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Superconducting circuits stand among the most advanced quantum information processing platforms. They have nowadays reached a maturity that offers a high level of controllability and a large variety of interactions that can be precisely designed on demand. The Josephson mixer is one such superconducting device that performs three-wave mixing at microwave frequencies. In this thesis, we describe three experiments in which the Josephson mixer was used for different applications. First, we have realized an effective ultrastrong coupling of two bosonic modes that allowed us to study the ground state properties of this system, such as the single mode and the two mode squeezing of the emitted radiation. Second, we have built a quantum node, able to generate and distribute entanglement over a microwave quantum network, as well as to store and release quantum information on demand. We have integrated an ancilla qubit to this device in order to increase the degree of control over the quantum state of the system. Finally, we have pushed the Josephson mixer beyond the parametric oscillation instability threshold, where we have demonstrated an atypical injection locking technique that relies on coherent frequency conversion in this non-degenerate device., Les circuits supraconducteurs sont parmi les technologies de l'information quantique les plus avancées. Ils ont aujourd'hui atteint la maturité qui offre un grand degré de contrôle et une large gamme d'interactions qui peuvent être précisément réalisées sur mesure. Le mixeur Josephson est un exemple de circuit supraconducteur qui effectue le mixage à trois ondes aux fréquences micro-ondes. Dans cette thèse, trois expériences, où le mixeur Josephson est utilisé pour trois applications différentes sont décrites. D'abord, nous avons réalisé le couplage ultrafort effectif entre deux modes bosoniques afin d'étudier les propriétés de l'état fondamental de ce système, tels que le squeezing à un mode et à deux modes du champ radié. Ensuite, nous avons construit un nœud quantique, capable de créer et distribuer de l'intrication sur un réseau quantique micro-onde, alors que de stocker et relâcher de l'information quantique à demande. Nous avons intégré un qubit de mesure dans ce dispositif pour augmenter le degré de contrôle sur son état quantique. Finalement, nous avons poussé le mixeur Josephson au delà du seuil de l'oscillation paramétrique, où nous avons démontré une technique inhabituelle de verrouillage par injection en conversion de fréquence dans ce dispositif non-dégénéré.

Superconducting circuits stand among the most advanced quantum information processing platforms. They have nowadays reached a maturity that offers a high level of controllability and a large variety of interactions that can be precisely designed on demand. The Josephson mixer is one such superconducting device that performs three-wave mixing at microwave frequencies. In this thesis, we describe three experiments in which the Josephson mixer was used for different applications. First, we have realized an effective ultrastrong coupling of two bosonic modes that allowed us to study the ground state properties of this system, such as the single mode and the two mode squeezing of the emitted radiation. Second, we have built a quantum node, able to generate and distribute entanglement over a microwave quantum network, as well as to store and release quantum information on demand. We have integrated an ancilla qubit to this device in order to increase the degree of control over the quantum state of the system. Finally, we have pushed the Josephson mixer beyond the parametric oscillation instability threshold, where we have demonstrated an atypical injection locking technique that relies on coherent frequency conversion in this non-degenerate device.; Les circuits supraconducteurs sont parmi les technologies de l'information quantique les plus avancées. Ils ont aujourd'hui atteint la maturité qui offre un grand degré de contrôle et une large gamme d'interactions qui peuvent être précisément réalisées sur mesure. Le mixeur Josephson est un exemple de circuit supraconducteur qui effectue le mixage à trois ondes aux fréquences micro-ondes. Dans cette thèse, trois expériences, où le mixeur Josephson est utilisé pour trois applications différentes sont décrites. D'abord, nous avons réalisé le couplage ultrafort effectif entre deux modes bosoniques afin d'étudier les propriétés de l'état fondamental de ce système, tels que le squeezing à un mode et à deux modes du champ radié. Ensuite, nous avons construit un nœud quantique, capable de créer et distribuer de l'intrication sur un réseau quantique micro-onde, alors que de stocker et relâcher de l'information quantique à demande. Nous avons intégré un qubit de mesure dans ce dispositif pour augmenter le degré de contrôle sur son état quantique. Finalement, nous avons poussé le mixeur Josephson au delà du seuil de l'oscillation paramétrique, où nous avons démontré une technique inhabituelle de verrouillage par injection en conversion de fréquence dans ce dispositif non-dégénéré.

