Les systèmes de télécommunication de type radio logicielle ou "Software Defined Radio" (SDR) exploitent les techniques numériques qui permettent leur reconfigurabilité, que ce soit en termes de fréquence, de bande passante utilisée, ou de méthode de modulation/démodulation des signaux. Ceux-ci nécessitent des architectures permettant la numérisation des signaux analogiques RF à des fréquences d'échantillonnage de plusieurs dizaines de GHz, avec des bandes passantes de plusieurs dizaines de MHz et une résolution supérieure à 10 bits. Ces objectifs sont très difficiles à atteindre avec la technologie actuelle des semi-conducteurs. La logique à quantum de flux magnétique ou logique "Rapid Single-Flux-Quantum" (RSFQ) se présente comme un candidat séduisant pour la conception de tels systèmes.En effet, celle-ci permet d'atteindre des fréquences d'horloge de plusieurs centaines de GHz pour une consommation d'environ 100 nW par porte logique. Le travail de thèse a consisté en la réalisation d'un prototype de chaîne de réception RF analogique-numérique en technologie RSFQ. L'étude et la conception des différents blocs la constituant comme le convertisseur analogique-numérique et ceux de traitement du signal numérisé en aval a été réalisée. Les premiers résultats expérimentaux confirment la fonctionnalité des cellules RSFQ de base constituant le bloc de traitement numérique. La difficulté à faire fonctionner expérimentalement les blocs plus complexes a soulevé la question de la sensibilité des cellules RSFQ aux perturbations magnétiques extérieures. Cette problématique a été étudiée sur des circuits RSFQ simples et a permis de conclure qu'un champ magnétique externe de quelques dizaines de µT était suffisant pour dégrader le fonctionnement de tels circuits. Une solution de prise en compte des effets d'un champ magnétique externe dans le simulateur utilisé a été développée pour anticiper ces problèmes dès la conception. Celle-ci a été validée expérimentalement avec un Superconducting Quantum Interference Device (SQUID).
Les systèmes de télécommunication de type radio logicielle ou "Software Defined Radio" (SDR) exploitent les techniques numériques qui permettent leur reconfigurabilité, que ce soit en termes de fréquence, de bande passante utilisée, ou de méthode de modulation/démodulation des signaux. Ceux-ci nécessitent des architectures permettant la numérisation des signaux analogiques RF à des fréquences d'échantillonnage de plusieurs dizaines de GHz, avec des bandes passantes de plusieurs dizaines de MHz et une résolution supérieure à 10 bits. Ces objectifs sont très difficiles à atteindre avec la technologie actuelle des semi-conducteurs. La logique à quantum de flux magnétique ou logique "Rapid Single-Flux-Quantum" (RSFQ) se présente comme un candidat séduisant pour la conception de tels systèmes.En effet, celle-ci permet d'atteindre des fréquences d'horloge de plusieurs centaines de GHz pour une consommation d'environ 100 nW par porte logique. Le travail de thèse a consisté en la réalisation d'un prototype de chaîne de réception RF analogique-numérique en technologie RSFQ. L'étude et la conception des différents blocs la constituant comme le convertisseur analogique-numérique et ceux de traitement du signal numérisé en aval a été réalisée. Les premiers résultats expérimentaux confirment la fonctionnalité des cellules RSFQ de base constituant le bloc de traitement numérique. La difficulté à faire fonctionner expérimentalement les blocs plus complexes a soulevé la question de la sensibilité des cellules RSFQ aux perturbations magnétiques extérieures. Cette problématique a été étudiée sur des circuits RSFQ simples et a permis de conclure qu'un champ magnétique externe de quelques dizaines de µT était suffisant pour dégrader le fonctionnement de tels circuits. Une solution de prise en compte des effets d'un champ magnétique externe dans le simulateur utilisé a été développée pour anticiper ces problèmes dès la conception. Celle-ci a été validée expérimentalement avec un Superconducting Quantum Interference Device (SQUID).
La logique supraconductrice RSFQ (Rapide Single Flux Quantum) est une solution très attractive pour le traitement des données à très haute fréquence avec une dissipation très faible et des performances nettement supérieures à ce que la technologie CMOS pourra offrir dans la prochaine décennie. La technologie RSFQ en nitrure de niobium (NbN) en cours de développement au CEA-G est basée sur des jonctions Josephson NbN/Ta_{X}N/NbN auto-shuntées qui présentent une fréquence d'oscillation maximum proche du THz jusqu'à 10 K. L'objectif de cette recherche a été d'appliquer cette technologie NbN 9K à un CAN (Convertisseur Analogique-Numérique) adaptable aux télécommunications spatiales. Une architecture de type CAN sigma-delta a été étudiée, sur-échantillonnant à 200 GHz de fréquence d'horloge un signal avec une bande de 500 MHz et modulé sur une porteuse de 30 GHz. En particulier une horloge, un comparateur et différents portes logiques ont été étudiés et conçus pour opérer à 200 GHz ainsi qu'un modulateur sigma-delta passe-bande du troisième ordre dont les performances SNR, SFDR, devraient après optimisation satisfaire les objectifs visés. La complexité de l'architecture du filtre de décimation a été analysée. Certains composants de base du filtre, des diviseurs de fréquence et des registres à décalage, ont été étudiés et dessinés, enfin quelques méthodes de test du modulateur sont proposées. Le travail d'implémentation de circuits NbN en technologie multi-niveaux a été traité conduisant à la réalisation complète de deux lots de circuits qui pour des raisons technologiques clarifiées ensuite n'ont pu aboutir au test des portes logique du CAN. Cependant, les marges de fonctionnement des portes logiques NbN ont été déterminées grâce à la caractérisation de jonctions, SQUIDs et de filtres (résonateurs) micro-ondes. Finalement, une étude comparative entre des circuits à jonctions NbN auto-shuntées opérant à 9K en réfrigération allégée et des circuits similaires obtenus en fonderie Nb basés sur des jonctions Nb/AlO_{X}/Nb shuntées en externe opérant à 4K, démontre tous les avantages qu'on peut espérer attendre de la technologie NbN.
