partie l'impact du bruit de substrat généré par un perturbateur numérique sur la réponse en courant de plusieurs photodétecteurs. Nous avons montré que le couplage ohmique du bruit d'alimentation au substrat est le phénomène d'injection prépondérant, la réception du bruit par le photodétecteur se faisant de manière capacitive. Pour les substrats sur couche épitaxiée, procédés technologiques dédiés à l'imagerie, la susceptibilité du circuit au couplage substrat et son émission rayonnée sont accrues. Enfin nous avons développé un modèle empirique performant du couplage substrat, implémenté en VHDL-AMS et basé sur la modélisation ICEM (Integrated Circuit Emission Model) et des simulations physiques (impédances du substrat). La dernière partie traite de l’étude du couplage substrat dans un imageur complet. Nous avons montré que l'intégration de la fonction de séquencement augmente fortement le bruit de substrat via l'augmentation du bruit de masse numérique et que le phénomène de réception prépondérant est le couplage ohmique des masses analogiques au substrat. Cependant, aucune altération de l’image n’a été détectée par l’étude qualitative menée. La méthodologie de modélisation empirique développée précédemment a été portée à l’ensemble du capteur et permet d’obtenir un modèle performant dont les principales limitations résident dans l'évaluation des impédances du substrat.

La commutation de bord est une technologie attractive adaptée à certaines missions spécifiques des systèmes satellitaires multi-faisceaux : réseaux privés virtuels ou applications de type point à point. Cette technologie optimise I’utilisation des ressources en fréquence, et permet le support efficace de différentes classes de qualité de service et du trafic de type « multicast » directement dans la charge utile du satellite. Dans un système satellitaire multi-faisceaux, le commutateur de bord est principalement responsable de l’établissement à différentes échelles de temps de connections physiques ou logiques entre les faisceaux montants et les faisceaux descendants. Malheureusement, le trafic n’étant pas uniformément distribué aux sorties du commutateur de bord, il est fréquent que certains faisceaux descendants soient temporairement surchargés : une quantité de trafic excédant les capacités de transmission associées à ces faisceaux descendants leur est destinée. Ce phénomène provoque de la contention aux sorties du commutateur associées aux faisceaux descendants surchargés, et dégrade les performances de transmission dans le système satellitaire avec commutation de bord. Le but principal du travail effectué a été de proposer, de définir et d’analyser des solutions innovantes aux problèmes majeurs liés à la gestion des ressources dans la charge utile de systèmes satellitaires géostationnaires, large bande, multi-faisceaux, multi-porteuses avec commutation de bord de prochaine génération. Cette gestion des ressources est principalement divisée en deux axes qui ont été conjointement étudiés : gestion des mémoires embarquées avec une architecture physique adaptée du commutateur de bord ; gestion des ressources de transmission sur les faisceaux descendants prenant en compte la quantité de trafic à transmettre dans chaque faisceau descendant ainsi que la minimisation des interférences sur la liaison descendante. Des architectures de commutateurs embarqués innovantes ainsi que de nouveaux algorithmes de gestion des ressources sur la liaison descendante (gestion dynamique des ressources en fonction de la quantité de trafic à transmettre ou gestion des ressources sur la liaison descendante minimisant les interférences) ont été étudiés en détail. Leurs performances ont aussi été quantifiées à l’aide de simulations dans le cadre d’un système satellitaire de référence réaliste.

