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Siham BADI

Siham BADI. Interfaces optoélectroniques ultra-rapides pour l'électronique supraconductrice à quantum de flux magnétique. Contexte . L’électronique supraconductrice est envisagée comme une rupture pour les nouvelles générations de circuits électroniques ultra-rapides.

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Presentation Transcript

  1. Siham BADI Interfaces optoélectroniques ultra-rapides pour l'électronique supraconductrice à quantum de flux magnétique

  2. Contexte L’électronique supraconductrice est envisagée comme une rupture pour les nouvelles générations de circuits électroniques ultra-rapides • Développer les interfaces optoélectroniques pour les circuits RSFQ

  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. S S I Schéma électrique Jonction Josephson La jonction Josephson est l’élément de base de l’électronique supraconductrice: (Squid, circuit RSFQ,…) • Jonction Josephson Idc Courant Ic Courant Josephson continu 0 Tension 2D/e V = 0

  6. Jonction Josephson utilisée en mode logique • Jonction Josephson shuntée par une résistance Courant Ic Jonction Josephson non hystérétique (shuntée) Tension Amplitude de l’impulsion

  7. Impulsion RSFQ impulsion RSFQ Courant Lorsque le courant de polarisation Ip  Ic Ic V = RNIC Impulsion de tension Tension ~ amplitude de l’impulsion Tension (mV) 2 RNIC Temps (ps) 0 = h/2e = 2,07 ps.mV

  8. Jonction Josephson utilisée en mode logique Temps Horloge Tension état 0 état 1 état 0 Temps Données 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

  9. Résolution d’amplitude  100µV • Résolution temporelle  0,5ps 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 • Pour RNIC = 0,26 mV (valeur typique) • t = 4 ps 0 - Hypres (USA) - IPHT (Allemagne) - Nec (Japon) t = 0/2 RNIC

  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. Problématique de mesure de signaux RSFQ Solution ? • Source laser pulsée Laser pulsé saphir : titane Tsunami (Spectra Physics)  = 800 nm Pmoy = 400 mW Durée d’impulsion = 100 fs Fréquence de répétition = 75,5 MHz

  12. Problématique de mesure de signaux RSFQ Solution ? • AsGa-BT dopé Be : • faible temps de vie des électrons < 1ps • bonne mobilité  500 cm² V-1 s-1 Mesure en réflectométrie temporelle du GaAs BT : Be (SPI Vilnius)

  13. Principe I(t) interface de déclenchement Opto-RSFQ Laser pulsé Femtoseconde Ti-Sa(800 nm, 100 fs, 75,5 MHz) circuits RSFQ I(t+) Interface d’échantillonnage Opto-supraconducteur Ligne à retard optique

  14. Principe de mesure ligne à retard mesure source fs déclenchement détecteuroptique génération d’impulsion RSFQ détection par photoconduction électro-optique électro-absorption

  15. Photocommutateur de déclenchement • Exemple de photocommutateur intégré avec un circuit RSFQ fabrication à IPHT Jena avec process standard RSFQ Nb/Al-AlOx/Nb avec densité de courant 1kA/cm2 Objectif de ma thèse Circuit RSFQ Mesure ? photocommutateur Supraconducteur • Analyse statique : DC RSFQ design : H. Toepfer & T. Ortlepp University of Technology Ilmenau RSFQ fab : J. Kunert, H.-G. Meyer - IPHT Jena

  16. Méthodes de mesure optique utilisées au laboratoire: • Echantillonnage électro-optique Effet Pockel’s : nopt = f(Estat) ellipsoïde d ‘indice du cristal Faisceau de mesure Faisceau degénération LiTaO3 Au AsGa-BT

  17. Méthodes de mesures • Echantillonnage électro-optique • Effet instantané: permet d’avoir une meilleure résolution temporelle < 0,2ps • Difficulté de mise en place à température cryogénique

