Les capteurs d’image embarqués à bord des satellites, également appelés imageurs, jouent un rôle crucial pour le bon déroulement des missions spatiales. Cependant, ces matrices de pixels sont sensibles aux particules énergétiques issues des diverses sources de rayonnement de l’environnement spatial. Dans certains cas, les interactions entre le rayonnement énergétique et la matière modifient la structure cristalline du semi-conducteur qui compose la zone sensible du pixel. Par la suite, les défauts cristallins produits lors de l’irradiation vont se réorganiser pour former des entités électriquement actives et stables dans le temps. Ces défauts, également appelés pièges, vont contribuer à augmenter le signal parasite intrinsèque à chaque pixel : le courant d’obscurité. Après irradiation et sans exposition lumineuse, une augmentation de l’amplitude moyenne du courant d’obscurité ainsi que sa disparité entre chaque pixel est observée. La distribution des courants d’obscurité (également appelée « DarkCurrent Non Uniformity » en anglais, abrégé DCNU) évolue dans le temps avec le niveau d’irradiation.La thèse vise à apporter des éléments de compréhension pour améliorer l’estimation de l’augmentation du courant d’obscurité après irradiation. Les travaux de recherches menés au cours de cette thèse se focalisent en grande partie sur la prédiction du nombre et de l’intensité des pixels fortement dégradés, car ce sont les plus pénalisants pour le fonctionnement nominal d’un imageur. La méthode de prédiction des distributions de courant d’obscurité post-irradiation développée par l’ONERA (DAAN) a été améliorée par l’adjonction de nouveaux modèles.La démarche des travaux de thèse a consisté dans un premier temps à améliorer la prise en compte des effets du champ électrique sur le taux de génération de paires électron-trou des défauts électriquement actifs. En première approximation, les mécanismes physiques liés à l’influence du champ électrique étaient modélisés en une dimension. Cependant, une telle modélisation est connue pour surestimer l’impact du champ électrique sur le courant d’obscurité. C’est pourquoi nous avons développé un modèle original d’effets de champ électrique en trois dimensions. Ce nouveau modèle permet de réduire l’amplitude des effets du champ électrique sur le taux de génération de paires électron-trou, et par extension sur le courant d’obscurité.La méthode de prédiction originale utilise le facteur de dommage universel. Ce coefficient empirique représente une dégradation moyenne, et masque les phénomènes de réorganisation qui se mettent en place au cours du temps. C’est pourquoi dans un second temps, un modèle de réorganisation des défauts dans la matière cristalline a été développé. Ce modèle repose sur un algorithme de type Kinetic Monte Carlo (KMC) optimisé par méthode dite « octree ». D’une part cet outil a pour but d’estimer la population type de pièges présente après des temps longs de guérison. D’autre part, cet algorithme est utilisé pour évaluer le nombre de défauts qui ont guéri au cours du temps par rapport à l’état initial. En première approximation, une répartition uniforme de ces défauts dans le volume de simulation est considérée à l’état initial.Dans un dernier temps, les cascades de dommage sont modélisées avec GEANT4 puis sont traitées par notre outil KMC pour estimer de manière la plus réaliste possible les processus de guérison.Les taux de guérison obtenus sont en accord avec la littérature. Ces informations sont ensuite utilisées dans l’outil de prédiction des courants d’obscurité, ce qui permet de s’affranchir de l’utilisation du facteur de dommage universel et d’estimer de manière la plus réaliste possible l’augmentation du courant d’obscurité après irradiation. Cette chaîne de modélisation simule des distributions de courant d’obscurité proches des mesures expérimentales. Nous proposons de cette manière une méthode analytique alternative au facteur de dommage universel.