L'électronique supraconductrice numérique basée sur l'architecture SFQ (Single Flux Quantum) permet la réalisation d'opérations logiques en manipulant un quantum de flux magnétique Φ0 (h/2e =2,07 mV.ps) qui est propagé, stocké ou libéré sous forme d'une impulsion de tension de quelques picosecondes dont l'aire est quantifiée. Cette électronique de rupture permet des opérations logiques dont l'énergie de commutation est de l'ordre de 10-19 J, à des fréquences de l'ordre de 40 à 100 GHz, sous condition d'une technologie de fabrication disposant d'une tension critique RNIC suffisamment élevée.Ce document présente une architecture de convertisseur analogique-numérique (CAN) supraconducteur flexible, utilisée pour numériser des signaux à basse fréquence avec une grande dynamique et une sensibilité quantique. Une nouvelle architecture de HSQUID (Hybrid Superconducting QUantum Interference Device) asynchrone à signaux mixtes est présentée et étudiée expérimentalement dans un cryogénérateur Gifford-McMahon à 4,2K. La sortie analogique du HSQUID asynchrone permet de mesurer l'évolution du signal entre les commutations numériques avec une sensibilité approximative de 10 µΦ0/√Hz, où Φ0 est le pas de quantification du SQUID asynchrone. La dynamique, les marges de polarisation ainsi que l'influence du bruit thermique sont présentées pour cette architecture reposant sur deux types de comparateurs supraconducteurs. Une étude de la technologie Superconductor-Normal metal-Insulator-Superconductor (SNIS) de l'INRiM avec des nano-jonctions autoshuntées fabriquées avec la technique 3D Focused Ion Beam (FIB) a été également réalisée en vue de concevoir des nano-comparateurs radiofréquences à haute efficacité énergétique.
Ce travail de these porte sur l'etude de circuits numeriques supraconducteurs en technologie RSFQ (Rapid Single Flux Quantum). Il s'agit essentiellement de la conception et de l'optimisation des cellules elementaires qui peuvent ensuite servir a realiser des circuits plus complexes. Deux technologies basees sur des jonctions NbN/MgO/NbN, mises au point au CEA-Grenoble ont ete utilisees. La premiere de ces technologies est basee sur des jonctions Josephson shuntees de maniere externe et la deuxieme, plus prospective, sur des jonctions auto-shuntees, pouvant fonctionner a la temperature de 10K environ. Cette etude a permis de degager les parametres optimaux des cellules. Une etude des marges de bruit a ensuite permis de determiner la frequence maximale de fonctionnement des dispositifs realises, ceci pour les deux technologies. Une etude sur l'influence de la temperature sur les marges a aussi ete realisee pour la technologie 10K. Les resultats obtenus permettront de lancer la conception de circuits plus complexes, pouvant fonctionner a des frequences d'horloge de plusieurs dizaines de GHz.
Par leur fréquence d'horloge pouvant atteindre plusieurs dizaines de GHz et leur très faible dissipation, les circuits numériques supraconducteurs, fondés sur la logique à quantum de flux (RSFQ: Rapid Single-Flux Quantum), sont envisagés pour diverses applications spécifiques du fait de leurs performances exceptionnelles, très au delà de celles des filières électroniques classiques. Ces circuits RSFQ traitent l'information numérique sous forme d'impulsions de tension picoseconde avec une aire quantifiée de 2,07mV.ps, correspondant à un quantum de flux h/2e. L'électronique numérique supraconductrice ouvre ainsi la voie de l'électronique ultra-rapide en associant une large bande passante à une très faible dissipation. L'objectif de ce travail est d'étudier les interfaces optoélectroniques permettant de détecter et échantillonner les impulsions quantifiées résultant de la commutation des jonctions Josephson shuntées qui composent les circuits RSFQ. Nous avons développé une approche théorique et expérimentale de la sensibilité des photocommutateurs destinés à la détection d'impulsions RSFQ. Nous avons utilisé des photocommutateurs MSM (Métal-Semiconducteur-Métal) rapides de structure planaire à base d'Arséniure de Gallium épitaxié à basse température (AsGa-BT). Les caractéristiques physiques du matériau semi-conducteur telles que la résistance d'obscurité, la mobilité des porteurs libres et la durée de vie sont les paramètres clé pour obtenir des impulsions ultracourtes. La bonne résolution temporelle est donc assurée par les propriétés physiques du matériau. Un modèle basé sur un circuit hyperfréquence équivalent, a permis de prédire le comportement hyperfréquence du photocommutateur, éclairé ou non éclairé, lors du passage d'une impulsion RSFQ. De plus, ce modèle permet d'étudier l'influence des paramètres géométriques du photocommutateur sur la sensibilité de ce dernier. Nous avons déduit que le photocommutateur à gap à base d'AsGa-BT est bien adapté pour la détection des signaux subpicosecondes de faible amplitude.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.