Projet de Recherche

J’ai depuis toujours été attiré par la recherche, ma première vraie expérience en la matière a pu voir le jour au cours de mon stage de 2° année en école d’ingénieur. J’ai eu l’opportunité de travailler à l’Université d’Etat de New York à Stony Brook sur l’application d’algorithmes de filtrage particulaire. J’ai par la suite opté pour un autre domaine, à mon sens plus porté sur l’aspect physique des choses :  l’électromagnétisme. Mon DEA et mon travail de thèse ont porté essentiellement sur la modélisation électromagnétique au sens large. J’ai abordé au cours de projets, des thèmes assez variés en collaboration avec des personnes d’origines diverses. Ces collaborations ont porté aussi bien sur la mise en place d’approches multi-physique pour des problèmes de fiabilité de MEMS (projet MEMSCOM), que le développement de codes de calcul adaptés à une problématique multi-échelle bien définie, le tout pour un grand groupe industriel (projet ESA).
Ces activités diversifiées mon permis d’aborder rapidement une nouvelle thématique de recherche : "Les composants terahertz". Celle-ci, dans un sens, n’est pas si éloignée d’un problème multi-physique puisqu’elle se situe à mi-chemin entre les micro-ondes et l’optique.

Travaux de Thèse

Manuscrit de Thèse version pdf

Intitulé: « Application de l’approche par changements d’échelle aux circuits planaires hyperfréquences »

Sujet: Une méthode basée sur une formulation de l'équation intégrale a été développée pour la caractérisation de structures planaires multi-échelle. Cette formulation repose sur le principe de changements d’échelle. Il est commun de rencontrer dans la pratique des rapports très importants entre la plus grande et la plus petite dimension d'un problème. La méthode par changements d'échelle vise ainsi à s'affranchir des problèmes de simulation classiques (matrices mal-conditionnées, limitations dues à un nombre d’inconnues trop important, temps de calculs importants) liés à la multiplicité des échelles mises en jeu dans une structure.

Mots clés : Hyperfréquences, Modélisation électromagnétique multi-échelle, Méthode intégrale, Technique par changements d'échelle, Réseaux réflecteur, Antennes actives, MEMS.

Objectifs réalisés : La première étape de ce travail a consisté à étendre la formulation modale classique, à une méthode multi-échelle: l'Approche par Changements d'Echelle. Après quoi, une validation numérique et expérimentale s’en est suivie. Un autre point a concerné la question de son domaine d'application. En effet, ce travail portait sur l'étude de circuits planaires ne présentant pas forcément de caractère auto-similaire. Une comparaison de cette approche avec d'une part d'autres méthodes classiques et d'autre part avec des résultats expérimentaux a été entreprise. Les performances en terme de temps de calcul ont pu positionner l'approche par changements d'échelle par rapport à certains logiciels commercialisés.

Travail effectué : Il a été montré que les différents niveaux d’échelles que présentent certaines structures peuvent être utilisés avantageusement pour décomposer le problème en briques élémentaires. La manipulation de ces sous structures fait de cette approche une approche modulable originale ; facilitant d’une part sa mise en œuvre et d’autre part permettant de réduire le temps de calcul lors d’optimisations paramétriques.
L'introduction du concept de base intermédiaire a permis de réduire l'analyse classique en autant de sous problèmes que d'échelles caractérisées. Le traitement séparé de chacun des sous problèmes –briques élémentaires- simplifie grandement le problème de départ.
Cette démarche de type Lego est intéressante à plus d'un titre. Elle apporte, d'une part, une certaine modularité, ce qui facilite grandement tout ce qui est étude paramétrique. D'autre part, celle-ci permet de traiter des problèmes relativement complexes, le tout reposant sur une formulation de l'équation intégrale avec fonctions d'essai étendues et résolution de type Galerkin. En d'autres termes, nous combinons la rapidité de calcul d'une formulation classique mais d'application très restreinte avec une approche flexible permettant l'étude de structures multi-échelles. Tous ces facteurs conduisent à une réduction très significative du temps de calcul.
Cette approche a été appliquée aussi bien sur des antennes actives que sur des systèmes comportant des microcommutateurs MEMS. Certaines de ces études se sont déroulées dans le cadre de projets industriels.

Projets auxquels j'ai participé durant ma thèse

Projet dans le cadre du GREMO : (LAAS-CNRS, ADMM de l’Université Paul Sabatier et LEN7 de l’INP Toulouse, MOSE de SUPAERO et LESIA de l'INSAT) (Groupement Régional en Electromagnétisme et Micro-ondes), avec pour partenaire industriel Alcatel Space Industries, projet région.

Cette collaboration entre personnes d’origines diverses (électromécanique, thermique, mécanique) a permis la mise en place d’une approche Multi-physique pour mener à bien le projet.

Travail effectué: les thématiques principales abordées dans ce projet qui m’ont intéressées concernaient:

L'étude du couplage électromagnétique / thermique a été entrepris dans ce projet. Le calcul de la répartition de la densité de puissance sur une ligne coplanaire a été effectué grâce à des expressions analytiques. De même, grâce à une méthode basée sur le changement d'échelle, cette répartition a pu être calculée pour un micro-commutateur de manière simple et rapide. Ces données ont permis de déterminer l'échauffement d'une ligne sur membrane dû à la puissance RF.