Inspirés des technologies microélectroniques CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), les capteurs d’images CMOS sont largement utilisés dans de nombreuses applications grand public et prédominent sur le marché commercial des caméras intégrées. Au cours de la dernière décennie, de nombreuses avancées technologiques ont permis au capteur d’image CMOS d’atteindre d’excellentes performances ainsi qu’une faible consommation d’énergie. Par conséquent, ces imageurs deviennent des candidats essentiels pour un nombre croissant d’applications spatiales et nucléaires. Cependant, le comportement de ces dispositifs microélectroniques dans les environnements radiatifs nucléaires et spatiaux est encore mal compris. Par conséquent, il est nécessaire d’étudier les différents mécanismes qui conduisent à la dégradation des performances des capteurs d’images CMOS et en particulier à l’augmentation du courant d’obscurité, un signal parasite qui augmente avec les doses de radiations.Parmi ces doses de radiations, la dose dite de déplacement, relative à l’altération de la structure cristalline du silicium, reste peu étudiée par rapport à la dose dite ionisante. Dans les dernières technologies de capteurs d’images CMOS utilisant des photodiodes pincées, la dose ionisante n’est plus le mécanisme de dégradation dominant dès lors que la dose de déplacement est mise en jeu. La dose de déplacement devient le mécanisme de dégradation principal qui conduit à l’augmentation du courant d’obscurité. Ce travail se concentre principalement sur le rôle des défauts cristallins, créés par la dose de déplacement induits par les radiations, dans l’augmentation du courant d’obscurité des capteurs d’images CMOS. Un intérêt particulier est accordé aux défauts métastables qui sont probablement la cause des fluctuations discrètes et aléatoires du courant d’obscurité appelé : signal des télégraphistes. Cette étude présente un double enjeu :Le premier vise à contribuer à l’amélioration des connaissances des principes physiques mis en jeu dans le silicium cristallin face aux radiations. Les interactions particule-matière,associées à l’architecture spécifique des capteurs d’images, visent à fournir des outils fiables pour l’analyse des défauts induits par les radiations dans le silicium. Ces observations et résultats peuvent être étendus à tous les dispositifs à base de silicium et plus généralement aux autres dispositifs à semi conducteurs.Le second vise à identifier les différents mécanismes conduisant à l’augmentation du courant d’obscurité des capteurs d’images CMOS lorsqu’ils fonctionnent dans des environnements radiatifs. L’étude vise à identifier et à améliorer la connaissance des comportements des sources de courant d’obscurité dans le but d’optimiser les capteurs d’images CMOS pour les futures applications spatiales et nucléaires.

La croissance des services de télécommunications et l’augmentation du trafic de données à l’échelle mondiale favorise le développement et l’intégration de différents réseaux de transmission de données. Un exemple de ce développement est constitué par les réseaux de fibres optiques, qui sont actuellement chargés d’interconnecter les continents par des liaisons longues avec des taux de transfert importants. Les réseaux optiques, ainsi que les réseaux supportés par d’autres moyens de transmission, utilisent des signaux électriques à certaines fréquences pour la synchronisation des éléments du réseau. La qualité de ces signaux est un facteur décisif dans la performance globale du système, c’est pourquoi leur bruit de phase doit être aussi faible que possible.Ce document décrit la conception et la mise en œuvre d’un système optoélectronique pour la génération de signaux micro-ondes à l’aide de diodes laser à cavité verticale (VCSEL) et son intégration dans un système de transmission optique de données. Compte tenu du fait que le système proposé intègre un laser VCSEL directement modulé, une caractérisation théorique et expérimentale a été élaborée sur la base des équations d’évolution du laser, de mesures dynamiques et statiques, et d’un modèle électrique équivalent de la région active. Cette méthode a permis l’extraction de certains paramètres intrinsèques du VCSEL, ainsi que la validation et la simulation de ses performances dans différentes conditions de modulation.Le VCSEL utilisé émet en bande C et a été sélectionné en considérant que cette bande est couramment utilisée dans les liaisons à longue distance.Le système proposé est constitué d’une boucle fermée qui déclenche l’oscillation grâce aux sources de bruit des composants et module le VCSEL en fort signal pour générer des impulsions optiques (gain switching). Ces impulsions optiques, qui dans le domaine des fréquences correspondent à un peigne de fréquences optiques, sont détectées pour générer simultanément une fréquence fondamentale (déterminée par un filtre passe-bande) et plusieurs harmoniques.Le bruit de phase mesuré à10 kHz de la porteuse à1,25 GHz est de -127,8 dBc/Hz, et constitue la valeur la plus faible signalée dans la littérature pour cette fréquence et cette architecture.La gigue et la largeur d’impulsion optique ont été déterminées lorsque différentes cavités résonantes et différents courants de polarisation étaient utilisés.