L’utilisation de la technologie CMOS pour la réalisation de capteurs d'images, autorise l’intégration, non seulement dans le capteur mais aussi à l’intérieur même du pixel, d'éléments actifs (transistors, bascules logiques,...). Ce document présente les travaux de thèse effectués au sein du laboratoire CIMI [Conception d'Imageurs Matriciels Intégrés] de SUPAERO en collaboration avec STMicroelectronics. Il détaille la conception, la réalisation et le test d'un prototype de capteur d’images CMOS a grande dynamique [SUPHDYN], capable de capturer des scènes possédant des éclairements très différents. Entièrement numérique, son architecture spécifique, basée sur une chaine de lecture événementielle, permet une compression native de la dynamique d’image. Après une présentation de la problématique et de l'état de l’art, ce rapport présente les différents outils utilisés et développés pour la capture, la manipulation et l’étude des scènes a grande dynamique. Ensuite sont présentées les études effectuées sur les courbes de compression de dynamique d’image HDR, ainsi que la conception et l’architecture du capteur SUPHDYN. Enfin, viennent les tests et les caractérisations du prototype. Réalisé en technologie CMOS numérique 130nm STMicroelectronics, le capteur SUPHDYN est capable de capturer à cadence vidéo des scènes HDR de 110dB de dynamique. Sa matrice est composée de 511x511 pixels, chaque pixel intégrant 42 transistors pour un facteur de remplissage de 25%.

Les qualités des VCSELs (coût, encombrement, intégration, etc...) en font un émetteur incontournable des liaisons datacom, aussi bien que des liaisons analogiques pour applications embarquées. Nous avons établi un système d’équations d’évolutions propres au VCSELs AlGaAs à émission monomode, incluant les phénomènes de bruit d'intensité. Ce modèle est étendu aux VCSELs à émission multimode pour lesquels l'interaction entre les modes par un phénomène de "spectral hole-burning" est responsable d’une élévation du niveau de RIN (Relative lntensity Noise) aux basses fréquences. Partant des équations d’évolution linéariséés monomodes et bi-modes, nous avons parallèlement développé un schéma électrique équivalent incluant des sources équivalentes de bruit en tension et en courant. La réalisation d’un banc de mesure de bruit de faible puissance pour VCSELs sous pointes et VCSELs fibrés en boîtiers nous ont permis de caractériser le comportement en bruit de ces diodes laser et de valider les résultats de simulation du modèle pour différentes structures de VCSELs à diaphragme d’oxyde sur une très large bande de fréquences jusqu’à 10GHz. Finalement, prenant en compte les phénomènes non-linéaires des interactions photons-électrons dans la zone active, nous avons modélisé le report du bruit d'intensité basse fréquence du laser vers le signal hyperfréquence modulant directement le VCSEL. La caractérisation du bruit de 10GHz à 1MHz de la fréquence du signal de référence transmis par une liaison optoélectronique ayant un VCSEL pour émetteur a validé notre modèle de dégradation de la pureté spectrale.

Cette thèse est consacrée à l'analyse et à la modélisation de la Fonction de Transfert de Modulation (FTM) des capteurs d'images à pixels actifs (APS) CMOS. La FTM, indicateur de la qualité de l’image fournie par le système optique ou électo-optique, représente le contraste restitué par le système à une résolution donnée. Après avoir vérifié les conditions d’applicabilité de cette notion aux capteurs d'images, nous nous intéressons au modèle analytique de FTM issu du monde des CCD. Il tient compte, de façon simplifiée, de la géométrie des pixels et des mécanismes de diffusion des charges photogénérées. Ce modèle n'est pas suffisamment représentatif des pixels CMOS dont la topologie et, par conséquent, les phénomènes de diffusion sont beaucoup plus complexes. La FTM de tels pixels ne peut donc être facilement modélisée ce qui rend nécessaire de pouvoir la mesurer et de mener des investigations afin d'identifier les facteurs qui l'influencent. Plusieurs méthodes de mesure de la FTM sont étudiées et comparées grâce à la mise en place d’un banc de caractérisation dédié. Les nombreux avantages liés à l'utilisation de la méthode normalisée ISO 12233 sont ainsi démontrés. Dans un but de modélisation de la FTM, deux détecteurs matriciels spécifiques ont été développés. Ils permettent ainsi d'identifier et de quantifier les phénomènes entrant en jeu dans la dégradation de l'image: la participation de la zone active au signal, la dissymétrie de la diaphonie... Ces résultats, dont la pertinence est confrontée aux mesures de FTM, permettent d'identifier des solutions tendant à améliorer la FTM des pixels des capteurs CMOS : masquage optique, utilisation de micro-lentilles...

