Le futur réseau mobile 5G est prévu pour être déployé à partir de 2020, dans un contexte d’évolution exponentielle du marché de la téléphonie mobile et du volume de données échangées. La 5G servira de levier à des applications révolutionnaires qui permettront l’émergence du monde connecté. Dans ce but, plusieurs spécifications pour le réseau sont attendues même si aucun standard n’est encore défini et notamment une faible latence, une consommation d’énergie réduite et un haut débit de données. Les bandes de fréquences traditionnellement utilisées dans les réseaux mobiles ne permettront pas d’atteindre les performances visées et plusieurs bandes de fréquences millimétriques sont à l’étude pour créer un spectre complémentaire. Cependant, ces bandes de fréquence millimétriques souffrent d’une forte atténuation dans l’air et dans les matériaux de construction. Plusieurs techniques vont être implémentées pour outrepasser ces limitations dans les zones urbaines denses comme le backhauling, FD-MIMO et beamforming phased array. Ces techniques entraînent l’utilisation d’un grand nombre de transmetteurs dans les stations de bases et dans les dispositifs de l’utilisateur final. La technologie CMOS offre d’indéniables avantages pour ce marché de masse tandis que la technologie FD-SOI offre des performances et fonctionnalités additionnelles. L’amplificateur de puissance est le bloc le plus critique à concevoir dans un transmetteur et consomme le plus d’énergie. Afin d’adresser les challenges de la 5G, plusieurs spécifications concernant la puissance consommée, la linéarité et le rendement sont attendues. Les variations de l’environnement dans les beamforming phased array et le contexte industriel nécessitent des topologies robustes alors qu’une reconfigurabilité au niveau de l’amplificateur de puissance est bénéfique dans le cas de circuits adaptatifs. Cette thèse adresse ces challenges en explorant la conception d’un amplificateur de puissance reconfigurable et robuste pour des applications 5G en intégrant des techniques de design spécifiques et en mettant en avant les avantages de la technologie 28nm FD-SOI pour la reconfigurabilité. / The 5G future mobile network is planned to be deployed from 2020, in a context of exponential mobile market and exchanged data volume evolution. The 5G will leverage revolutionary applications for the advent of the connected world. For this purpose, several network specifications are expected notably low latency, reduced power consumption and high data-rates even if no standard is yet defined. The frequency bands traditionally used for mobile networks will not permit the needed performances and several mmW frequency bands are under study to create a complementary frequency spectrum. However, these mmW frequency bands suffer from large attenuation inbuilding material and in free-space. Therefore, several techniques will be implemented to tackle these limitations indense urban areas like backhauling, FD-MIMO and beamforming phased array. This is leading to a large number of transceivers for base stations and end-user devices. CMOS technology offers undeniable advantages for this mass market while FD-SOI technology offers additional features and performances. The power amplifier is the most critical block to design in a transceiver and is also the most power consuming. To address the 5G challenges, several specifications concerning power consumption, linearity and efficiency are expected. The environment variations inbeamforming phased array and the industrial context drive the need for robust topologies while power amplifier reconfigurability is benefic in a context of adaptive circuits. This thesis addresses these challenges by exploring the conception of a robust and reconfigurable power amplifier targeting 5G applications while integrating specific design techniques and taking advantage of 28nm FD-SOI CMOS technology features for reconfigurability purposes.