Cette étude portait sur la modélisation et la conception de cellules déphaseuses -élément de base d’un réseau réflecteur- actives à polarisation linéaire.
Travail effectué : des études précédentes sur ce type d’antennes, menées par le département Antenne d’Alcatel Space en collaboration avec l’IETR (Rennes) ont montré la nécessité d’outils de simulations électromagnétiques spécifiques adaptés aux structures multi-échelle. C’est dans ce cadre qu’est intervenue notre collaboration. En effet, le caractère modulaire apporté par l’approche par changements d’échelle ouvre la voie à de nombreuses études paramétriques / optimisation. Ainsi, nous nous sommes intéressés au calcul de l’ensemble des configurations des MEMS permises par la structure (1024 configurations), ainsi qu’à l’optimisation des rapports des capacités état haut/bas ramenées par les microcommutateurs. Ces études sont indispensables lors des phases de conception de telles cellules ; elles se révèlent être accessibles alors qu’une méthode directe n’aurait sans doute pas permis leur mise en oeuvre, un temps de calcul trop important aurait été rédhibitoire. Nous avons été sollicités pour développer un code de calcul permettant de répondre à ces besoins spécifiques qui ne pouvaient être traités avec des logiciels commerciaux tels que HFSS.
Le code de calcul appliqué à cette cellule -développée dans le cadre d’un projet ESA- a pu être largement validé, ceci notamment par les soins d’Alcatel. Ce code est utilisé par Alcatel pour le design de nouveaux réseaux réflecteur.

Recherches Actuelles

J’ai commencé depuis octobre 2005 un post-doctorat CNRS à l’IEF plus précisément dans l’équipe Nanophotonique et Electronique Quantique (NAEL)

La bande de fréquence du THz s’étale de quelques centaines de GHz à quelques THz (0,3 THz – 3 THz). Elle s’intercale entre les ondes de longueur millimétriques et la gamme infrarouge du spectre optique. Ce domaine de fréquences marquait historiquement la frontière qui pouvait exister entre l’électronique et l’optique. Cette frontière, bien que passablement abolie, reste présente. Elle se matérialise par l’absence de nombreux dispositifs élémentaires qu’il convient de développer. En effet, la réalisation de fonctions passives ou de dispositifs passifs nécessaires à l’émergence d’une électronique THz n’a pas suivi cette évolution, leur fréquence de fonctionnement se limitant, à l’heure actuelle à quelques centaines de gigahertz. Bien qu’en France les activités de l’IEMN contribuent à combler partiellement ce vide, un effort important reste à apporter pour la conception et la réalisation de telles fonctions. Celles-ci constituent un point bloquant à la conception de systèmes THz, elles sont également indispensables pour améliorer les performances des sources et des détecteurs THz.

Mon sujet de post-doctorat a pour thème la réalisation de composants THz passifs sur silicium. Il s’appuie sur une démarche mixte qui associe I/ la technologie, II/ la modélisation numérique et III/ la mesure pour concevoir, réaliser et optimiser des dispositifs pour les applications THz. Il s’oriente très largement sur la réalisation des dispositifs passifs comme des guides d’ondes planaires, des antennes.

I/ Fabrication de composants THz :

Le chapitre technologie de ce programme de recherche s’appuie sur les nouveaux moyens de la centrale de technologie MINERVE de l’IEF. Ce sujet comprend la réalisation des microstructures sur silicium dans cette centrale de micro-nanotechnologies, nous utilisons comme substrat un polymère : BCB (BenzoCycloButène). C’est pourquoi je contribue actuellement au développement d’une filière technologique Si - BCB à l’IEF pour la réalisation de guides et d’antennes planaires sub-millimétriques.

II/ Modélisation:

La réalisation de tels circuits THz doit préalablement être totalement modélisée à l’aide d’outils informatique adaptés. Les modélisations permettront de dimensionner les divers dispositifs qui seront ensuite réalisés en salle blanche puis caractérisés. Une étude détaillée portant sur la modélisation, l’optimisation de pertes et l’aspect propagation monomode sera réalisée. Nous avons d’ores et déjà réalisé un masque pour la réalisation et la caractérisation de telles lignes à des fréquences intermédiaires (500GHz). Concomitamment à la réalisation de guides THz, il convient de concevoir des antennes dans cette bande de fréquence afin de capter un signal THz ou de l’émettre vers un détecteur. Des antennes « patch » et semi-log sont également en cours de réalisation sur BCB.

III/ Caractérisation matériaux - guides d'onde - antennes

Le vide technologique que nous évoquions en introduction, se traduit par l’absence d’abaques concernant les caractéristiques de la majeure partie de matériaux et des guides d’ondes (et antennes) couramment utilisés en micro-ondes. Nous devons, pour mener à bien nos études sur les divers fonctions/circuits/composants THz, développer des techniques pour extraire ces paramètres dans ces domaines de fréquence. Pour cela nous disposons d’un FTIR pour le lointain IR et de récepteurs bolométriques qui couvrent la gamme 100 GHz – 12 THz. Une caractérisation des permittivités complexes de diélectriques (BCB ou autre polymères compatibles avec la filières MOS) aux THz fait actuellement l’objet de mon post-doctorat au sein de l’opération. Cette analyse est réalisée à partir de mesures en transmission / réflexion à l’aide d’un matériel de Spectroscopie à transformée de Fourier en lointain infrarouge (FTIR) et d’un détecteur bolométrique.


Domaines de Compétence

Mes domaines de compétences repose pour beaucoup sur la formation d’ingénieur que j’ai suivi, mon travail de thèse et de post-doctorat.

Electronique, et traitement du signal :

Hyperfréquences :

CAO :

Expérimentations/mesures :

Programmation :

Langue :