these_presentation_oral_V2 - TEL (thèses-en

Siham BADI
Interfaces optoélectroniques ultra-rapides
pour l'électronique supraconductrice à
quantum de flux magnétique
1
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
2
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
3
Supraconducteurs
Les avantages de l’électronique
supraconductrice
 Faible dissipation
 10-18 Joule/bit
 Large bande passante
100 GHz
4
Jonction Josephson
La jonction Josephson est l’élément de base de l’électronique supraconductrice:
(Squid, circuit RSFQ,…)
 Jonction Josephson
S
I
Idc
S
Schéma
électrique
Courant
Ic
Courant Josephson
continu
0
V=0
2D/e
Tension
I  Ic sin 
5
Jonction Josephson utilisée en mode logique
 Jonction Josephson shuntée par une résistance
Courant
Ic
Jonction
Josephson non
hystérétique
(shuntée)
Tension
Amplitude de
l’impulsion
6
Impulsion RSFQ
impulsion RSFQ
Lorsque le courant de polarisation Ip  Ic
Courant
Ic
Impulsion de tension
Tension
Tension (mV)
~ amplitude de
l’impulsion
2 RNIC
 V . dt
Temps (ps)
0 = h/2e = 2,07 ps.mV
7
Tension
Jonction Josephson utilisée en mode logique
Temps Horloge
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
8
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
0
Dt = 0/ 2 RNIC
Pour RNIC = 0,26 mV (valeur typique)
- Hypres (USA)
- IPHT (Allemagne)
- Nec (Japon)

Dt = 4 ps
 Résolution d’amplitude  100µV
 Résolution temporelle  0,5ps
9
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
10
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
11
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)
1
 = 500 fs
DR/R (u.a)
0.8
n
 = 5 ps
0.6
p
0.4
0.2
0
0
2
4
6
temps (ps)
8
10
12
12
Principe
I(t)
Laser pulsé
Femtoseconde
Ti-Sa(800 nm, 100 fs,
75,5 MHz)
interface de
déclenchement
Opto-RSFQ
circuits
RSFQ
I(t+)
Ligne à retard optique
Interface
d’échantillonnage
Optosupraconducteur
13
Principe de mesure
ligne à retard
source fs
mesure
déclenchement
détecteur
optique
génération
d’impulsion
RSFQ
détection par
 photoconduction
 électro-optique
 électro-absorption
14
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
Circuit RSFQ
Objectif de ma thèse
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
15
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
16
Méthodes de mesures
• Echantillonnage électro-optique
 Effet instantané: permet d’avoir une
meilleure résolution temporelle < 0,2ps
Θ Difficulté de mise en place à température
cryogénique
17
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
18
Méthodes de mesures
Méthode photoconductive
Vcc
 Pour la mesure de l’impulsion RSFQ
Photocommutateurs semi-conducteurs à base d’ AsGa-BT
19
Photocommutateur de
mesure
Photocommutateurs MSM (Métal Semi-conducteur Métal) interdigités sur
guide d’onde coplanaire en or
conducteur
GaAs BT : Be
 5 topologies différentes
(largeur des doigts : 0,5 µm)
 Zc = 50 
 largeur ruban central entre 40 et 100 µm
 nombre de doigts entre 5 et 11
 largeurs des doigts 0,5 ou 1µm
20
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
21
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
dn(t )
n(t )
 photons(t ) 
dt
 n (t )
Vpol
dp (t )
p (t )
 photons (t ) 
dt
 p (t )
1
r (t ) 
n(t ), p(t )
22
modèle électrique
u(t)
C
Zc
Zc
Robs
r(t)
Continu
Vpol
Sinusoïdal
Impulsion RSFQ
du (t ) 1  V pol  u (t ) u (t ) 
 


dt
C  2Z c
R(t ) 
23
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

24
Modélisation et théorie
 Vpol est une impulsion RSFQ
C = 3,3 fF ; Popt = 2 mW ; e = 0,5 ps ; p = 12,4 ps

25
Modélisation et théorie
Vrsfq (t )  u (t )
I (t ) 
2.Z
u(t)
C
C
Zc
Zc
Robs
I(t)
 calcul de courant moyen en fonction du
retard temporel
r(t)
2
Vrsfq
Imoy (nA)
1.5
1
0.5
0
-5
0
retard (ps)
5
26
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
27
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
28
Étude hyperfréquence
Dans le domaine fréquentiel le photocommutateur est représenté par le modèle
PI*
LT-GaAs
w
L
l
s
d
Vrsfq
Cg
Cp1
Cp2
Vs
photocommutateur non éclairé :
mode OFF
Vrsfq Cp1
R
Cg
Cp2
Vs
photocommutateur éclairé :
mode ON
*:M. Naghed and I. Wolff, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 38, No.12, December 1990.
29
Étude Hyperfréquence
 Méthode de calcul
 Matrice ABCD
Y2