With the aim to put forward an alternative renewable and large-scale energy source to Mankind P. Glaser presented the project of Solar Power Satellite to the american spatial agency. This scheme consists in collecting directly in space the solar energy before being targeted on a terrestrial reception base by means of a focused microwave beam. This principle is founded on the concept of Wireless Power Transportation (WPT). To complete this project successfully, a preliminary “earthwork” strategy is adopted by the international researchers community, before upgrading to a spatial project. In terrestrial point-to-point WPT systems prototypes or proposals, one of the preferred microwave power projection system consists in a phased array antenna supplied by individual mid-power range microwave sources : magnetron. To be efficiently coupled to projecting systems and to allow electronic steering and beam-forming, magnetrons have to be synchronised to a reference frequency and controlled in phase and amplitude. For this purpose, this research work presents a new approach of the control of the output parameters of an injection locked magnetron. In order to take into account the non linear behaviour of this microwave tube, an hybrid control strategy was designed to control the amplitude and frequency of a magnetron in fixed-load operations. This control algorithm involves a non linear artificial neural network modelling the plant inversion mapping, in combination with a classical linear PID feedback controller. Supervised and Generalized learning with experimental databases collected from a magnetron measurement bench developed in our laboratory was adopted to identify the neural controller. A dynamical control architecture, which switches either on a non linear control loop or a classical linear PID feedback loop, allows to drive the frequency and amplitude of the magnetron, while its phase remains steady, all over the injection locking bandwith., Présenté initialement à l'agence spatiale américaine par P. Glaser comme une source potentielle d'énergie alternative renouvelable et propre, le projet de Centrales Solaires Orbitales est basé sur le concept de Transport d'Energie Sans Fil (TESF). Le principe consiste à collecter directement dans l'espace l'énergie solaire, puis à la transmettre vers une base de réception terrestre, via un faisceau hyperfréquence. Dans le cadre des actions menées dans le domaine du TESF au niveau terrestre, une solution technologique permettant de répondre au cahier des charges imposé au système d'émission a retenu notre attention : mettre en oeuvre un réseau d'antenne phasé alimenté par des magnétrons de moyenne puissance. Dans cette optique, ce travail de recherche présente une approche originale du contrôle des grandeurs de sortie d'un magnétron opérant en situation de verrouillage par injection. Afin de prendre en compte le comportement non linéaire du magnétron, une stratégie de contrôle hybride a été mise en oeuvre pour le contrôle de la fréquence et de l'amplitude d'un magnétron de moyenne puissance (2.45 GHz) verrouillé par injection et débitant sur une charge fixe. L'aspect hybride est constitué par l'association d'un algorithme de Contrôle Direct Inverse impliquant un réseau de neurones non linéaires modélisant la fonction de transfert inverse du magnétron, avec un correcteur linéaire en boucle fermée de type PID. Le développement d'un dispositif de caractérisation expérimentale d'un magnétron verrouillé par injection a permis de collecter des bases de mesures nécessaires à un apprentissage supervisé et généralisé pour l'identification du contrôleur neuronal. Les meilleures performances en terme de conduite du magnétron ont été obtenues avec une boucle de contrôle effectuant une permutation dynamique entre le correcteur neuronal non linéaire et le correcteur linéaire PID tout en assurant une stabilité de la phase sur l'ensemble de la bande de verrouillage

