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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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18201
15/08/2018

Passive and Chipless Packaged Transducer for Wireless Pressure Measurement

J.PHILIPPE, R.DE PAOLIS, C.ARENAS BUENDIA, D.HENRY, A.COUSTOU, A.RUMEAU, H.AUBERT, P.PONS

MINC, I2C

Revue Scientifique : Sensors and Actuators A: Physical, Vol.279, pp.753-762, Août 2018 , N° 18201

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01838614

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Abstract

A new microwave fully passive, chipless and packaged sensor for wireless pressure monitoring in harsh environments (such as, extreme temperature, radioactive and/or toxic environments) is proposed in this paper. The sensor consists of a planar microstrip resonator, which is electromagnetically coupled with a high resistivity and thin silicon membrane. Prototypes have been designed and fabricated using a photoresist intermediate layer for the silicon membrane bonding. The electromagnetic simulation of the system is also performed in order to predict the transducer performances. Measurement results using the packaged sensor are provided to experimentally validate the simulation results and the manufacturing process.

144133
18199
06/07/2018

Efficacité énergétique des architectures de communication sans fils IR-UWB pour les réseaux de capteurs sans fil

B.BENAMROUCHE

MINC

Doctorat : INSA de Toulouse, 6 Juillet 2018, 121p., Président: P.PONS, Rapporteurs: L.FRESQUET, L.DOBRESCU, Examinateurs: N.VARACHIU, A.GHIOTTO, Directeurs de thèse: D.DRAGOMIRESCU , N° 18199

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Abstract

This Ph.D. Subject proposes the design of a new generation of wireless sensor networks (WSN) based on impulse radio ultra-wide band (IR-UWB), reconfigurable upon the application, reliable and ultra-low power. Applications like structure health monitoring of aerospace structures or portable smart sensing systems for human protection can be targeted. These industrial applications impose very demanding specifications for the wireless communication protocol (in some cases, new services are needed like: localization, clock synchronization, real-time transmission, etc) on one side, and for the circuit design, on the other side, as the ultra-low power circuits are needed. Energy efficiency is the major driver in today development of the wireless sensor networks. We chose impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) technique for our developments. IR-UWB is a very promising technique able to respond to the wireless communication protocol constraints and to energy efficiency constraints.! The objective of this Ph.D. will be to design an ultra-low power IR-UWB transceiver. IR-UWB signal processing techniques has to be study and innovator solution has to be proposed for the implementation of the IR-UWB transceiver. The first prototype will be developed on FPGA boards (and/or USRP boards) and the final IR-UWB transceiver will be an ASIC in CMOS technology. The design of an ultra-low power consumption of the CMOS transceiver will be a major concern. Modern ultra-low power circuit techniques from the nanometrics CMOS design kits will be used. MAC layer adapted to the demands of the application and working on IR-UWB physical layer will be also studied and designed. A microprocessor integration on the chip for power management of the different parts (sensor, communication, computing, energy harvesting) of the system can also be studied. This work will be based on the previous research results obtained in our team in the case of static WSN. This work will take plac! e in the highly stimulating and competitive environment of a E! uropean project.