1

Y3
A B  

C D  

 Y  Y  Y1Y2
 1 2 Y
3

Y3
Y1
Y2
 Paramètres de répartition: Sij
 Mode ON:
 Mode OFF:
Sij() = f (R,Cg,Cpi, )
Sij() = f (Cg,Cpi, )
S11 
S 21 
A B
A B
1 
Y3 

Y
1 1 
Y3 
 CZ  D
Z
O
Z
O
0
 CZ  D
0
2  AD  BC 
A  B  CZ  D
Z
0
O
S 21 
S 22 
A B
Z
A  B
A B
2
 CZ  D
0
O
Z
Z
 CZ  D
0
O
 CZ  D
0
O
30
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.
31
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
Largeur des doigts
Distance inter-doigts
w
L
l
0,2
d
l  Nw  ( N  1) d
En mode OFF
Largeur des doigts
Distance inter-doigts
32
Étude hyperfréquence
 Étude paramétrique du Coefficient de transmission en mode OFF en
fonction de la longueur des doigts
d=10µm
L=100µm
L=10µm
33
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
34
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
35
Mesures Statiques
 photocommutateur caractérisé
à base d’AsGa
50µm
70µm
66µm
 Mesure de courant moyen
Faisceau laser
Source de tension continue
ampèremètre
36
Mesures Statiques
caractéristique I(V)
30
20
0
-1 0
-2 0
3
-3 0
2
-4 0
-3
-2
-1
0
1
2
3
1
V p o l (V )
I (µA )
I (µA )
10
0
-1
-2
Contact Schottky
P o p t = 8 .6 4 m W
Popt = 17m W
Popt = 27m W
-3
-4
-4 0
-2 0
0
20
40
V p o l (m V )
37
Mesures statiques
 Contact Schottky: explication
2
E
Efm2
qV1
1
qV2
Efs
Efm1
W1
W2
1
0
2
d
x
I
V
1 > 2
I<0à0V
W1 > W2
38
Banc expérimental
39
Banc expérimental
Source Laser
Photocommutateur de
commutation
Circuit RSFQ
Cryostat
Photocommutateur de
mesure
Chopper
40
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
41
réponse temporelle
Amplitude normalisé
1
e ps
0,1
t ps
0,01
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temps (ps)
42
Résultats de mesure
 Mesure en temps réel:
Popt = 9mW ; Fvpol=10,7 GHz
400
Mesure TDR
300
Simulation
Signal (mV)
200
100
70 mV
0
194 mV
-100
Rapport ON/OFF:
-200
Mesure 9 dB
-300
-400
Simulation 24 dB
0
200
400
600
Temps (ps)
800
1000
43
Banc expérimental
Laser pulsé fs Ti-Sa
=800nm; 100fs; 75,5 MHz
Déclenché à 75,5MHz
Source hyperfréquence
s(t)
lentille
f = 13 cm
I(t+)
Détection
Synchrone
Ligne à retard
Hacheur
44
Échantillonnage optique d’un
signal hyperfréquence
Signal moyen (mV) sur l'entrée
haute impédance de la détection synchrone
 Échantillonnage optique d’une sinusoïde à 10 GHz
Popt = 9 mW
60
source hyper sans atténuation
source hyper atténué de 6dB
40
20
0
-20
-40
-60
0
20
40
60
Temps (ps)
80
100
45
Banc expérimental
Signal moyen (mV) sur l'entrée
haute impédance de la détection synchrone
mesure en temps équivalent du signal hyperfréquence d’amplitude 2,8 mV à 10,7GHz
Popt = 9 mW
7.5
7
6.5
6
5.5
5
4.5
0
20
40
60
Temps (ps)
80
100
46
Échantillonnage RF
47
Amplitude crète-crète de sortie (mV)
Banc expérimental
100
Rendement = 78,5 10-3
-22,1dB
10
1
10
100
1000
Amplitude crète-crète à l'entrée (mV)
48
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
49
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
50
Conclusion
le photocommutateur est capable de
détecter un signal d’amplitude 1mV à 10 GHz
E=15V/m
51
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
Circuit RSFQ
Cryostat
Photocommutateur de
mesure
52
Merci
53