Ce travail a consisté à étudier le comportement de VCSELs en régime statique et dynamique. Après avoir présenté la structure du VCSEL, nous avons établi un système d’équations d’évolution du nombre de porteurs et de photons incluant la contribution de l’émission verticale et des puits quantiques. Ces équations ont été résolues pour obtenir le nombre de photons et de porteurs en fonction d’un minimum de paramètres intrinsèques. La première étape expérimentale a porté sur la caractérisation statique de la diode laser afin de déterminer sa zone de fonctionnement. Nous nous sommes ensuite intéressés à la modélisation dynamique du VCSEL. Inspirés du schéma électrique équivalent petit signal d’une diode laser conventionnelle, nous avons établi celui d’un VCSEL en représentant ses particularités telles que la contribution des miroirs de Bragg et des puits quantiques sous forme de cellules RC parallèles. Le modèle a été élaboré en comparant les équations du circuit électrique équivalent et les équations d'évolution linéarisées. Les éléments parasites dus à la connectique et au support de test ont été ajoutés à ce modèle intrinsèque de puce laser. Finalement, la validation a été effectuée grâce aux mesures du paramètre S11 et du paramètre S21. Après avoir cherché à valider le modèle sur des VCSELs en boîtier, des résultats concluants ont été obtenus grâce a des mesures sous pointes sur des barrettes de VCSELs en structure implantée ou à diaphragme d’oxyde, ce qui nous a permis d’extraire des valeurs convenables pour les paramètres intrinsèques.

Les récepteurs GPS sont soumis à de nombreux signaux d'interférence bande étroite. Cette étude concerne des techniques d'adoucissement de spectre, dites de précorrélation. Elles s'appliquent au signal complexe à l'entrée du récepteur numérique. La première partie de ce mémoire présente le récepteur optimum. Il est déduit de la théorie de la détection appliquée en présence de bruits blancs et gaussiens. L'étude met en évidence les dégradations des performances de ce récepteur, lorsqu'il est soumis à des signaux d'interférence. La deuxième partie traite de l'amélioration des performnces du récepteur, sous l'hypothèse de bruits non blancs. Elle décrit des filtres de blanchiment implantés à l'entrée du récepteur numérique conventionnel. Pour des signaux à spectre étalé et des bruits bande étroite, ces techniques utilisent des filtres à encoche adaptatifs appliqués dans le domaine temporel ou dans le domaine fréquentiel. Dans la troisième partie, le récepteur optimum est dérivé en présence de bruits non gaussiens, sous l'hypothèse simplificatrice d'indépendance du bruit. L'approche de Neyman-Pearson est utilisée. Lorsque cette théorie est appliquée au signal GPS, caractérisé par des rapports signal sur bruit très petits devant l'unité, cette technique conduit à définir le récepteur localement optimum. Il est obtenu en linéarisant la loi de densité de probabilité du bruit autour de l'hypothèse H₀. Le détecteur optimum diffère alors du détecteur défini en présence de bruits gaussiens de par la présence, en entrée, d'un opérateur non linéaire déduit de cette loi. Lorsque cette technique est appliquée au signal complexe, elle consiste au traitement de l'amplitude du signal représenté par ses coordonnées polaires. Elle peut être appliquée dans le domaine temporel, ou dans le domaine fréquentiel lorque le nombre de sources d'interférence augmente.

Au cours de ces dernières années les applications des systèmes de navigation par satellites se sont beaucoup diversifiées, et le système Galileo doit tenir compte de ce grand nombre d'applications. Parmi toutes ces applications, la navigation en milieu urbain semble être l'une des plus importante. L'environnement urbain est caractérisé par d'importants angles de masquage et la présence d'un grand nombre d'obstacles qui produisent des trajets multiples. Un modèle de la propagation des ondes dans l'environnement considéré est donc nécessaire. Une méthode déterministe, basée sur l'optique géométrique, a été choisie. Afin de calibrer les simulations réalisées avec cet outil, des mesures sur la visibilité du système GPS dans différents environnements ont été réalisées et comparées avec les résultats obtenus avec notre outil de simulation. Les conditions contraignantes du milieu urbain ne rendent pas toujours possible le calcul de la position de l'usager avec le degré de précision désiré. Il est donc nécessaire de considérer des méthodes qui permettront d'améliorer les performances du système.