Le domaine des ondes TeraHertz (THz) s’étend de l’infrarouge lointain (15 μm / 20 THz) aux ondes radios (3000 μm / 0.1 THz). La couverture spectrale des sources actuelles, qu’elles soient thermique (lampes à mercure…), électronique (diode Gunn…) ou optique (laser, antennes…), ne permet pas de répondre à l’ensemble des applications en spectroscopie et en imagerie. Une alternative à ces sources est l’optique non linéaire paramétrique, qui permet de générer des ondes THz à partir du processus de Différence de Fréquences (DFG), et qui consiste à injecter un ou deux lasers dans un cristal non linéaire. Afin de couvrir au mieux le très large domaine THz, il est nécessaire de déterminer un ensemble de cristaux dont les propriétés optiques permettent de générer ces ondes avec de forts rendements de conversion.Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse décrit l’étude de ces propriétés pour un ensemble de cristaux non linéaires, ainsi que des résultats expérimentaux de génération THz à partir de la DFG entre deux lasers monochromatiques en régime nanoseconde et picoseconde, ou entre deux composantes de Fourier au sein d’une impulsion laser femtoseconde. Nous avons sélectionné vingt nouveaux cristaux jamais étudiés dans le domaine THz auparavant, ainsi que le nouveau cristal organique de BNA. Nous avons mesuré leurs spectres de transmission du visible au THz, ainsi que les propriétés optiques non linéaires incluant les conditions d’accord de phase et le rendement de conversion. / THz-waves extend from the far InfraRed (15 μm – 20 THz) to radio waves (3000 μm – 0.1 THz). Current sources based on thermal (Mercury lamps…), electronics (Gunn diode...) or optics (laser, antennas…) technologies can’t cover this wide spectral range for applications in spectroscopy and imaging. An alternative is provided by parametric nonlinear optics, which leads to the generation of THz waves from Difference Frequency Generation (DFG) by injecting one or two lasers in a nonlinear crystal. To better cover the wide THz domain, it is necessary to determine nonlinear crystals with optical properties leading to the generation of such waves with high conversion efficiencies.This PhD thesis is devoted to the study of these properties for a panel of nonlinear crystals, along with experimental results of THz generation from DFG between two monochromatic lasers in the nanosecond and picosecond regimes, or between two Fourier components within a femtosecond laser. We selected twenty new crystals never studied before in the THz domain, along with the organic crystal of BNA. We measured their transmission spectra from visible to THz, and their nonlinear properties including phase-matching conditions and conversion efficiency.

L'objet de cette thèse est une mesure absolue de la fréquence de la transition 1S-3S dans l'atome d'hydrogène, afin d'améliorer la connaissance de la constante de Rydberg et du déplacement de Lamb. Expérimentalement, un laser Ti :Sa continu à 820 nm est quadruplé en fréquence dans des cristaux de LBO et BBO. La transition à deux photons de 205 nm est réalisée dans une cavité optique colinéaire au jet atomique. L'effet Doppler du second ordre est compensé par l'action d'un champ magnétique statique. Un peigne de fréquences optiques sert à comparer directement la fréquence absolue du Ti :Sa à l'étalon primaire de fréquence. La détection de la fluorescence à 656 nm est assurée par une caméra CCD. L'ajustement des données expérimentales par les formes de raie calculées conduit à une valeur de l'effet Doppler du second ordre incompatible avec les prévisions approximatives de la fréquence absolue 1S-3S, suggérant l'existence d'un effet systématique tel qu'un champ électrique parasite.

L'objet de cette thèse est l'étude et la réalisation d'interactions optiques non linéaires impliquant la susceptibilité électrique de troisième ordre. Ces processus de conversion de fréquences font intervenir quatre photons qui peuvent être consommés ou générés dans un milieu non linéaire. La production de trois photons à partir d'un photon parent, constituant ainsi un triplet de photons, est la problématique centrale de ce travail. Les trois particules générées possèdent des propriétés quantiques spécifiques, qui n'ont pas pu être observées jusque-là, faute de production efficace de triplets de photons. Outre les enjeux théoriques, les applications potentielles couvrent le domaine de la cryptographie quantique où un tel état quantique pourrait être utilisé. Dans la continuité de ce qui avait été fait lors d'une précédente thèse, ce travail présente la réalisation d'un générateur de triplets de photons efficace, dont la caractérisation a permis une comparaison avec le modèle développé dans le cadre de la théorie classique. Un bon accord a été constaté entre théorie et expérience, ce qui constitue une première validation du modèle. Ce générateur a ouvert la voie vers la conception et la réalisation du dispositif d'étude des corrélations quantiques, et vers sa première utilisation. Enfin, une étude du dioxyde de titane, dans sa phase rutile, a montré que ce milieu possède des caractéristiques adéquates à la réalisation de processus non linéaires cubiques efficaces.