This thesis deals with the analysis and design of Low phase Noise Local-Oscillator(LO) sources suitable for backhauling applications on the frequencies 30-38GHz. The LO is intended to be used in a low-IF architecture for low order modulations (2-3 bits/symbol). This work was developed in collaboration with NXP Semiconductorsat CAEN, France, within the project RF2THz of the European program CATRENE.The original contributions in this work include a rigorous study of the 1/f2 phasenoise characteristics of the VCO (bipolar cross-coupled pair Voltage-Controlled-Oscillator) with the oscillating frequency. Key factors in the design of VCOs such as tuning range and the tank load given by the cross-coupled pair are considered in the analysis. The study reveals that as the frequency scales, the VCO passes through two different zones, named the QL-limited and the QC-limited region, that results from the dependence of the resonator quality factor on its inductive part (for low oscillating frequencies) and its capacitive part (for high oscillating frequencies). Moreover, the impact of the tuning range on the 1/f2 phase noise evolution was captured by using a classical circuit based on an AC-coupled varactor and a MiM capacitor. Simple and accurate equations were derived for the circuit parameters in order to achieve a desired central frequency with the required capacitance variation. For this circuit, it is demonstrated (and verified through circuit simulations) that the lowest quality factor scenario can be associated to the time-constant of a lossy capacitor. The latter allows to estimate easily the minimum quality factor of the capacitive part of the VCO LC tank, for a given tuning range, as a function of the oscillating frequency. In a similar way, and based on a small signal analysis, the time-constant of the output capacitance of the bipolar cross-coupled pair was derived. Interesting, this time constant shows a constant behavior over a wide frequency range, thereby allowing to estimate easily its quality factor. This study set the bases for an analytical framework that enables the evaluation of the 1/f2 phase noise performances of local oscillator sources working either on fundamental,super-harmonic or sub-harmonic mode. The superiority in terms of 1/f2 phase noise of local oscillators based on sub-harmonic oscillators is thus demonstrated and simple equations are derived to determine the maximum performance and the conditions on which this can be achieved. Finally, a signal generation system intended for a low-IF point-to-point fixed radio system in the Ka-Band band is thus designed and verified through prototype measurements.The system is composed by a sub-harmonic VCO followed by an injectionlocked frequency tripler (ILFT) and it is designed in a 0.25m BiCMOS SiGe:C technology. The ILFT implements a cascode current-biased common emitter configuration that exploits the second harmonic of the VCO to enhance the efficiency in the generation of the injecting signal responsible for the ILFT locking. At 30.8GHz, the system achieves a phase noise of -112dBc/Hz at 1MHz offset. The total current consumption is 38mA for a supply voltage of 2.5V. A second prototype is designed for a multiband LO generation, providing thus three RF outputs at 18GHz, 34GHz and 68GHz. With a measured tuning range of 10% for each RF output, the measured phase noise at 1MHz is -113dBc/Hz, -107dBc/Hz and -100dBc/Hz respectively., Cette thèse porte sur l’analyse et la conception de générateurs de fréquence millimétrique à faible bruit de phase destinés à des applications de communication sans fil de très haut débit sur une technologie BiCMOS 0.25m. Spécifiquement, des applications backhauling sont visées sur le protocole de communication P2P (point-to-point), pour un système de radio hétérodyne (à faible fréquence intermédiaire) approprié pour les bandes entre 30–38GHz et de faible profondeur de modulation (2-3 bits /symbole). Une étude rigoureuse du comportement du bruit de phase en 1/f2 d’un oscillateur contrôlé en tension (du type paire différentielle croisée) en fonction de la fréquence d’oscillation est développée. Des facteurs essentiels pour la conception de ces oscillateurs tels que la plage de fréquence et la charge de la paire croisée sur le résonateur sont pris en compte dans l’analyse. L’étude révèle que lorsque la fréquence augmente, l’oscillateur passe à travers deux régimes d’opération différents, ici appelés région QL-limited et région QC- limited, qui résultent de la dépendance du facteur de qualité du résonateur à sa partie inductive (pour les basses fréquences d’oscillation) et sa partie capacitive (pour les hautes fréquences d’oscillation). De plus, l’impact de la plage de fréquence sur l’évolution du bruit de phase en 1/f2 a été considéré en utilisant un circuit classique à base d’un varactor et d’un condensateur du type MiM. Des équations simples et précises ont été calculées pour les paramètres du circuit afin d’obtenir une fréquence centrale souhaitée avec la variation de la capacité requise. Pour ce circuit, il a été démontré (et vérifié à travers des simulations du circuit) que le pire scénario du facteur de qualité