Le nuage d'électrons se développant dans les chambres à vide du LHC lors de l'opérationdes faisceaux de protons engendre une charge thermique sur le système cryogénique deses aimants supraconducteurs. La valeur de cette charge thermique présente une fortedispersion entre les différents arcs du LHC, pourtant identiques par design, dont certainssont actuellement proches de la limite de la capacité cryogénique. Sous l'effet du nuaged'électrons, le conditionnement de la surface de cuivre des chambres à vide du LHCa lieu, réduisant son rendement d'électrons secondaires. Un tel processus est supposédécroitre l'activité du nuage vers un niveau acceptable pour l'opération du LHC et sembledonc localement mis en défaut. Ce travail a analysé les phénomènes de conditionnementdu cuivre ayant lieu dans le LHC afin d'expliquer les différences d'activités du nuageélectronique observées dans l'accélérateur. L'étude des mécanismes de conditionnementdu cuivre en laboratoire, à température ambiante, en remplaçant le nuage par un canon àélectrons, a mis en évidence le rôle crucial du carbone dans la décroissance du rendementd'électrons secondaires. L'étude du déconditionnement, ayant lieu à la remise à l'air d'unesurface irradiée (étape nécessaire à l'extraction de tubes faisceau du LHC) a permisd'établir une procédure limitant l'effacement de l'état de conditionnement in-situ de cescomposants en vue de l'analyse de leur surface en laboratoire. Des analyses réaliséessur des tubes faisceau extraits d'un aimant à faible charge thermique montrent que cessurfaces présentent des caractéristiques similaires à celles conditionnées en laboratoire.En revanche, les tubes faisceau extraits d'un aimant à forte charge thermique présententdu CuO ainsi qu'un taux de carbone surfacique extrêmement faible. Il est prouvé que cesmodifications résultent de l'opération du LHC et conduisent à un conditionnement altéréde ces surfaces. Ces modifications sont actuellement le meilleur candidat pour expliquerl'origine des différences de charge thermique observées dans le LHC.

Ce travail porte sur la modélisation pour la simulation et la prédiction des paramètres de performance des photodiodes à avalanche polarisée en mode Geiger en technologie CMOS, ou SPADs CMOS, pour Lidars spatiaux. Ce travail de thèse vise à développer une méthodologie basée sur : des modèles de la physique du semi-conducteur, des mesures fournissant des informations sur le procédé technologique visé et des outils commerciaux de simulation. Ceci, dans le but de simuler les paramètres de performance des SPADs en se rapprochant autant que possible de la réalité du procédé technologique afin d’améliorer les prédictions. Des SPADs ont été conçues et caractérisées de manière à acquérir les paramètres de performances et les confronter aux résultats de simulation pour valider notre approche.De plus, la conception des SPADs s’est faite en regard des spécifications Lidar du CNES et d’Airbus Defence and Space en vue d’obtenir des structures permettant d’améliorer nos connaissances en matière de : compréhension des mécanismes physiques, conception et méthode de caractérisation des SPADs CMOS. Ceci, dans l’intention d’étudier la possibilité d’intégrer ces détecteurs dans leurs futurs systèmes Lidars spatiaux.

