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Electronique supraconductrice - Grenoble INP - IMEP-LAHC

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Electronique supraconductrice

Responsable / Headed by Pascal FEBVRE

Contexte et Objectifs


Cette activité se concentre sur l'étude de circuits logiques supraconducteurs à quantum de flux, appelés plus communément circuits RSFQ (Rapid Single-Flux Quantum). Les circuits utilisent comme composant de base la jonction Josephson à effet tunnel, équivalent pour les supraconducteurs des transistors utilisés dans les circuits semi-conducteurs. Les circuits RSFQ, dont les jonctions Josephson sont shuntées par une résistance soigneusement choisie, permettent de générer, propager et stocker l'information binaire sous la forme d'un quantum de flux magnétique h/2e (h est la constante de Planck et e la charge élémentaire) valant 2,0710-15 Wb. Cette information binaire se propage sous forme d'impulsions de tension quantifiées dont l'aire vaut 2,07 mV.ps. La durée d'une impulsion étant de l'ordre de quelques picosecondes, le taux de répétition de ces impulsions, qui est la fréquence d'horloge maximale des circuits, est de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de GHz. La propagation s'effectue sans pertes dans les circuits supraconducteurs, à une vitesse proche de la moitié de la vitesse de la lumière. La présence d'une telle impulsion dans un intervalle de temps donné correspond au codage binaire '1'. L'absence d'une telle impulsion est alors codée en '0'. Le stockage de l'information binaire dans le circuit est réalisé en la bloquant sous forme d'un courant permanent I qui circule dans une boucle supraconductrice. Le flux associé à ce courant est égal au quantum de flux magnétique et vaut L.I = 2,07 pH.mA, où L est l'inductance de la boucle de stockage.
L'électronique RSFQ présente un grand intérêt pour plusieurs applications de niche, comme les routeurs ultrarapides pour les réseaux de communication, les convertisseurs analogique-numérique travaillant dans le domaine microonde et les détecteurs numériques ultrasensibles, pour lesquels il n'existe pas d'équivalent dans le monde des semi-conducteurs.

Exemples

opto-RSFQ
        opto-RSFQ


SQUID
        SQUID

Convertisseur
        Convertisseur

Expertise


Nos activités en électronique RSFQ entreprises depuis 1997 sur le sité chambérien du laboratoire nous confèrent une expertise unique en France dans ce domaine. Nous avons établi une infrastructure logicielle de conception de circuits RSFQ ainsi que des bancs de tests qui nous permettent d'effectuer de manière routinière des tests de circuits RSFQ en laboratoire. Nous avons également testé des circuits en environnement spécifique bas bruit dans le cadre du projet de SQUID numérique. Les circuits RSFQ étudiés sont réalisés via la fonderie FLUXONICS et, prochainement, par le LETI dans le cadre du projet ANR HyperScan, labellisé par Minalogic.   

   

Interface optoélectronique-RSFQ

opto-RSFQ





Photocommutateur supraconducteur intégré avec un circuit logique supraconducteur à quantum de flux composé d'une ligne de transmission Josephson et d'une interface SFQ/dc de conversion en sortie



Dispositif de synchronisation optique de circuits intégrés. Le dispositif a été fabriqué par la fonderie européenne FLUXONICS. Il permet de synchroniser optiquement les circuits RSFQ avec des signaux optiques externes et de minimiser la gigue dans les circuits RSFQ.

Contact : Pascal FEBVRE, Pascal.Febvre@univ-savoie.fr
Supports : Programme Egide PROCOPE avec l'Université de Technologie d'Ilmenau (Allemagne).
Voir par exemple : P. Febvre, H. Toepfer, T. Ortlepp, B. Ebert, S. Badi and F. H. Uhlmann, Superconducting photosensitive interfaces for triggering RSFQ circuits, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.17, no.2, pp.530-533, June 2007.

Magnétomètre numérique à SQUID

SQUIDDispositif cryogénique à base de SQUID numérique incluant 2 jeux de bobines de Helmholtz pour calibrer les performances. La puce (5 mm x 5 mm) microélectronique incluant le SQUID numérique est disposée sur le support situé en dessous de la tête cryogénique.




image








Densité spectrale de bruit de flux magnétique d'un magnétomètre à SQUID numérique







Ce dispositif est le premier magnétomètre à SQUID (Interféromètre quantique supraconducteur) entièrement numérique permettant de s'affranchir au niveau du capteur de tous les bruits environnants tout en gardant la précision quantique du quantum de flux magnétique. Sa résolution est de 0,22 milliquantum de flux magnétique, obtenue par intégration du signal. Sa dynamique dépasse 75 dB (14800 quanta de flux). Ce dispositif, fabriqué par la fonderie européenne FLUXONICS, a été testé en juillet 2007 en environnement réel pour la détection de tremblements de Terre au LSBB (Laboratoire Souterrain à Bas Bruit) sous le plateau de l'Albion.

Contact : Pascal FEBVRE, Pascal.Febvre@univ-savoie.fr
Supports : Programme Egide PROCOPE avec l'Université de Technologie d'Ilmenau (Allemagne). Cluster Micronano de la Région Rhône-Alpes.
Voir par exemple : T. Reich, Th. Ortlepp, F.H. Uhlmann and P. Febvre, Experimental analysis of a digital SQUID device at 4.2 K Superco

Conception de convertisseurs analogique-numérique (ADC) RSFQ

Convertisseur

Exemple de registre à décalage à 8 bits pour le traitement des signaux RSFQ après numérisation. En haut un aggrandissement montrant 2 bits du régistre, composé de cellules D-Flip-Flop et Splitter

 


Les cadences d'impulsion RSFQ en sortie du convertisseur analogique-numérique étant supérieures à 100 Gbits/sec, il est nécessaire de traiter numériquement sur la puce le signal pour qu'il soit interfaçable. Il est utile par exemple de disposer de filtres de décimation et de coder le signal. Une bibliothèque composée d'un certain nombre de cellules de base est développée pour construire les circuits RSFQ associés aux fonctions désirées.

Contact : Pascal FEBVRE, Pascal.Febvre@univ-savoie.fr
Supports : Projet ANR labellisé MINALOGIC HyperScan Portage de circuits intégrés Hyper-fréquences Supraconducteurs de Conversion Analogique-Numérique sigma-delta, 200GHz pour les applications radio logicielle et télécommunications spatiales. Réseau européen SCENET-II.
Voir par exemple : H.J.M. ter Brake, F.-Im. Buchholz, G. Burnell, T. Claeson, D. Crété, P. Febvre, G.J. Gerritsma, H. Hilgenkamp, R. Humphreys, Z. Ivanov, W. Jutzi, M.I. Khabipov, J. Mannhart, H.-G. Meyer, J. Niemeyer, A. Ravex, H. Rogalla, M. Russo, J. Satchell, M. Siegel, H. Töpfer, F.H. Uhlmann, J.-C. Villégier, E. Wikborg, D. Winkler and A.B. Zorin, SCENET Roadmap for Superconductor Digital Electronics, Physica C, Vol. 439, issue 1, pp. 1-42, 2006.
Projets de recherche
 
ANR labellisé MINALOGIC:
HyperScan

FP7:IST:
S-Pulse Shrink-Path of Ultra-Low Power Superconducting Electronics

EGIDI/PROCOPE:
collaboration avec l'Université de Technologie d'Ilmenau
 
 
IMEP-LAHC - UMR 5130
Site Grenoble
Grenoble INP - Minatec : 3, Parvis Louis Néel - CS 50257 - 38016 Grenoble Cedex 1

Site Chambéry
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