Résumé

Le sujet de thèse propose une nouvelle génération de réseaux de capteur sans fil base sur impulse radio ultra wide bande (IR-UWB) reconfigurable suivant l'application souhaitée et a très basse consommation. Le dispositif peut être utilisé dans différents domaines comme l’aéronautique et l’aérospatiale. Ces applications industrielles imposent des spécifications très exigeantes pour le protocole de communication sans fil (dans certains cas, de nouveaux services sont nécessaires comme : la localisation, la synchronisation de l'horloge, la transmission en temps réel, etc.) D'un cote, et pour la conception de circuits, de l'autre cote, les circuits de puissance ultra-faible sont nécessaires. La consommation énergétique d’un système de communication sans fil est la contrainte majeure pour le déploiement d’un réseau de capteurs sans fil autonome. Les travaux de recherche présente dans cette thèse ont menés au développement d’un émetteur-récepteur à très faible consommation d’énergie pour les réseaux de capteurs sans fil autonome pour des applications de structural Heath monitoring dans des domaines aéronautique. Une description est faite pour les différents types de technologie de communication sans fil pour la surveillance des structures (SHM), la technologie ultra large bande (UWB) et les régulations en bande autorisée dans le monde, quelles sont les différents application ciblées par de tels technologie en se concentrant sur les système de surveillance des structure pour le domaine aéronautique. Nous avons détaillé la communication sans fil ultra large bande (UWB) en présentant la technique de communication sans fil UWB par ! impulsion avec les avantages qu’elle offre pour notre application et illustrer les travaux existant actuellement. Une présentation est faite de l’architecture de l’émetteur-récepteur IR-UWB conçu en détaillant le design complet avec l’intégration de la solution proposée clock-gating pour un système à une grande efficacité énergétique avec une implémentation et validation d’un prototype sur une plateforme FPGA. Une description de la conception et la fabrication d’un système sur puce ASIC de notre design d’émetteur-récepteur IR-UWB avec la technologie CMOS 65nm de st microélectronique et les avantages qu’il offre que ça soit en terme d’efficacité énergétique ou de taille de système.

Mots-Clés / Keywords
Fatigue structurelle; Réseau de capteurs sans fil; Émetteur-récepteur IP-UWB; FPGA; ASIC; Faible consommation; Structural health monitoring; Wireless sensor network; IP-UWB Transceiver; Energy efficient;

144115
18173
06/07/2018

Optics at the service of geoscience: high-precision fiber interferometer development for applications in geophysics and industry

HC.SEAT, M.CATTOEN, O.BERNAL, F.LIZION, G.RAVET, L.MICHAUT, J.CHERY, F.BOUDIN, P.BERNARD, C.BRUNET, P.CHAWAH, G.PLANTIER, A.SOURICE, S.GAFFET, D.BOYER, A.CAVAILLOU

OSE, IDEA, Geoscience, CNRS, ENS Paris, IPGP, LAUM, LSBB, CNRS

Manifestation avec acte : Congrès Optique ( OPTIQUE ) 2018 du 03 juillet au 06 juillet 2018, Toulouse (France), Juillet 2018 , N° 18173

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01821112

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143921
18172
01/07/2018

Anisotropy in the wet thermal oxidation of AlGaAs: influence of process parameters

G.LAFLEUR, G.ALMUNEAU, A.ARNOULT, H.CAMON, S.CALVEZ

PHOTO, TEAM

Revue Scientifique : Optical Materials Express, Vol.8, N°7, pp.394-396, Juillet 2018 , N° 18172

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01810561

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Abstract

The crystallographic anisotropy of the lateral selective thermal oxidation of AlGaAs alloys is experimentally studied. The anisotropic behavior of this oxidation process, used primarily for building a lateral confinement in vertical surface emitting lasers (VCSEL), is quantified by varying different process parameters and the geometrical shapes of laterally oxidized mesa structures. This experimental study aims to have a better control of the oxide aperture shape used in oxide-confined photonics devices.

143919
18150
01/07/2018

Modelling anisotropic lateral oxidation from circular mesas

S.CALVEZ, G.LAFLEUR, A.ARNOULT, A.MONMAYRANT, H.CAMON, G.ALMUNEAU

PHOTO, TEAM

Revue Scientifique : Optical Materials Express, Vol.8, N°7, pp.1762-1773, Juillet 2018 , N° 18150

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01809678

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Abstract

In this paper, an iterative method to model the anisotropic lateral oxidation of circular structures is proposed and validated by confrontation to experimental data. The described model enables the efficient calculation of the temporal bi-dimensional evolution of the oxidation front shape, starting from a circular mesa, and progressing inward as a result of an anisotropic process combining an isotropic diffusion with an anisotropic reaction. The result of the developed model shows that the oxide aperture smoothly deforms from a circle to become more diamond-like, mimicking the experimental situation encountered when fabricating vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) on (100) wafers or, more generally, when oxidizing circular mesas of aluminum-containing III-V semiconductor on similarly oriented substrates.