L'objet de cette thèse a été d'étudier et de réaliser un oscillateur optomicroonde (OOM), dont le fonctionnement repose sur une technique originale n'utilisant qu'une source optique contrairement aux autres techniques largement décrites dans la littérature. Cet oscillateur optomicroonde convertit l'énergie lumineuse fournie par un laser de pompe en signaux micro-ondes dont la pureté spectrale peut, en théorie, être excellente. Son principe de fonctionnement est le suivant : le faisceau optique délivré par une diode laser à 1,55 µm est injecté dans un modulateur d'intensité électro-optique dont la sortie est connectée à une fibre optique monomode qui joue le rôle de ligne à retard. Le faisceau optique modulé est ensuite détecté, filtré, amplifié et le signal électronique obtenu est appliqué à l'accès électrique du modulateur. Nous réalisons ainsi un oscillateur capable de générer un signal, à la fois électrique et optique à 1,55 µm modulé en intensité. L'oscillateur optomicroonde a été modélisé afin d'obtenir ses performances théoriques en régime permanent : niveau et fréquence d'oscillation, largeur de raie. L'influence des divers constituants de la boucle d'oscillation sur le bruit de phase a également été étudiée (fibre optique, photodiode, ...). Les caractéristiques expérimentales de l'OOM que nous avons réalisé (raie d'oscillation à 900MHz, de largeur inférieure au Hz, bruit de phase voisin de -120 dBc/Hz @ 10 KHz de la porteuse) ajoutées aux potentialités d'accordabilité en fréquence nous permettent d'envisager son utilisation pour des systèmes à détection hétérodyne tel qu'un LIDAR Doppler.

Ce travail porte sur l'amélioration des performances en bruit et sur la conception de circuits de lecture de capteurs d'images à pixels actifs CMOS à destination des applications scientifiques. La première partie est consacrée à l'étude et à la modélisation du bruit temporel de la chaîne de lecture du capteur. Cette étude nous permet de définir des règles de conception réduisant le bruit de ces circuits. Des circuits de test ont été réalisés sur une technologie CMOS 0.7µm, afin de valider les résultats obtenus. Le deuxième axe porte sur la conception de circuits analogiques de lecture et de traitement du signal effectuant l'extraction du signal utile, l'amplification, et la correction de bruit spatial fixe de colonnes, intégrés sur la même puce que la matrice photosensible ainsi que l'analyse de leurs performances. Trois circuits ont été réalisés sur une technologie CMOS 0.7µm : le premier est un amplificateur à capacités commutées (c.c.) élémentaire, le second un amplificateur à c.c. à compensation de la tension de décalage, et le troisième un filtre passe-bande actif commutable. Ils permettent des vitesses de lecture jusqu'à 10Mpixel/sec. Une analyse théorique détaillée de la réponse des circuits au bruit blanc et au bruit en 1/f[exposant α], en considérant la nature non-stationnaire des signaux de sortie, est présentée. Les résultats expérimentaux et théoriques sont comparés. Finalement un nouveau circuit de lecture du signal des colonnes est proposé et développé afin de réduire le bruit spatial fixe de colonnes. Il nécessite un seul amplificateur de colonne commun à toute une matrice de pixels. Les effets des non-idéalités des composants réels sur les performances de ce circuit sont étudiés et des solutions sont proposées et discutées afin de les minimiser. Les résultats expérimentaux ainsi que les problèmes rencontrés sur un circuit de test, comprenant 128x128 pixels et réalisé sur une technologie CMOS 0.6µm, sont présentés.