L'objet de cette thèse est la construction d'un laser étalon à 778 nm pour réaliser une mesure absolue des fréquences 2S-8S/D des atomes d'hydrogène et de deutérium. Cet étalon de fréquence est une diode laser stabilisée en fréquence sur une transition à deux photons 5S-5D de l'atome de rubidium. Les performances métrologiques de ce laser étalon sont 10 fois meilleures que celles du laser He-Ne stabilisé sur l'iode. La fréquence de ce laser a été mesurée au cours de cette thèse grâce à une chaîne de multiplication de fréquence située à l'Observatoire de Paris. L'étude des caractéristiques métrologiques de la fibre optique reliant nos laboratoires a montré que le passage du faisceau du laser étalon dans celle-ci ne détériorait pas ses propriétés métrologiques. Les transitions 2S-8S/8D sont excitées dans un jet atomique par un laser titane-saphir. Plusieurs effets parasites déplacent et élargissent les raies étudiées. Pour s'affranchir de ces effets, une forme de raie théorique est ajustée sur les signaux expérimentaux. Elle tient compte en particulier de l'effet Stark linéaire sur les niveaux excités. La comparaison en fréquence du laser d'excitation et du laser étalon donne la fréquence absolue de la raie étudiée. On en déduit la valeur de la constante de Rydberg : R8 = 109 737,315 6859 (10) cm-1 Ce résultat est le plus précis à ce jour. En comparant les mesures du deutérium à celles de l'hydrogène, on détermine la valeur du déplacement de Lamb de l'état 2S du deutérium : L2S-2P = 1059,230 (9) MHz Cette mesure améliore l'incertitude sur cette valeur de plus d'un ordre de grandeur ; elle est en bon accord avec la dernière mesure de cette quantité. L'incertitude sur ces résultats approche celle des calculs d'électrodynamique quantique donnant les valeurs théoriques des niveaux d'énergie.

Ce travail a consisté en la présentation et la validation d'une nouvelle méthode ayant pour thème la simulation de la propagation d'ondes. Le problème analysé est celui de la diffraction d'ondes en régime harmonique par des obstacles tridimensionnels quelconques. Pour modéliser ces phénomènes, nous nous sommes intéressés aux équations intégrales. La méthodes proposée a pour objectif de les utiliser à hautes fréquences en réduisant la complexité du calcul et surtout en stockage mémoire. Son originalité réside en une approche en deux temps de la solution cherchée. Dans un premier temps, on utilise une discrétisation microlocale. Dans un second temps, on propose une transformation par ondelettes. L'approche microlocale, qui repose sur l'usage systèmatique d'une localisation en espace et en direction de propagation, conduit à inverser des matrices creuses mais très mal conditionnées. Pour surmonter cette difficulté, nous aovns considéré la seconde approche qui consiste à opérer un filtrage par ondelettes. Ces approximations se sont avérées particulièrement efficaces pour diminuer le remplissage et la taille des matrices issues de la résolutions d'équations intégrales.<br />Le développement et la mise au point d'un code ont été effectués au CERMICS-INRIA Sophia-Antipolis. La vérification de la validité de notre code s'appuie sur des calculs de surface équivalente radar. Des résultats numériques encourageants sont présentés pour des obstacles convexes et non-connexes.<br />La méthode est ensuite étendue aux opérateurs pseudo-différentiels et Fourier-intégraux. Ils interviennent dans le cas de milieux hétérogènes et anisotropes.

Les sources appelées lasers à cascade quantique (LCQ) présentent des potentialités très intéressantes pour l'émission aux fréquences térahertz. Ce travail vise à mieux comprendre les phénomènes physiques à l'origine du transport quantique dans les LCQ. Dans ce but, nous avons utilisé la simulation Monte Carlo. Le mémoire est divisé en trois parties. Dans une première partie, nous présentons les sources optoélectroniques émettant dans l'infrarouge. Nous précisons le formalisme de l'équation Maîtresse pour modéliser le transport quantique dans ces dispositifs. La deuxième partie est consacrée à la description du modèle en insistant particulièrement sur la modélisation de l'interaction électron-électron. Dans la troisième partie, nous examinons des LCQ émettant dans l'infrarouge lointain. Il ressort de nos études que l'interaction électron-électron joue un rôle prépondérant à ces fréquences. Nous envisageons ensuite deux voies afin de diminuer la fréquence jusqu'à 1 THz.