  18. C.Wang et al. En 1995: La température de travail est de 2,1K 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

  19. Vcc Méthodes de mesures Méthode photoconductive • Pour la mesure de l’impulsion RSFQ Photocommutateurs semi-conducteurs à base d’ AsGa-BT

  20. Photocommutateur de mesure Photocommutateurs MSM (Métal Semi-conducteur Métal) interdigités sur guide d’onde coplanaire en or conducteur GaAs BT : Be (largeur des doigts : 0,5 µm) • 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

  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 • 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 Vpol

  23. u(t) C Zc Zc Robs r(t) Vpol modèle électrique 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. u(t) C Zc Zc Robs I(t) r(t) Vrsfq Modélisation et théorie • calcul de courant moyen en fonction du retard temporel

  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. R Cg Cp1 Cp2 Cg Cp1 Cp2 Vrsfq Vrsfq Vs Vs Étude hyperfréquence Dans le domaine fréquentiel le photocommutateur est représenté par le modèle PI* LT-GaAs w L l s d 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.

  30. Y3 Y1 Y2 Étude Hyperfréquence • Méthode de calcul • Matrice ABCD • Paramètres de répartition: Sij • Mode ON:Sij() = f (R,Cg,Cpi, ) • Mode OFF:Sij() = f (Cg,Cpi, )

  31. Étude hyperfréquence modeONdu photocommutateur Hypothèses: • Éclairage total du photocommutateur. • La résistance induite par éclairage est constante durant le passage du signal RSFQ à travers le photocommutateur.

  32. w L l d Étude hyperfréquence En mode ON • Fréquence d’étude: 200GHz • Largeur de la ligne centrale: l =20 µm 0,8 Le bon compromis ? N=2 N=10 Rapport ON/OFF = 12 dB N=10 Largeur des doigts Distance inter-doigts N=3 N=2 0,2 Largeur des doigts Distance inter-doigts En mode OFF

  33. Étude hyperfréquence • Étude paramétrique du Coefficient de transmission en mode OFF en fonction de la longueur des doigts d=10µm L=100µm L=10µm

  34. Étude hyperfréquence • Pour réaliser un bon contraste: ON/OFF • 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 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 continue 50µm ampèremètre 70µm 66µm Mesures Statiques • photocommutateur caractérisé à base d’AsGa • Mesure de courant moyen

  37. Mesures Statiques caractéristique I(V) Contact Schottky

  38. E 2 Efm2 qV2 1 qV1 Efs Efm1 W1 W2 2 1 x 0 d I V Mesures statiques • Contact Schottky: explication 1 > 2 W1 > W2 I < 0à 0 V

  39. Banc expérimental

  40. Photocommutateur de commutation Circuit RSFQ Photocommutateur de mesure Cryostat Banc expérimental Source Laser Chopper

  41. Source Laser Banc expérimental Pour la synchronisation Faisceau laser Source Hyperfréquence T de polarisation entrée RF TDR Vcc GND sortie RF photocommutateur Source de tension

  42. réponse temporelle

  43. Résultats de mesure • Mesure en temps réel: • Popt = 9mW ; Fvpol=10,7 GHz 70 mV 194 mV Rapport ON/OFF: • Mesure 9 dB • Simulation 24 dB

  44. Banc expérimental Déclenché à 75,5MHz Laser pulsé fs Ti-Sa l=800nm; 100fs; 75,5 MHz Source hyperfréquence s(t) lentille f = 13 cm I(t+t) Détection Synchrone Ligne à retard Hacheur

  45. Échantillonnage optique d’un signal hyperfréquence • Échantillonnage optique d’une sinusoïde à 10 GHz • Popt = 9 mW

  46. Banc expérimental mesure en temps équivalent du signal hyperfréquence d’amplitude 2,8 mV à 10,7GHz Popt = 9 mW

  47. Échantillonnage RF

  48. Banc expérimental 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

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