Square open loop resonator (SOLR) bandpass filters fabricated with additive manufacturing techniques are presented and studied. One filter contains novel 3D capacitive plates used to enhance resonator coupling. The filters are centered at 2.45 GHz and loaded with capacitors for miniaturization as low as 21% that of a conventional SOLR bandpass filter. The pass-band insertion loss of the filters ranges from 3.8 dB to 5.5 dB and the 3 dB bandwidth ranges from 180 MHz to 250 MHz. Also, degradation in the effective conductivity of printed ink as a function of substrate roughness is analyzed. Finally, a study of dielectric and metallic 3D printing processes that are candidates for digital manufacturing of integrated mobile phone client antennas is presented.

Au cours de ces dernières années, le développement des capteurs de gaz a connu un essor grandissant pour des applications industrielles, militaires et environnementales afin d’assurer la sécurité et la protection contre les gaz nocifs et toxiques. Ces applications demandent des capteurs sensibles, sélectifs, à faible consommation d’énergie et à faible coût. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit, s’inscrit dans ce contexte. Il a pour objectif la réalisation d’un capteur hyperfréquence à base de nanotubes de carbone et fabriqué par technologie jet d’encre. Le principe de fonctionnement du capteur repose sur la caractérisation en fréquence d’un résonateur RF, dont un élément est sensible grâce aux nanotubes de carbone, à la présence d’un gaz environnant. Le manuscrit aborde l’ensemble des étapes nécessaires à la réalisation du capteur, à savoir : la conception des dispositifs de test, s’appuyant sur une étude théorique de leur comportement, la caractérisation des matériaux utilisées, la fabrication sur un substrat flexible par une technique d’impression jet d’encre et enfin la caractérisation du capteur de gaz en termes de comportement en fréquence et de sensibilité en présence de gaz. / In recent years, the development of gas sensors has grown rapidly for industrial, military and environmental applications to ensure safety and protection against harmful and toxic gases. These applications require sensitive, selective, low power and low cost sensors. The thesis work presented in this manuscript fits into this context. Its objective is the realization of a microwave sensor based on carbon nanotubes and manufactured by inkjet technology. The operating principle of the sensor is based on the frequency characterization of an RF resonator, one element of which is sensitive, thanks to the carbon nanotubes, to the presence of a surrounding gas. The manuscript addresses all the steps necessary for the realization of the sensor, namely: the design of the test devices, based on a theoretical study of their behavior, the characterization of the materials used, the fabrication on a flexible substrate by inkjet printing technique and finally the characterization of the gas sensor in terms of frequency behavior and sensitivity in the presence of gas.

Les circuits quantiques supraconducteurs sont étudiés dans de nombreux laboratoires. Ces recherches ont pour objectif de pouvoir construire et coupler plusieurs bits quantiques supraconducteurs pour le traitement de l'information quantique. La description théorique de ces circuits repose sur la dynamique couplée des différences de phase supraconductrice aux jonctions Josephson et des degrés de liberté associés à l’environnement électromagnétique. Cette dynamique non-linéaire a été très étudiée dans le régime classique. Les effets quantiques ont été abordés par des théories de perturbation supposant que certains degrés de liberté sont thermalisés. En revanche, il existe peu de résultats sur la dynamique quantique couplée dans un régime non perturbatif. Le but du projet de thèse sera de décrire le crossover entre les régimes classique et quantique dans le cas d’une jonction Josephson en série avec un résonateur électromagnétique. Pour cela, le candidat étudiera les équations maîtresses pour ce système par des méthodes analytiques et numériques. L’objectif à plus long terme sera de comprendre comment générer et manipuler des photons grâce au contrôle électrique résolu en temps de ces circuits. / Superconducting quantum circuits are currently investigated in many labs. An important goal of this research is to build and couple several superconducting quantum bits for quantum information processing. The theoretical description of these circuits is based on the coupled dynamics of the superconducting phase differences at the Josephson junctions and the degrees of freedom of the surrounding electromagnetic environment. This nonlinear dynamics has been much studied in the classical regime. Quantum effects have been considered by perturbative methods, assuming that some degrees of freedom are thermalized. In contrast, the coupled quantum dynamics was largely unexplored in a non-perturbative regime. The goal of the trainee will be to describe the crossover between the classical and quantum regimes in the case of a single Josephson junction coupled to an electromagnetic resonator. For this, the candidate will study the master equations for this system with analytical and numerical methods. In the long term, the aim will be to understand how to generate and manipulate photons thanks to time-resolved electric control of the circuit.