L’objectif de cette thèse était le développement de modèles SET (Single Event Transient) et TID (Total Ionizing Dose) pour les MOSFETs de technologies fortement intégrées, reposant notamment sur la technologie SOI. Ces modèles devaient respecter les standards de la modélisation compacte afin d’assurer leur utilisation dans les simulateurs de circuits SPICE (ELDO, SPECTRE, PSPICE …) tout en assurant la justesse du contenu physique. Le langage d’implémentation est alors le Verilog-A. En 1A, l’investigation physique des SET a été effectuée à l’aide de simulations TCAD. Cette tâche a supporté le développement d’un premier modèle physique SET (validé par la TCAD) adapté aux technologies BULK.En 2A, le modèle physique a été rendu compact et implémenté en Verilog-A. Ce travail a nécessité le développement d’une méthode d’implémentation faisant appel à la considération d’un circuit électrique équivalent au phénomène SET. Le modèle ainsi implémenté en SPICE a été capable de prédire l’occurrence de SEUs (Single Event Upset) dans les mémoires et des erreurs plus fonctionnelles dans les registres à décalage. En parallèle, l’investigation physique du TID a été effectuée à l’aide simulations TCAD. Par ailleurs, les effets TID ont été modélisés et implémentés dans le modèle standard compact LETI – UTSOI décrivant le fonctionnement des transistors FDSOI. Le modèle a été validé à l’aide de simulations TCAD et a été utilisé pour extraire les paramètres TID sur des MOSFETs FDSOI irradiés au CEA/DAM.En 3A, un modèle compact SET pour technologies fortement intégrées (reposant sur la technologie SOI) a été développé. Ce modèle prend en compte l’amplification bipolaire inhérente à ce type de structure ainsi que la morphologie 3D de la charge générée par la particule ionisante. Des validations TCAD de ce modèle ont été effectuées. Par ailleurs, ce modèle SET a été interfacé avec le simulateur multi-physiques MUSCA SEP3 afin d’estimer le risque SEE sur des matrices mémoires FDSOI. L’apport du modèle SET a été mis en évidence dans la fiabilité de cette estimation.

Les contraintes imposées par la roadmap technologique nanométrique imposent aux fabricants de microélectronique une réduction de la variabilité de fabrication mais également de durcissement vis-à-vis des erreurs logiques induits par l’environnement radiatif naturel afin d’assurer un haut niveau de fiabilité. Certains travaux ont mis en évidence l'influence de la variabilité de fabrication et SET sur les circuits basés sur les technologies FinFET. Cependant jusqu’à lors, aucune approche pour les atténuer n’ont pu être présenté pour les technologies FinFET. Pour ces raisons, du point de vue de la conception, des efforts considérables doivent être déployés pour comprendre et réduire les impacts générés par ces deux problématiques de fiabilité. Dans ce contexte, les contributions principales de cette thèse sont: 1) étudier le comportement des cellules logiques FinFET en fonction des variations de fabrication et des effets de rayonnement; 2) évaluer quatre approches des durcissement au niveau du circuit afin de limiter les effets de variabilité (work-function fluctuation, WFF) de fabrication et des soft errors (SE); 3) fournir une comparaison entre toutes les techniques appliquées dans ce travail; 4) proposer le meilleur compromis entre performance, consommation, surface, et sensibilité aux corruptions de données et erreurs transitoires. Transistor reordering, decoupling cells, Schmitt Trigger, et sleep transistor sont quatre techniques prometteuses d’optimisation au niveau de circuit, explorées dans ce travail. Le potentiel de chacune d'elles pour rendre les cellules logiques plus robustes vis-à-vis variabilité de fabrication et de SE a été évalué. Cette thèse propose également une estimation des tendances comportementales en fonction du niveau de variabilité, des dimensionnements des transistors et des caractéristiques énergétique de particule ionisante comme transfert d'énergie linéaire. Lors de cette thèse, la variabilité de fabrication a été évaluée par des simulations Monte Carlo (MC) avec une WFF modélisé par une fonction Gaussienne utilisant le SPICE. La susceptibilité SE a été estimée à partir de d’outil de génération MC de radiations, MUSCA SEP3. Cet outil est basé sur des calculs MC afin de rendre compte des caractéristiques de l’environnement radiatif du design et des paramètres électriques des composants analysés. Les approches proposées par cette thèse améliorent l'état-de-l'art actuel en fournissant des options d’optimisation au niveau du circuit pour réduire les effets de variabilité de fabrication et la susceptibilité aux SE. La Transistor reordering peut augmenter la robustesse des cellules logiques pour une variabilité allant jusqu’à 8%, cependant cette approche n’est pas idéale pour la mitigation des SE. L’utilisation de decoupling cells permet de meilleurs résultats pour le contrôle de la variabilité de consommation avec des niveaux de variation supérieurs à 4%, et atténuant jusqu'à 10% la variabilité du délai pour la variabilité de fabrication de 3% de la WFF. D’un point de vue SE, cette technique permet une diminution de 10% de la sensibilité des cellules logiques étudiées. L’utilisation de structure Schmitt Triggers en sortie de cellule logique permet une amélioration allant jusqu’à 5% de la sensibilité à la variabilité de fabrication. Enfin, l’utilisation de sleep transistors améliore la variabilité de fabrication d'environ 12% pour 5% de WFF. La variabilité du délai dépend de la manière dont les transistors sont disposés au circuit. Cette méthode permet une immunité totale de la cellule logique y compris en régime near-threshold. En résumé, la meilleure approche de mitigation de la variabilité de fabrication semble être l’utilisation de structure Schmitt Triggers alors que l’utilisation de sleep transistors est le plus adapté pour l’optimisation de SE. Ainsi, selon les applications et contraintes, la méthode de durcissement par sleep transistors semble proposer le meilleur compromis.

