View
110
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
1
Siham BADI
Interfaces optoélectroniques ultra-rapides pour l'électronique supraconductrice à
quantum de flux magnétique
2
Contexte
Développer les interfaces optoélectroniques pour
les circuits RSFQ
L’électronique supraconductrice est envisagée comme une rupture pour les nouvelles générations de circuits électroniques ultra-rapides
3
sommaire
Introduction Présentation de l’électronique supraconductrice Logique RSFQ Problématique de la mesure de signaux RSFQ
Modèle opto-hyperfréquence & théorie
Étude hyperfréquence des photocommutateurs
Banc de mesures et résultats expérimentaux
Conclusion & perspectives
4
Supraconducteurs
Les avantages de l’électronique supraconductrice
Faible dissipation
10-18 Joule/bit
Large bande passante
100 GHz
5
Jonction Josephson
2/e
Ic
Tension
Courant
Schéma électrique
0
S SI
Jonction Josephson
Idc
sinI Ic
Courant Josephson continu
V = 0
La jonction Josephson est l’élément de base de l’électronique supraconductrice: (Squid, circuit RSFQ,…)
6
Jonction Josephson non
hystérétique (shuntée)
Tension
Amplitude de l’impulsion
Courant
Ic
Jonction Josephson utilisée en mode logique
Jonction Josephson shuntée par une résistance
7
Impulsion RSFQ
Lorsque le courant de polarisation Ip Ic
Tension~ amplitude de
l’impulsion
Courant
Ic
Impulsion de tension
V = R N
I C
Temps (ps)
Ten
sion
(m
V)
0 = h/2e = 2,07 ps.mV
2 RNIC
.V dt
impulsion RSFQ
8
Temps Horloge
Temps Données
état 0 état 1 état 0Ten
sion
état 0: absence d’une impulsion durant la période du signal d’horloge
état 1: présence d’une impulsion durant la période du signal d’horloge
Jonction Josephson utilisée en mode logique
9
Objectif
Objectif de ma thèse
Mesurer la forme électrique du signal de sortie des circuits supraconducteurs RSFQ (Rapid-Single-Flux-Quantum) pour diagnostiquer le comportement et les performances des circuits RSFQ à haute fréquence
2 RNIC
t = 0/ 2 RNIC
Pour RNIC = 0,26 mV (valeur typique)
t = 4 ps
Résolution d’amplitude 100µV
Résolution temporelle 0,5ps
0 - Hypres (USA)- IPHT (Allemagne)- Nec (Japon)
10
Problématique de mesure de signaux RSFQ
Comment peut-on caractériser les signaux RSFQ?
Rapidité limitée des appareils de mesure classiques devant les performances des circuits RSFQ
Les techniques d’échantillonnage optique
Composants optoélectroniques
11
Laser pulsé saphir : titane Tsunami (Spectra Physics)
= 800 nm
Pmoy = 400 mW
Durée d’impulsion = 100 fs
Fréquence de répétition = 75,5 MHz
Problématique de mesure de signaux RSFQ
Solution ?
Source laser pulsée
12
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 2 4 6 8 10 12
R
/R (
u.a
)
temps (ps)
n = 500 fs
p = 5 ps
AsGa-BT dopé Be :
faible temps de vie des électrons < 1ps
bonne mobilité 500 cm² V-1 s-1
Problématique de mesure de signaux RSFQ
Solution ?
Mesure en réflectométrie temporelle du GaAs BT : Be
(SPI Vilnius)
13
Laser pulsé Femtoseconde
Ti-Sa(800 nm, 100 fs, 75,5 MHz)
interface de déclenchement
Opto-RSFQ
circuits RSFQ
Interface d’échantillonnage
Opto-supraconducteur
Ligne à retard optique
I(t)
I(t+)
Principe
14
Principe de mesure
source fs
détecteuroptique
ligne à retard
génération d’impulsion
RSFQ
déclenchement
mesure
détection par
photoconduction
électro-optique
électro-absorption
15
Photocommutateur de déclenchement
fabrication à IPHT Jena avec process standardRSFQ Nb/Al-AlOx/Nb avec densité de courant 1kA/cm2
photocommutateur Supraconducteur
Circuit RSFQ
Analyse statique : DC
RSFQ design : H. Toepfer & T. Ortlepp University of Technology IlmenauRSFQ fab : J. Kunert, H.-G. Meyer - IPHT Jena
Exemple de photocommutateur intégré avec un circuit RSFQ
Objectif de ma thèse
Mesure ?