143824
18102
01/06/2018

Coupled-mode analysis of vertically-coupled AlGaAs/AlOx microdisk resonators

C.ARLOTTI, G.LAFLEUR, A.LARRUE, P.F.CALMON, A.ARNOULT, G.ALMUNEAU, O.GAUTHIER-LAFAYE, S.CALVEZ

PHOTO, TEAM

Revue Scientifique : IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.54, N°3, Juin 2018 , N° 18102

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01741465

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Abstract

This article reports the experimental and theoretical assessments of the optical characteristics of recently-introduced vertically-coupled microdisk resonators made by selective oxidation of AlGaAs multilayer structures. Experimental measurements show that the Q-factors are in the 10 3 to 10 4 range for diameters ranging from 75 to 300 µm. To establish the origins of this limited performance a coupled-mode-theory-based model of the single-access-waveguide-coupled resonator system was developed. It includes features which are specific to oxide-based vertically-coupled resonators, namely losses towards the slab waveguide lying under the resonator and a coupling region with an asymmetric and multilayer structure. Setting this simulation tool required the proposal and validation of a general criterion to select an appropriate set of decomposition permittivity profiles to be able to accurately model the characteristics of these more complex couplers using the coupled-mode-theory approach. This theoretical development is generic and can be now deployed to simulate any device which includes multi-waveguide couplers with arbitrary piece-wise-constant profile of the dielectric permittivity. Exploiting this particular development and experimental measurements of the disk sidewall roughness and of the coupling lengths, the calculated and experimental Q-factors are found to be in good agreement and allow establishing that the current performance is limited by the scattering losses and the slab-leakage losses for small-and large-diameter devices respectively.

143354
18115
01/06/2018

High-Performance Compact 3-D Solenoids for RF Applications

A.CAYRON, C.VIALLON, O.BUSHUEVA, A.GHANNAM, T.PARRA

MOST, 3DiS Technologies

Revue Scientifique : IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol.28, N°6, pp.479-481, Juin 2018, doi 10.1109/LMWC.2018.2831438 , N° 18115

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01778992

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Abstract

A cost-effective technology is proposed for the integration of very compact and high-performance 3-D solenoid inductors. Based on a two metal level process, it involves a 3-D copper electroplating step for simultaneous integration of vertical and upper sections of coils. Several solenoids fabricated on a glass substrate and ranging from 2.3 nH to 9.5 nH are presented. The best performance is experimentally achieved by a 3-turn 3 nH inductor showing a maximum Q-factor of 58 at 5.6 GHz and a self-resonant frequency of 19 GHz. The best inductance density of 63 nH/mm 2 is reached by an 8-turn 9.5 nH solenoid.

143955
18161
29/05/2018

Imagerie radar en ondes millimétriques appliquée à la viticulture

D.HENRY

MINC

Doctorat : 29 Mai 2018, 212p., Président: C.LUXEY, Rapporteurs: L.FERRO-FAMIL, C.MIGLIACCIO, Examinateurs: S.BILA, A.GHIOTTO, R.ROUVEURE, Directeurs de thèse: H.AUBERT , N° 18161