L'objectif de la thèse était la conception et la synthèse de filtres RF passe-bande reconfigurables, basés sur des résonateurs de type “Patch”. Une méthode de conception dédiée à la synthèse des filtres reconfigurables a été développée et appliquée à deux filtres reconfigurables basés sur des « patchs » triangulaire et circulaire. La technique de synthèse repose sur l'analyse de la matrice de couplage, facilitée par une analyse électromagnétique des modes propres des résonateurs « Patch ». Les filtres reconfigurables ont été conçus et optimisés à l'aide de simulations électromagnétiques 3D en incluant le modèle électrique des composants localisés utilisés, diodes varactors et capacités fixes. Les deux filtres reconfigurables ont été réalisés en technologie circuit imprimé. Les dimensions minimum du « layout » ont été choisies afin d'être compatibles avec une technologie bas coût, la dimension la plus faible n'étant pas inférieure à 0,5 mm. / The objective of this thesis is the design and synthesis of tunable bandpass filters at microwave frequencies using planar patch resonators. A methodology for the design and synthesis of tunable patch filters is developed and applied to two filters with triangular and circular topologies. The methodology provides techniques to extract the coupling scheme that models the filter behavior and the necessary equations for calculating the corresponding coupling matrix. Then, the theoretical filter response resulting from the analysis of the coupling matrix coefficients is compared to the results of complete simulations. The complete simulations combine the results of the 3D electromagnetic (EM) simulation of the filter layout with the results of the electrical simulation of the tuning devices, represented by their lumped elements equivalent model. This allows the correct model of the tuning effect and the definition of the tuning possibilities and limits. In order to validate the methodology, the tunable patch filters are fabricated using Microwave Integrated Circuit (MIC) technology on flexible substrates. The minimum dimensions are greater than 0.5 mm, ensuring a low cost fabrication process.

Quantum annealing is expected to be a powerful generic algorithm for solving hard combinatorial optimization problems faster than classical computers. Finding the solution to a combinatorial optimization problem is equivalent to finding the ground state of an Ising Hamiltonian. In today's quantum annealers the spins of the Ising Hamiltonian are mapped to superconducting qubits. On the other hand, dissipation processes degrade the success probability of finding the solution. In this thesis we set out to explore a newly proposed architecture for a noise-resilient quantum annealer that instead maps the Ising spins to continuous variable quantum states of light encoded in the field quadratures of a two-photon pumped Kerr- nonlinear resonator based on the proposal by Puri et al. (2017). In this thesis we study the Wigner negativity for this newly proposed architecture and evaluate its performance based on the negativity of the Wigner function. We do this by determining an experimental value to when the presence of losses become too detrimental, such that the Wigner function of the quantum state during the evolution within the anneal becomes positive for all times. Furthermore, we also demonstrate the capabilities of this continuous variable quantum annealer by simulating and finding the best solution of a small instance of the NP-complete subset sum problem and of the number partitioning problem.