16
Méthodes de mesure optique utilisées au laboratoire:
Echantillonnage électro-optique
Faisceau de mesureFaisceau de génération
LiTaO3
Au
AsGa-BT
ellipsoïde d ‘indice du cristal
Effet Pockel’s : nopt = f(Estat)
17
• Echantillonnage électro-optique
Effet instantané: permet d’avoir une meilleure résolution temporelle < 0,2ps
Θ Difficulté de mise en place à température cryogénique
Méthodes de mesures
18
Echantillonnage électro-optique à température cryogénique
Le dispositif est totalement couvert par un film du cristal électro-optique
FWHM = 3,2 ps L’impulsion SFQ résolue en temps mesurée : Amplitude 0,65 mV
La température de travail est de 2,1K
C.Wang et al. En 1995:
19
Méthode photoconductive
Pour la mesure de l’impulsion RSFQ
Photocommutateurs semi-conducteurs à base d’ AsGa-BT
Méthodes de mesures
Vcc
20
Photocommutateur de mesure
Photocommutateurs MSM (Métal Semi-conducteur Métal) interdigités sur guide d’onde coplanaire en or
5 topologies différentes
Zc = 50
largeur ruban central entre 40 et 100 µm
nombre de doigts entre 5 et 11
largeurs des doigts 0,5 ou 1µm
conducteur
GaAs BT : Be
(largeur des doigts : 0,5 µm)
21
sommaire
Introduction Intérêt de l’électronique supraconductrice Logique RSFQ Problématique de la mesure de signaux RSFQ
Modèle opto-hyperfréquence & théorie
Étude hyperfréquence des photocommutateurs
Banc de mesures et résultats expérimentaux
Conclusion & perspectives
22
Modélisation
( ) ( )( )
( )
( ) ( )( )
( )
n
p
dn t n tphotons t
dt t
dp t p tphotons t
dt t
1( )
( ), ( )r t
n t p t
Vpol
La photocommutation
dispositif polarisé par le signal à échantillonner
illumination par une impulsion optique femtoseconde
création de porteurs diminution de la résistance du matériau
commutation des électrodes pendant la durée de vie des porteurs
échantillonnage du signal électrique
23
modèle électrique
Robs
r(t)
Zc
C
u(t)
Vpol
Zc
( )( ) 1 ( )
2 ( )pol
c
V u tdu t u t
dt C Z R t
Continu
Sinusoïdal
Impulsion RSFQ
24
Modélisation et théorie
Vpol est un signal sinusoïdal d’amplitude 1V et de fréquence 10GHz
C = 3,3 fF ; Popt = 2 mW ; e = 0,5 ps ; p = 12,4 ps
25
Modélisation et théorie
Vpol est une impulsion RSFQ
C = 3,3 fF ; Popt = 2 mW ; e = 0,5 ps ; p = 12,4 ps
26
0
0.5
1
1.5
2
-5 0 5
Imoy
(nA
)
retard (ps)
Modélisation et théorie
calcul de courant moyen en fonction du retard temporel
( ) ( )( )
2.C
Vrsfq t u tI t
Z
Robs
r(t)
Zc
C
u(t)
Vrsfq
Zc
I(t)
27
sommaire
Introduction Intérêt de l’électronique supraconductrice Logique RSFQ Problématique de la mesure de signaux RSFQ
Modèle opto-hyperfréquence & théorie
Étude hyperfréquence des photocommutateurs
Banc de mesures et résultats expérimentaux
Conclusion & perspectives
28
Étude hyperfréquence
Étude hyperfréquence pour:
Une optimisation de la sensibilité du photocommutateur
Optimisation de la géométrie
Bon contraste ON/OFF:
Mieux échantillonner les signaux rapides
29
Étude hyperfréquence
Dans le domaine fréquentiel le photocommutateur est représenté par le modèle PI*
CgCp1 Cp2
CgCp1 Cp2
R
photocommutateur non éclairé : mode OFF
photocommutateur éclairé : mode ON
*:M. Naghed and I. Wolff, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 38, No.12, December 1990.
L
d
w
ls
LT-GaAs
Vs Vrsfq VsVrsfq
30
Étude Hyperfréquence
Y3
Y1 Y2
Méthode de calcul Matrice ABCD
2
3 3
1 2 11 2
3 3
11
1
Y
Y YA B
C D YY YY Y
Y Y
0
0
0
0
0
0
11
221
221
22
O
O
O
O
O
O
BA CZ DZS
BA CZ DZ
AD BCS
BA CZ DZ
SBA CZ DZ
BA CZ DZS
BA CZ DZ
Paramètres de répartition: Sij
Mode OFF: Sij() = f (Cg,Cpi, )
Mode ON: Sij() = f (R,Cg,Cpi, )
31
Étude hyperfréquence
Hypothèses:
Éclairage total du photocommutateur.
La résistance induite par éclairage est constante durant le passage du signal RSFQ à travers le photocommutateur.
mode ON du photocommutateur
32
En mode ON
Étude hyperfréquence
En mode OFF
Fréquence d’étude: 200GHz Largeur de la ligne centrale: l =20 µm
Le bon compromis ?