peut être associé à la constante de temps d’un condensateur. Ce dernier a permis d’estimer aisément le facteur de qualité minimal de la partie capacitive du résonateur LC de l’oscillateur, pour une plage de fréquence donnée, en fonction de la fréquence d’oscillation. D’une manière similaire, et basée sur une analyse à petit signal, la constante de temps de la capacité de sortie de la paire croisé a été déterminée. Notamment cette constante de temps présente un comportement constant sur une large gamme de fréquences, ce qui permet d’évaluer facilement son facteur de qualité. Cette étude fournit les bases théoriques qui permettent l’évaluation du bruit de phase en 1/f2 d’une source de signal basée sur un oscillateur en mode fondamental, super-harmonique ou sous-harmonique. En effet, la supériorité des oscillateurs sous-harmoniques est démontrée et des équations simples sont proposées pour déterminer la performance maximale et les conditions dans lesquelles elles peuvent être atteintes. Enfin, un système de génération de signal est ainsi conçu et vérifié par des mesures sur un prototype. Le système est composé d’un VCO sous-harmonique suivi d’un tripleur de fréquence (ILFT) –verrouillé par injection. Le circuit est implémenté sur une technologie SiGe:C BiCMOS 0.25 m. Le tripleur implémente une configuration à émetteur commun, polarisé en courant, qui exploite la seconde harmonique du VCO afin d’améliorer l’efficacité de la génération du signal responsable de verrouiller le ILFT. A 30.8 GHz, le système atteint un bruit de phase de -112 dBc/Hz à 1MHz d’offset. La consommation totale de courant est de 38mA pour une tension d’alimentation de 2.5V. Un deuxième prototype a été réalisé pour un système de génération multibande, offrant ainsi trois sorties RF à 18 GHz, 34GHz et 68 GHz. Avec une plage de fréquence de 10% (mesurée par rapport à la fréquence centrale) pour chaque sortie RF. Le bruit de phase mesuré à 1MHz d’offset est respectivement de -113dBc/Hz, -107dBc/Hz et -100dBc/Hz..

The distributed optical-fibre sensors based on the properties of Brillouin scattering is the central object of this thesis. In the past decade, optical fibres have gained a large interest as sensors: attractive solutions based on the non-linear stimulated Brillouin scattering have been proposed in the early 90s and the possibility to achieve long-range fully distributed strain measurements has been extensively demonstrated. The Brillouin interaction is responsible for the coupling between two optical waves and an acoustic wave when a resonance condition is fulfilled. Since the resonance condition is strain and temperaturedependent, by determining the resonance frequency we directly get a measure of temperature or strain. Local information about the acousto-optical resonance condition is typically obtained by using pulsed lightwaves and a classical time-of-flight technique (BOTDA technique). The main goal of this work has been the development of an innovative technique for the generation of optical signals, using a set of locked lasers – instead of the traditional techniques using external modulators. The utilisation of the injection-locking of semiconductor lasers is the key of the entire set-up and represents an entirely new and original approach, since it brings significant improvements in terms of SNR and costs. As long as intense pulses propagate along the fibre, the optical signals can be seriously degraded by several nonlinear interactions occurring inside the fibre; we show that the nonlinear effect exhibiting the lowest threshold power is the modulation instability (MI) process. From the study of the dynamic behaviour of MI we could observe the Fermi-Pasta-Ulam (FPU) recurrence over few periods in very comfortable conditions. One original application of Brillouin sensing has been the dosimetric measurement of ionising radiations in a nuclear environment. The measurement campaign has not only shown that distributed sensors based on Brillouin spectral analysis are radiation tolerant up to very high doses, but has also revealed the first observation – to our knowledge – of the negative compaction of silica in fibres. Distributed fibre sensors based on stimulated Brillouin scattering offer a unique capability for the analysis of optical signals and nonlinear phenomena in optical fibres. We present a generalised theoretical approach to the problem of localised sensing and report on the first distributed measurement – to our knowledge – of the parametric gain in a single-pump fibre-optics parametric amplifier (FOPA).