abstract: The inductance of a conductor expresses its tendency to oppose a change in current flowing through it. For superconductors, in addition to the familiar magnetic inductance due to energy stored in the magnetic field generated by this current, kinetic inductance due to inertia of charge carriers is a significant and often dominant contribution to total inductance. Devices based on modifying the kinetic inductance of thin film superconductors have widespread application to millimeter-wave astronomy. Lithographically patterning such a film into a high quality factor resonator produces a high sensitivity photodetector known as a kinetic inductance detector (KID), which is sensitive to frequencies above the superconducting energy gap of the chosen material. Inherently multiplexable in the frequency domain and relatively simple to fabricate, KIDs pave the way to the large format focal plane array instruments necessary to conduct the next generation of cosmic microwave background (CMB), star formation, and galaxy evolution studies. In addition, non-linear kinetic inductance can be exploited to develop traveling wave kinetic inductance parametric amplifiers (TKIPs) based on superconducting delay lines to read out these instruments. I present my contributions to both large and small scale collaborative efforts to develop KID arrays, spectrometers integrated with KIDs, and TKIPs. I optimize a dual polarization TiN KID absorber for the next generation Balloon-borne Large Aperture Submillimeter Telescope for Polarimetry, which is designed to investigate the role magnetic fields play in star formation. As part of an effort to demonstrate aluminum KIDs on sky for CMB polarimetry, I fabricate devices for three design variants. SuperSpec and WSpec are respectively the on-chip and waveguide implementations of a filter bank spectrometer concept designed for survey spectroscopy of high redshift galaxies. I provide a robust tool for characterizing the performance of all SuperSpec devices and demonstrate basic functionality of the first WSpec prototype. As part of an effort to develop the first W-Band (75-110 GHz) TKIP, I construct a cryogenic waveguide feedthrough, which enhances the Astronomical Instrumentation Laboratory’s capability to test W-Band devices in general. These efforts contribute to the continued maturation of these kinetic inductance technologies, which will usher in a new era of millimeter-wave astronomy. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Astrophysics and Astronomy 2018

Downsizing in cars lead to higher noise emissions through the addition of turbo-/superchargers. These noise emissions must be counteracted and cancelled in order to contribute to the overall quality feel of a car. This project follows a product development method in order to research if a new type of silencers are applicable in air induction systems in order to dampen noise emissions. The project also cover how to manufacture the new type of silencers, traditionally used as acoustic insulation in offices. The project covered everything from literature review on silencers, noise regulations, downsizing and traditional plastic manufacturing methods. After the analysis of the results, it stood clear that the new silencers are more effective than conventional solutions. A manufacturing process was also determined, which needs further research in order to derive what the manufacturing cost would be. The project resulted in strong indicators that the new silencers are promising but also opened up to new research questions.

Le bruit généré dans la zone de contact entre un pneumatique et une route peut être amplifié par des dièdres constitués des surfaces du pneumatique et la route. Cette étude est consacrée à l'optimisation et à la conception de bandes de roulement et de textures de la route pour réduire l'amplification de l'effet dièdre sur la base de l'annulation de sons. Les bandes de roulement et les textures de la route peuvent être considérées comme deux réseaux dans la zone de contact. Les surfaces du pneumatique et de la route peuvent être considérées comme des baffles. Un modèle de réseau à baffle est constitué pour le système pneumatique / chaussée, et des procédés de couplage multi-domaines sont développés pour le calcul des champs acoustiques autour des réseaux à baffles. Avec ce modèle, la réduction des amplifications de l'effet dièdre par les réseaux peut être estimée. Étant donné que les réductions sont autour des fréquences de résonance de l'air à l'intérieur des réseaux, des méthodes numériques simples pour estimer les fréquences de résonance sont développées. Afin de concevoir des réseaux pour obtenir les fréquences de résonance recherchées, une méthode d'optimisation sur la base des algorithmes génétiques est proposée. Les méthodes d'estimation des fréquences de résonance sont validées avec des mesures. Les méthodes d'optimisation et le modèle des réseaux bafflés sont également vérifiées par les expériences. Une structure avec un cylindre en bois et une feuille de contreplaqué est construite pour les validations. Un vrai pneumatique sur une feuille de contreplaqué est également mesuré et calculé avec les méthodes proposées. Les bandes de roulement sont optimisées avec les méthodes proposées. Plusieurs réductions des amplifications de l'effet dièdre peuvent être vues et sont estimées avec les méthodes de couplage multi-domaines. La dimension des motifs de texture de la route est également étudiée afin de trouver les réductions maximales des amplifications / The noise generated in the contact zone between a tire and a road can be amplified by horns constituted of the surfaces of the tire and the road. This study is devoted to the optimization and the design of tire treads and road textures for reducing the amplification of horn effect based on the sound cancellation. The tire treads and the road textures can be considered as two dimensional networks in the contact zone. The surfaces of the tire and the road can be seen as flanges. A model of flanged networks is established for the tire/road system, and multi-domain coupling methods are developed for the calculation of the acoustic fields around the flanged networks. With this model the reductions of the amplifications of horn effect by the networks can be estimated. Since the reductions are around the resonant frequencies of air inside the networks, simple numerical methods for estimating the resonant frequencies are developed. In order to design the networks to get wanted resonant frequencies, an optimization method based on genetic algorithms is proposed. The methods for estimating the resonant frequencies are validated with measurements. The optimization methods and the model of the flanged networks are also proved to be effective by the experiments. The wooden networks between a wooden cylinder and a sheet of plywood are built for the validation. A real tire on a sheet of plywood is also measured and calculated with the proposed methods. Last the tire treads are optimized with the optimization methods. Multiple reductions of the amplifications of horn effect can be seen and are estimated with the multi-domain coupling methods. The road brick dimension is also investigated in order to find the maximum reductions of the amplifications

