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

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Présentation au sujet: "1 Siham BADI Interfaces optoélectroniques ultra-rapides pour l'électronique supraconductrice à quantum de flux magnétique."— Transcription de la présentation:

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

2 2 Contexte Développer les interfaces optoélectroniques pour les circuits RSFQ Lélectronique supraconductrice est envisagée comme une rupture pour les nouvelles générations de circuits électroniques ultra-rapides

3 3 sommaire Introduction Présentation de lélectronique 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 4 Supraconducteurs Les avantages de lélectronique supraconductrice Faible dissipation Joule/bit Large bande passante 100 GHz

5 5 Jonction Josephson 2 /e IcIc Tension Courant Schéma électrique 0 SS I Jonction Josephson I dc Courant Josephson continu V = 0 La jonction Josephson est lélément de base de lélectronique supraconductrice: (Squid, circuit RSFQ,…)

6 6 Jonction Josephson non hystérétique (shuntée) Tension Amplitude de limpulsion Courant IcIc Jonction Josephson utilisée en mode logique Jonction Josephson shuntée par une résistance

7 7 Impulsion RSFQ Lorsque le courant de polarisation I p I c Tension ~ amplitude de limpulsion Courant IcIc Impulsion de tension V = R N I C Temps (ps) Tension (mV) 0 = h/2e = 2,07 ps.mV 2 R N I C impulsion RSFQ

8 8 Temps Horloge Temps Données état 0 état 1 état 0 Tension état 0 : absence dune impulsion durant la période du signal dhorloge état 1 : présence dune impulsion durant la période du signal dhorloge Jonction Josephson utilisée en mode logique

9 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 R N I C t = 0 / 2 R N I C Pour R N I C = 0,26 mV (valeur typique) t = 4 ps Résolution damplitude 100µV Résolution temporelle 0,5ps 0 - Hypres (USA) - IPHT (Allemagne) - Nec (Japon)

10 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 déchantillonnage optique Composants optoélectroniques

11 11 Laser pulsé saphir : titane Tsunami (Spectra Physics) = 800 nm P moy = 400 mW Durée dimpulsion = 100 fs Fréquence de répétition = 75,5 MHz Problématique de mesure de signaux RSFQ Solution ? Source laser pulsée

12 12 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 13 Laser pulsé Femtoseconde Ti-Sa(800 nm, 100 fs, 75,5 MHz) interface de déclenchement Opto-RSFQ circuits RSFQ Interface déchantillonnage Opto- supraconducteur Ligne à retard optique I(t) I(t+ ) Principe

14 14 Principe de mesure source fs détecteur optique ligne à retard génération dimpulsion RSFQ déclenchement mesure détection par photoconduction électro-optique électro-absorption

15 15 Photocommutateur de déclenchement fabrication à IPHT Jena avec process standard RSFQ Nb/Al-AlOx/Nb avec densité de courant 1kA/cm 2 photocommutateur Supraconducteur Circuit RSFQ Analyse statique : DC RSFQ design : H. Toepfer & T. Ortlepp University of Technology Ilmenau RSFQ fab : J. Kunert, H.-G. Meyer - IPHT Jena Exemple de photocommutateur intégré avec un circuit RSFQ Objectif de ma thèse Mesure ?

16 16 Méthodes de mesure optique utilisées au laboratoire: Echantillonnage électro-optique Faisceau de mesure Faisceau de génération LiTaO 3 Au AsGa-BT ellipsoïde d indice du cristal Effet Pockels : n opt = f(E stat )

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

18 18 Echantillonnage électro-optique à température cryogénique Le dispositif est totalement couvert par un film du cristal électro-optique FWHM = 3,2 ps Limpulsion SFQ résolue en temps mesurée : Amplitude 0,65 mV La température de travail est de 2,1K C.Wang et al. En 1995:

19 19 Méthode photoconductive Pour la mesure de limpulsion RSFQ Photocommutateurs semi-conducteurs à base d AsGa-BT Méthodes de mesures Vcc

20 20 Photocommutateur de mesure Photocommutateurs MSM (Métal Semi-conducteur Métal) interdigités sur guide donde coplanaire en or 5 topologies différentes Z c = 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 21 sommaire Introduction Intérêt de lélectronique 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 22 Modélisation 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 23 modèle électrique Robs r(t) ZcZc C u(t) Vpol ZcZc Continu Sinusoïdal Impulsion RSFQ

24 24 Modélisation et théorie V pol est un signal sinusoïdal damplitude 1V et de fréquence 10GHz C = 3,3 fF ; P opt = 2 mW ; e = 0,5 ps ; p = 12,4 ps

25 25 Modélisation et théorie V pol est une impulsion RSFQ C = 3,3 fF ; P opt = 2 mW ; e = 0,5 ps ; p = 12,4 ps

26 26 Modélisation et théorie calcul de courant moyen en fonction du retard temporel Robs r(t) ZcZc C u(t) Vrsfq ZcZc I(t)

27 27 sommaire Introduction Intérêt de lélectronique 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 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 29 Étude hyperfréquence Dans le domaine fréquentiel le photocommutateur est représenté par le modèle PI * Cg Cp1 Cp2 Cg Cp1 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 L d w l s LT-GaAs Vs Vrsfq Vs Vrsfq

30 30 Étude Hyperfréquence Y3Y3 Y1Y1 Y2Y2 Méthode de calcul Matrice ABCD Paramètres de répartition: S ij Mode OFF: Sij( ) = f (C g,C pi, ) Mode ON: Sij( ) = f (R,Cg,Cpi, )

31 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 32 En mode ON Étude hyperfréquence En mode OFF Fréquence détude: 200GHz Largeur de la ligne centrale: l =20 µm Le bon compromis ? Largeur des doigts Distance inter-doigts Largeur des doigts Distance inter-doigts L d w l N=2 N=3 N=10 N=2 N=10 0,2 0,8 Rapport ON/OFF = 12 dB

33 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 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 35 sommaire Introduction Intérêt de lélectronique 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 36 Faisceau laser Source de tension continue ampèremètre Mesure de courant moyen Mesures Statiques photocommutateur caractérisé 70µm 66µm 50µm à base dAsGa

37 37 Mesures Statiques Contact Schottky caractéristique I(V)

38 38 Mesures statiques V W1W1 W2W2 E E fm2 E fm1 1 2 qV 2 qV 1 I 0 d x 1 2 E fs Contact Schottky: explication 1 > 2 W 1 > W 2 I < 0 à 0 V

39 39 Banc expérimental

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

41 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 42 réponse temporelle

43 43 Résultats de mesure 70 mV 194 mV Rapport ON/OFF: Simulation 24 dB Mesure 9 dB Mesure en temps réel: P opt = 9mW ; F vpol =10,7 GHz

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

45 45 Échantillonnage optique dun signal hyperfréquence Échantillonnage optique dune sinusoïde à 10 GHz P opt = 9 mW

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

47 47 Échantillonnage RF

48 48 Banc expérimental Rendement = 78, ,1dB

49 49 sommaire Introduction Intérêt de lélectronique 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 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 51 Conclusion le photocommutateur est capable de détecter un signal damplitude 1mV à 10 GHz E=15V/m

52 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 S ij (w) = f (R(t), Cg, Cpi, w) Échantillonnage et détection des signaux RSFQ Photocommutateur de commutation Cryostat Photocommutateur de mesure Circuit RSFQ

53 53 Merci


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