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Abstract

With the expansion of farm operations, the principle of homogeneity of crop yields (cereals, fruits …) becomes less and less relevant. This observation of spatial variabilities implies economic and environmental consequences with the development of new arrangements of agricultural works such as “site-specific management”. Treatments such as fertilizers, nutrients and pesticides must be used differently by applying them at the right time, right place and right rate. This new way to think the agriculture is called precision agriculture (PA) and gathers four technological fields: (i) remote sensing, (ii) navigation and guidance, (iii) data management and (iv) variable-rate technologies. Precision viticulture (PV) is an application of PA which was initiated in the late 90’s and is characterized by issues specific to viticulture. Work carried out during this thesis is a direct application of remote sensing (or proximal sensing) applied to PV. It focuses on a new method of remote sensing of grapes quantity (mass or volume) directly on vine plants. Estimating the quantity of grapes several weeks before harvesting offers many advantages with qualitative and economic impacts such as: (i) improving the yield / quality ratio with an early removal of a part of the harvest, (ii) optimizing human resources and equipment during the grape harvest, and (iii) be fairly compensated by insurances in case of severe weather conditions that damaged the vine plants. The method proposed here relies on microwave imagery (24 GHz and higher) generated by a FM-CW radar. It implies the set-up of ground-based remote reading system for a plant-by-plant intra-parcel analysis and particularly: (i) evaluating the measurement accuracy, precision and limits of the system, (ii) developing specific algorithms in order to analyze three-dimensional volume data, (iii) building statistical estimators for retrieving the volume of grapes and finally (iv) analyzing data acquired during field measurements. Because of the seasonality of the grape harvest, measurements are firstly performed on canonic targets, variable loads and passive sensors in laboratory. To enlighten the flexibility of the radar interrogation technique, the same system is also used as part of the regional project PRESTIGE to remotely count the number of apples on trees in orchards. This work has been funding by the company Ovalie-Innovation and the ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

Résumé

Avec l’expansion des exploitations agricoles, le principe d’homogénéité du rendement (céréales, fruits…) devient de moins en moins pertinent. Ce phénomène de variabilité spatiale implique des conséquences économiques et environnementales avec le développement de nouveaux concepts agricoles comme les « site-specific management » (gestion spécifique des parcelles). Les traitements tels que les fertilisants, les intrants et autres pesticides doivent être utilisés de manière différente en les appliquant au bon endroit, à la bonne période et au bon taux. Cette nouvelle façon de penser l’agriculture fait partie de l’agriculture de précision (PA) et se concentre en quatre domaines technologiques : (i) la télédétection, (ii) la navigation et guidage, (iii) la gestion des données et (iv) les technologies à taux variable. Initiée à la fin des années 1990, la viticulture de précision (PV) est une branche particulière de la PA, caractérisée par des problématiques spécifiques à la viticulture. Les travaux effectués durant cette thèse entrent dans le cadre de la télédétection (ou détection proche) appliquée à la PV. Ils se focalisent sur une nouvelle méthode d’estimation de la quantité de grappes (masse ou volume) directement sur les plants de vignes. Pouvoir estimer le rendement des vignes plusieurs semaines avant la récolte offre de nombreux avantages avec des impacts économiques et qualitatifs, avec par exemple : (i) l’amélioration du rapport rendement/qualité en supprimant au plut tôt une partie de la récolte, (ii) l’optimisation des ressources humaines et la logistique à la récolte, (iii) un remboursement le plus équitable par les assurances en cas d’intempéries qui endommageraient les pieds de vignes. La méthode proposée ici repose sur l’imagerie microondes (à 24GHz ou des fréquences plus élevées) générée par un radar FM-CW. Elle implique la mise en place d’un système d’interrogation intra-parcellaire « pied par pied » à distance basé au sol, et en particulier : (i) l’évaluation de la précision des mesures et les limites du système, (ii) le développement d’algorithmes spécifiques pour l’analyse de données tridimensionnelles, (iii) la construction d’estimateurs pour retrouver le volume des grappes, et finalement (iv) l’analyse des données recueillies pendant les campagnes de mesures. Dû au caractère saisonnier des récoltes, les mesures sont en premier lieu effectuées sur des cibles canoniques, des charges variables et des capteurs passifs en laboratoire. Pour mettre en avant la flexibilité de cette interrogation radar, le même système est utilisé en parallèlement dans le cadre du projet régional PRESTIGE, pour compter à distance le nombre de pommes présentes sur les pommiers en verger. Ces travaux ont été financés par l’entreprise Ovalie-Innovation et l’ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