Largeur des doigtsDistance inter-doigts
Largeur des doigts Distance inter-doigts
L
d
w
l
( 1)l Nw N d
N=2
N=3
N=1
0
N=2
N=10
0,2
0,8
Rapport ON/OFF = 12 dB
33
Étude hyperfréquence
L=100µm
L=10µm
d=10µm
Étude paramétrique du Coefficient de transmission en mode OFF en fonction de la longueur des doigts
34
Étude hyperfréquence
la distance inter-doigts améliore la transmission en mode ON
Améliorer le coefficient de réflexion en mode OFF avec des doigts large et de faible longueur
Pour réaliser un bon contraste: ON/OFF
La structure coplanaire à gap permet de réaliser un bon rapport ON/OFF 20 dB pour un gap de 10 µm à 200GHz
35
sommaire
Introduction Intérêt de l’électronique supracoductrice Logique RSFQ Problématique de la mesure de signaux RSFQ
Modèle opto-hyperfréquence & théorie
Étude hyperfréquence des photocommutateurs
Banc de mesures et résultats expérimentaux
Conclusion & perspectives
36
Faisceau laser
Source de tension continueampèremètre
Mesure de courant moyen
Mesures Statiques
photocommutateur caractérisé
70µm
66µm
50µmà base d’AsGa
37
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
-3 -2 -1 0 1 2 3
I (µ
A)
Vpol (V)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
-40 -20 0 20 40
Popt = 8.64mWPopt = 17mWPopt = 27mW
I (µ
A)
Vpol (mV)
Mesures Statiques
Contact Schottky
caractéristique I(V)
38
Mesures statiques
V
W1 W2
E
Efm2
Efm1
1
2
qV2qV1
I
0 d x
1 2
Efs
Contact Schottky: explication
1 > 2
W1 > W2
I < 0 à 0 V
39
Banc expérimental
40
Banc expérimental
Chopper
Photocommutateur de commutation
Cryostat
Photocommutateur de mesure
Circuit RSFQ
Source Laser
41
Banc expérimental
Faisceau laser
Source Laser
TDR
photocommutateur
Pour la synchronisation
Source de tension
Source Hyperfréquence
GND Vcc
T de polarisation
entrée RF
sortie RF
42
réponse temporelle
0,01
0,1
1
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Am
plit
ude
no
rma
lisé
Temps (ps)
e ps
t ps
43
Résultats de mesure
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
0 200 400 600 800 1000
Mesure TDR
Sig
nal (
mV
)
Temps (ps)
Simulation
70 mV194 mV
Rapport ON/OFF:
Simulation 24 dB
Mesure 9 dB
Mesure en temps réel:
Popt = 9mW ; Fvpol=10,7 GHz
44
Banc expérimental
Lase
r pu
lsé
fs T
i-Sa
=80
0nm
; 10
0fs;
75,
5 M
Hz
Sou
rce
hype
rfré
quen
ce
Déclenché à 75,5MHz
Détection Synchrone
Hacheur
lentillef = 13 cm
Ligne à retard
s(t)
I(t+)
45
Échantillonnage optique d’un signal hyperfréquence
source hyper atténué de 6dB
-60
-40
-20
0
20
40
60
0 20 40 60 80 100
source hyper sans atténuation
Temps (ps)
Sig
nal m
oye
n (m
V)
sur
l'ent
rée
hau
te im
pé
dan
ce d
e la
dét
ect
ion
syn
chro
ne
Échantillonnage optique d’une sinusoïde à 10 GHz Popt = 9 mW
46
Banc expérimental
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
0 20 40 60 80 100
Sig
nal m
oye
n (m
V)
sur
l'en
tré
e h
aute
imp
éda
nce
de
la d
éte
ctio
n s
ynch
ron
e
Temps (ps)
mesure en temps équivalent du signal hyperfréquence d’amplitude 2,8 mV à 10,7GHz
Popt = 9 mW
47
Échantillonnage RF
48
Banc expérimental
1
10
100
10 100 1000
Am
plit
ud
e cr
ète
-crè
te d
e s
ortie
(m
V)
Amplitude crète-crète à l'entrée (mV)
Rendement = 78,5 10-3
-22,1dB
49
sommaire
Introduction Intérêt de l’électronique supraconductrice Logique RSFQ Problématique de la mesure de signaux RSFQ
Modèle opto-hyperfréquence & théorie
Étude hyperfréquence des photocommutateurs
Banc de mesures et résultats expérimentaux
Conclusion & perspectives
50
Conclusion
Modélisation opto-hyperfréquence simple du dispositif de détection
modèle validé grâce à la mesure en temps réel avec le TDR
possibilité d’échantillonner des signaux hyperfréquences
modèle simple => étude paramétrique possible de la géométrie du
photocommutateur
Réalisation d’un banc de mesure opto-hyperfréquence
caractérisation du photocommutateur à gap: rapport ON/OFF
mesure de la durée de vie des porteurs
révélation du contact Schottky
mesure de la sensibilité du photocommutateur
51
Conclusion
le photocommutateur est capable dedétecter un signal d’amplitude 1mV à 10 GHz
E=15V/m
52
Perspectives
Avec un gap de 6 µm on peut mesurer une tension de 0,1 mV
Amélioration de la sensibilité et de la résolution temporelle grâce à des matériaux plus rapides avec des géométries optimisées
Étude hyperfréquence du photocommutateur
• variation temporelle de la résistance sous illumination
• forme gaussienne du signal optique
Sij(w) = f (R(t) , Cg , Cpi , w)
Échantillonnage et détection des signaux RSFQPhotocommutateur de
commutation
Cryostat
Photocommutateur de mesure
Circuit RSFQ
53
Merci
Recommended