Dans ce manuscrit, nous présentons le développement d'un résonateur optimisé pour observer des effets quantiques du couplage entre un resonateur mécanique et le champ electromagnétique via la pression de radiation. Celui-ci doit combiner une réflectivité élevée, une faible masse, ainsi qu'un facteur de qualité mécanique élevé. Le résonateur consiste en une membrane suspendue de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur, et de quelques dizaines de microns de côté, présentant une réflectivité importante grâce à l'utilisation de cristaux photoniques. Après une étude détaillée de la physique d'un cristal photonique en incidence normale, nous présentons les résultats expérimentaux, en bon accord avec des simulations optiques, notamment lorsque la membrane est utilisée comme miroir de fond d’une cavité Fabry-Perot. Dans un second point, nous passons en revue les mécanismes d'amortissement mécanique à l’œuvre dans les micro-résonateurs. Nous montrons ensuite comment l'introduction de contraintes peut améliorer leur facteur de qualité. Nous finissons la caractérisation mécanique par l'étude de non-linéarités apparaissant lors des grandes amplitudes de mouvement. Puis nous présentons le montage expérimental permettant l'observation du bruit thermique de ces resonateurs. Celui-ci a également permis d'obtenir des résultats préliminaires sur le refroidissement de leur bruit thermique par friction froide et par effet photothermique. Enfin, nous présentons le développement d’un système de couplage capacitif entre la membrane et un circuit électrique, constituant la première étape de la réalisation d’un transducteur optomécanique entre photons optiques et micro-ondes. / The field of optomechanic consists in studying the coupling induce by the radiation pressure between a mechanical resonator and a light field, it has expended over the last fifteen years. In this memoir we present the developpement of a resonator optimised to observe quantum effect of the optomechanical coupling. On the one hand, it has to combine a high reflectivity and a low mass to enhance its coupling with the light field. On the other hand it should exhibit high mechanical quality factor in order to minimize its interaction with the environment. This resonator is a suspended membrane, whose thickness is about hundreds of nanometers, and whose reflectivity is achieved thanks to a photonic crystal. After a study of the photonic crystal physic in normal incidence, we present the experimental results including those in the end mirror of a Fabry-Pérot cavity configuration, which are in good agreement with the optical simulations. In a second point, we list the dissipation mechanisms in micro-resonator. Then we show how the stress introduction in such resonators can improve the quality factor. We finish the mechanical characterisation by studying mechanical non-linearities which appears in the case of large amplitude of motion. Then we present the experimental set-up developed to observe the thermal noise of the resonators. We also obtain some preliminary results about the cooling of the thermal noise using active cooling and photothermal effect. Last we present the development of a capacitive coupling between the membrane and a electrical circuit. This device is the first step toward the realisation of an optomechanical transducer between optical and micro-wave photons.

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