Mots-Clés / Keywords
Capteurs passifs; Imagerie radar; Radar micro-ondes; Télédétection; Viticulture de précision; Millimeter-wave radar; Passive sensors; Precision viticulture; Radar imagery; Remote sensing;

143855
18208
25/05/2018

Active control of light extraction in the near-IR range with sub-wavelength periodic structures

A.HELIOT, S.PELLOQUIN, O.GAUTHIER-LAFAYE, A.MONMAYRANT, H.CAMON, T.GACOIN, K.LAHLIL, L.MARTINELLI, C.BIVER, S.ARCHAMBEAU

PHOTO, LPMC, Essilor Int, Tlse

Manifestation avec acte : Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS ( DTIP ) 2018 du 22 mai au 25 mai 2018, Rome (Italie), Mai 2018 , N° 18208

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01842005

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Abstract

Due to their narrow reflection peak as well as their compact structure, Guided Mode Resonance Filters (GMRFs) are attractive for many applications. We demonstrate the possibility to modulate the properties of a GMRF by associating with liquid crystals (LCs). By impregnating the diffraction grating with LCs, it is possible to switch between an active and an inactive state depending on the polarization of the light or the applied voltage. In this paper we fabricated and characterized the first diffraction order of LC-impregnated gratings with different periods (0,8 to 5,0μm) and depths (130 to 840nm) to test the ability of liquid crystals to adjust the diffraction properties. Finally, 99.8% of diffraction turn off with a 90° rotation polarization at zero voltage and 90 to 99% by applying a voltage of 30 V according to the grating dimensions. The effect of the grating dimension on the diffraction modulation capacity will be discussed.

144197
18127
22/04/2018

Design of an Electro-absorption modulator for integration onto a VCSEL

L.MARIGO-LOMBART, S.CALVEZ, A.ARNOULT, A.RUMEAU, C.VIALLON, H.THIENPONT, G.ALMUNEAU, K.PANAJOTOV

PHOTO, TEAM, I2C, MOST, Bruxelles

Manifestation avec acte : SPIE Photonics Europe. Semiconductor Lasers and Laser Dynamics VII ( SPIE photonics ) 2018 du 22 avril au 26 avril 2018, Strasbourg (France), Avril 2018, 2p. , N° 18127

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01780281

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Abstract

In this work, we have realized a complete optimization cycle from structure design, fabrication to devices characterization, and finally analysis b ased on our model of Asymmetric - Fabry - Perot vertica l electro - absorption modulator. In order to achieve enhanced dynamic absorption effect with a minimized number of MQW, we used a perturbative quantum - confined Stark - effect based on a simple absorption mode l and transfer matrix calculations and optimize the modulation figures of merit as a function of different design parameters under varying applied electrical fields. The epitaxial growth by MBE of different EAM and EAM - VCSEL structures has been done, supp orted by intermediate optical measurements enabling to identify the EAM cavity and VCSEL cavity respective positions. Finally, first static characterizations are done and demonstrate the expected modulation properties of the device. A very good agreement of theoretical predictions for both the effect of the applied field and the temperature on the excitonic peak position and the Fabry - Perot shift experimentally measured on different fabricated EAM structures has been achieved. Thanks to th is, we are now able to design an optim al VCSEL structure with integrated electro - absorption modulator . To aim for very high frequency efficient electrical injection we focused also on the BCB characterization up to 110 Ghz and the injection scheme de sign specific to this triple electrode device. These measurements are of high interest for the optimum design of the access while considering the parasitic effects. We then compare coplanar and micro strip lines access, with a taper or not, to decrease the pad capacitance and so increase the cut - off frequency.

143573
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