Les transmissions optiques en espace libre pour des liaisons satellite-satellite ou satellite-sol sont en plein essor. Les systèmes les plus performants aujourd’hui reposent sur l’utilisation de laser à état solide ou d’émetteurs en configuration Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) comprenant une source laser, un modulateur externe et un amplificateur fibré type Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA). Ces deux types de sources laser présentent plusieurs inconvénients qui peuvent être rédhibitoires dans le cadre d’applications spatiales : poids et taille élevés, sensibilité aux radiations, forte consommation de puissance. C’est sur ce constat que s’appuie ce travail de thèse qui consiste en le développement de MOPA de haute puissance à 1,5μm intégrés monolithiquement sur InP. La thèse a vu la conception de deux types de MOPAs, l’un avec des guides en arête (shallow ridge) et l’autre avec des guides enterrés (Semi-Insulating Buried Heterostructure ou SIBH). Des simulations de propagation et de mode optique ont pu valider les dessins des guides. Ces MOPAs incluent un laser DFB, un modulateur à électro-absorption et un amplificateur évasé. Plusieurs angles d’évasement ont été testés. La fabrication en salle blanche des composants a permis plusieurs développements technologiques, notamment les étapes de fabrication de MOPA et de SOA évasés en SIBH. Les MOPA shallow ridge réalisés démontrent une puissance de 380 mW en CW et un fonctionnement monomode spectral. Des mesures de S21 ont ensuite été réalisées sur des MOPA et des SOA SIBH de puissance de structure similaire aux MOPA SIBH. Ces mesures ont permis le développement d’un modèle de fonction de transfert de SOA. Le modèle basé sur des paramètres mesurables donne une excellente concordance avec les mesures et permet de trouver le temps de vie des porteurs. Des mesures de diagramme de l’oeil sur des SOA modulés directement ont été effectuées. Bien que le taux d’extinction soit faible (<1 dB), la modulation à 5 Gbps ou 10 Gbps donne un oeil ouvert, limité par la puissance du générateur de signaux numériques. Ces résultats ouvrent la voie vers la recherche de points d’opération et de configurations optimales pour des MOPA et SOA pour des applications transmissions de données.

Due to expected capacity bottlenecks of exploited microwave technologies, feeder links for data relay or broadband access systems will require the implementation of high capacity optical communication links between space and the ground. In this context, it is necessary to detail the investigation of the optical technologies and techniques that could enable the transmission of high data rates at optical frequencies through the Earth’s atmosphere, with regard to all kinds of the atmospheric phenomena. In particular, the adverse effects of atmospheric turbulence fading are of special relevance to optical communication systems for ground-to-space uplink applications. Although previous studies and experiments have demonstrated the feasibility of such optical links at low data rate, research is still needed to identify technical solutions and strategies adapted to the specific constraints imposed to these high-speed links in order to ensure the required level of performance. Against this background, various test benches have been developed to characterize different modulations and detection techniques for optical communication systems prior to be incorporated in the conceptual design of future 1-Tb/s ground-space optical links. The expected performances of such experimental demonstration are derived based on simulation models taking into account the atmospheric turbulence effects, in order to prove the feasibility of reliable ground-to-space high date rate optical communication links. The main objective of this thesis is the investigation of the free space optical communication through the atmosphere under different turbulence regimes. Both simulation and experimental demonstrations of such communications are considered and the associated results are detailed.