Les fontaines atomiques, basées sur une transition micro-onde du Césium ou du Rubidium, constituent l'état de l'art des horloges atomiques, avec une exactitude relative avoisinant 10^-16. Il apparaît cependant clairement aujourd'hui qu'il sera difficile de dépasser significativement ce niveau de performance avec un dispositif de ce type. L'utilisation d'une transition optique, toutes choses étant égales par ailleurs, ouvre la perspective d'une amélioration de 4 ou 5 ordres de grandeur de la stabilité et de l'incertitude relative sur la plupart des effets systématiques. Les effets liés au mouvement des atomes peuvent être, quant à eux, contrôlés d'une façon totalement différente, en les piégeant dans un réseau optique pour éviter la phase de vol balistique caractéristique des fontaines. Le point clef de cette approche réside dans le fait que les paramètres de ce piège peuvent être ajustés de façon à s'affranchir du déplacement lumineux si l'on sélectionne une transition d'horloge faiblement permise J = 0->J = 0. A cet égard, l'atome de strontium est l'un des candidats les plus prometteurs, la transition 1^S_0 -> 3^P_0 présente une largeur naturelle de 1 mHz, et plusieurs autres transitions facilement accessibles peuvent être utilisées en vue d'un refroidissement laser efficace des atomes jusqu'à une température de 10 microK. Ce manuscrit de thèse d'une part démontre la faisabilité expérimentale d'une horloge à réseau optique basée sur l'atome de strontium, et d'autre part expose une évaluation préliminaire de l'exactitude relative avec l'isotope fermionique 87^Sr, à un niveau de quelques 10^-15.

Les industriels des semi-conducteurs cherchent à simplifier les processus de conception, de production, qui aujourd'hui, pour des raisons de complexité, sont relativement onéreux. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'opportunité de concevoir des synthétiseurs de fréquences basés sur les boucles à verrouillage de délais pour des applications analogiques (oscillateur local, horloge pour convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique). Ceux-ci ont l'avantage entre autres, d'être complètement intégrables dans un procédé MOS. Ce travail propose l'étude théorique et le compte rendu de l'expérimentation de deux types de synthétiseurs de fréquences différents. Le premier des synthétiseurs multiplie la fréquence d'un signal de référence par un nombre entier. Si le principe utilisé est déjà étudié depuis quelques années, nous proposons une formulation plus fine de ses performances en bruit et en particulier, nous précisons le spectre de bruit de phase du signal de sortie attendu. Et, nous proposons son application comme oscillateur local de fréquence intermédiaire fixe dans une structure hétérodyne pour GSM. Le second synthétiseur de fréquences est d'une architecture originale. Il permet d'obtenir une horloge dont la fréquence est programmable et équivaut à la fréquence du signal de référence multipliée par un nombre rationnel. La formulation de la théorie de cette nouvelle fonction est établie, et les résultats des tests d'un circuit prototype, commentés. Ses performances lui permettent d'être utilisé comme horloge dans des systèmes de communications mobiles comme cela a pu être démontrer pour une application Bluetooth.

Les Systèmes sur Puce (SoC) ont vu leurs capacités en constante augmentation ce qui leur permet ainsi qu'aux applications s'exécutant dessus de devenir de plus en plus complexes grâce au pouvoir d'intégration de la technologie. Beaucoup de ces appareils fonctionnent sur batterie, mais puisque la technologie des batteries ne suit pas la même progression que l'intégration, à la fois le logiciel et le matériel de ces appareils doivent être économes en énergie. Nous proposons dans cette thèse un algorithme logiciel qui cherche à réduire la consommation énergétique en modifiant la fréquence et la tension des processeurs lorsque l'utilisation du système le permet. Cet algorithme n'a besoin d'aucune information sur les applications. Afin de tester et de déterminer l'efficacité de l'algorithme d'économie d'énergie proposé, nous avons besoin de plateformes de simulation rapides et précises qui supportent le changement de fréquence pour chaque processeur ou sous-système. Le bon niveau d'abstraction pour estimer la consommation d'énergie par la simulation n'est pas évident. Nous avons premièrement défini une stratégie de haut niveau de simulation qui combine la précision des simulateurs orientés matériel à la vitesse des simulateurs orientés comportement. Lorsque des estimations plus précises sont nécessaires, une simulation cycle accurate/bit accurate doit être utilisée. Toutefois, pour accélérer la simulation, des stratégies d'ordonnancement statique non compatibles avec le DVFS sont utilisées. Nous avons défini deux nouvelles approches supportant le DVFS dans ce contexte.