1 siham badi interfaces optoélectroniques ultra-rapides pour l'électronique supraconductrice...

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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

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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)

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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)

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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

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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

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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

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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

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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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Conclusion

le photocommutateur est capable dedétecter un signal d’amplitude 1mV à 10 GHz

E=15V/m

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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