L'étude des sols argileux fait l'objet de nombreux travaux motivés par leur rôle dans les processus d'érosion, les catastrophes naturelles et l'agriculture de précision. La caractérisation du contenu en argiles gonflantes du sol est aussi nécessaire pour évaluer la traficabilité d’une région ou le risque de retrait-gonflement des sols, responsable d’engendrer des dégâts sur le bâti. En effet, les argiles gonflantes sont des smectites qu'il faut différencier des autres types d'argiles telles que l'illite ou la kaolinite, en milieu tempéré. Les techniques traditionnelles pour réaliser la cartographie des minéraux argileux des sols sont en général couteuses, financièrement et en temps et sont basées sur des campagnes terrain intensives simultanément à des acquisitions photographiques afin de spatialiser l'information qui reste qualitative. La télédétection hyperspectrale est une technique potentiellement intéressante pour obtenir des cartes d'argile plus précises et à moindre coût. Néanmoins, elle est limitée par le fait que (i) les minéraux sont mélangés de manière intime dans les sols avec d’autres composants; mais aussi que (ii) à l’échelle aéroportée, le signal réfléchi au sein d’un pixel (résolution spatiale de l’ordre du mètre) comprend de la végétation en plus du sol nu. Ces phénomènes de mélange, aux échelles microscopique et macroscopique, rendent difficile l’estimation du contenu en argiles minéralogiques. Le développement des drones ainsi que leur possibilité d'embarquer de nouvelles caméras hyperspectrales couvrant l'ensemble du spectre [0,4 - 2,5 µm] avec une haute résolution spatiale (environ 10 cm) et un signal à bruit élevé ouvrent la voie à un inventaire plus précis des argiles.L'objectif de cette thèse est de montrer l'intérêt de l'utilisation de méthodes de démélange sur des données hyperspectrales à très haute résolution spatiale pour estimer le contenu en minéraux argileux du sol, et plus précisément des argiles responsables du retrait-gonflement, les smectites. Dans un premier temps, les méthodes existantes de détection, de caractérisation des différents types d'argile et d'estimation de leur abondance sont présentées. Les potentialités des méthodes de démélange existantes dans la littérature pour l’estimation du contenu en minéraux argileux des sols sont mises en avant. Dans un second temps, les méthodes de démélange sont utilisées sur une base de données d’images hyperspectrale acquises en laboratoire de mélanges contrôlés minéraux contenant des argiles (montmorillonite, illite, kaolinite) et d’autres minéraux présents dans les sols (quartz, calcite). Comme les minéraux sont mélangés de manière intime, des méthodes de démélange, linéaires et non-linéaires sont décrites et comparées. Néanmoins, les algorithmes non-linéaires ont des performances similaires aux algorithmes linéaires. De plus, l’effet de la variabilité des données sur la précision de l’estimation des abondances a pu être réduit en utilisant des prétraitements spectraux. Dans une dernière étape, la comparaison des méthodes de démélange sont étendues à des mesures en environnement extérieur. Cette analyse repose sur une campagne de mesure en extérieur réalisée pour la mesure d'images hyperspectrales acquises depuis une nacelle (12 m de hauteur environ, 1,5 cm de résolution spatiale), et l’acquisition d’échantillons prélevés et analysés par DRX (données quantitatives des abondances des minéraux) pour validation. Cette dernière phase permet d'analyser l'impact d'un sol naturel (composé d'un mélange minéralogique, des matières carbonées telles que la cellulose, et ayant une rugosité de surface…) sur les méthodes de démélange. Les performances obtenues (moins de 15% RMSE sur l’estimation de la montmorillonite) permettent d’ouvrir des perspectives quant à l’application de ces méthodes sur des capteurs embarqués par drone, pour la cartographie de la traficabilité et de l’aléa de retrait-gonflement des sols.