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

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Présentation au sujet: "Siham BADI Interfaces optoélectroniques ultra-rapides pour l'électronique supraconductrice à quantum de flux magnétique."— Transcription de la présentation:

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

2 Développer les interfaces optoélectroniques pour
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 Modèle opto-hyperfréquence & théorie
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 Les avantages de l’électronique supraconductrice
Supraconducteurs Les avantages de l’électronique supraconductrice Faible dissipation  Joule/bit Large bande passante 100 GHz Là où l’électronique semiconductrice montre ces limites , l’électronique supraconductrice ouvre la voie de l’électronique ultrarapide en associant une large bande passante à une très faible dissipation

5 Courant Josephson continu
Jonction Josephson La jonction Josephson est l’élément de base de l’électronique supraconductrice: (Squid, circuit RSFQ,…) Jonction Josephson Schéma électrique S I Idc Courant Cette technologie cryogénique dépend des propriétés physiques des matériaux supraconducteurs et de l’élément de base des circuits, la jonction Josephson Ic Courant Josephson continu 2D/e Tension 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 Lorsque le courant de polarisation Ip  Ic
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 Résolution d’amplitude  100µV Résolution temporelle  0,5ps

10 Les techniques d’échantillonnage optique Composants optoélectroniques
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 faible temps de vie des électrons < 1ps
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 Laser pulsé Femtoseconde Ti-Sa(800 nm, 100 fs, 75,5 MHz)
Principe I(t) Laser pulsé Femtoseconde Ti-Sa(800 nm, 100 fs, 75,5 MHz) interface de déclenchement Opto-RSFQ circuits RSFQ I(t+) Interface d’échantillonnage Opto-supraconducteur Ligne à retard optique

14 génération d’impulsion RSFQ
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 de génération LiTaO3 Au AsGa-BT

17 Echantillonnage électro-optique
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 Echantillonnage électro-optique à température cryogénique
C.Wang et al. En 1995: La température de travail est de 2,1K 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 Méthode photoconductive
Méthodes de mesures Méthode photoconductive Vcc Pour la mesure de l’impulsion RSFQ Photocommutateurs semi-conducteurs à base d’ AsGa-BT

20 5 topologies différentes Zc = 50 
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 Modèle opto-hyperfréquence & théorie
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 dispositif polarisé par le signal à échantillonner
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 Robs r(t) Vpol Continu Sinusoïdal Impulsion RSFQ
modèle électrique Robs r(t) Zc C u(t) Vpol 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 Modélisation et théorie
Robs r(t) Zc C u(t) Vrsfq I(t) calcul de courant moyen en fonction du retard temporel

27 Modèle opto-hyperfréquence & théorie
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 pour:
Une optimisation de la sensibilité du photocommutateur Optimisation de la géométrie Bon contraste ON/OFF: Mieux échantillonner les signaux rapides

29 photocommutateur non éclairé : mode OFF photocommutateur éclairé :
Étude hyperfréquence Dans le domaine fréquentiel le photocommutateur est représenté par le modèle PI* LT-GaAs w L l s Cg Cp1 Cp2 R d Cg Cp1 Cp2 Vs Vrsfq Vs Vrsfq 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 Méthode de calcul Matrice ABCD Paramètres de répartition: Sij
Étude Hyperfréquence Méthode de calcul Matrice ABCD Y3 Y1 Y2 Paramètres de répartition: Sij Mode ON: Sij() = f (R,Cg,Cpi, ) Mode OFF: Sij() = f (Cg,Cpi, )

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

32 En mode ON En mode OFF Fréquence d’étude: 200GHz
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 L d w l N=3 0,2 N=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 Pour réaliser un bon contraste: ON/OFF
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 Modèle opto-hyperfréquence & théorie
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 Source de tension continue
Mesures Statiques photocommutateur caractérisé 70µm 66µm 50µm à base d’AsGa Mesure de courant moyen Faisceau laser Source de tension continue ampèremètre

37 Mesures Statiques caractéristique I(V) Contact Schottky

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

39 Banc expérimental

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

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

42 réponse temporelle

43 Rapport ON/OFF: Mesure en temps réel: Mesure 9 dB Simulation 24 dB
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 Source hyperfréquence
Banc expérimental Déclenché à 75,5MHz Laser pulsé fs Ti-Sa l=800nm; 100fs; 75,5 MHz Source hyperfréquence s(t) I(t+t) lentille f = 13 cm 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 Modèle opto-hyperfréquence & théorie
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 le photocommutateur est capable de
Conclusion le photocommutateur est capable de détecter 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 RSFQ Photocommutateur de commutation Cryostat Photocommutateur de mesure Circuit RSFQ

53 Merci


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