EP1561277A1 - Dispositif de reduction du bruit de phase - Google Patents

Dispositif de reduction du bruit de phase

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Publication number
EP1561277A1
EP1561277A1 EP03778343A EP03778343A EP1561277A1 EP 1561277 A1 EP1561277 A1 EP 1561277A1 EP 03778343 A EP03778343 A EP 03778343A EP 03778343 A EP03778343 A EP 03778343A EP 1561277 A1 EP1561277 A1 EP 1561277A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
phase noise
line
noise reduction
reduction device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03778343A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Denis-Gérard; c/o THALES Intellectual Pty. CRETE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1561277A1 publication Critical patent/EP1561277A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B15/00—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/10—Junction-based devices
    • H10N60/12—Josephson-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N69/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one superconducting element covered by group H10N60/00

Definitions

  • the present invention relates to a device for reducing phase noise in a signal from a quasi-periodic source.
  • phase locked circuits usually used in digital systems (computers or other) do not make it possible to reduce this phase noise in the short term: their action has a stabilizing effect in the long term, to prevent frequency drifts.
  • phase noise means the noise corresponding to the noise floor or white noise of the signal frequency spectrum.
  • An object of the invention is a device for reducing this phase noise.
  • Such a device is particularly interesting in the field of fast digital electronics. It makes it possible in particular to reduce the jitter of the clock signal, which is particularly troublesome in high and very high frequency digital circuits.
  • a logical family has developed, using superconducting circuits. It is the logical family RSFQ (English acronym of "Rapid Single Flux Quantum”), based on the use of the quantification of the magnetic flux, and the quantum transfer of flux ⁇ 0 individualized. In this approach, the logical processing of information amounts to manipulating voltage pulses resulting from the passage of flux quanta in current loops.
  • the voltage pulse has an amplitude of the order of 2 millivolts on 1 picosecond.
  • Each junction is defined by a critical current le and a normal resistance Rn, depending on its geometry and the technology used.
  • the propagation / transfer function is ensured by a bias current control of the appropriate junction, which makes it possible to increase or weaken the current passing through the junction, thus allowing the maintenance in the loop or the transfer of the quantum of flux to across the junction, in the next loop.
  • RSFQ logic has resulted in many logic circuits such as analog / digital converters, random access memories, signal processing processors calculating fast Fourier transforms, which can operate at very high frequencies.
  • the upper operating limit of RSFQ logic elements is given by their critical frequency, depending on their geometry and the technology used (tri-layer, planar ).
  • a Josephson transmission line is a line comprising Josephson junctions shunted in parallel, coupled together by superconductive inductors. Such a line allows the propagation of individualized flow quanta (Single Flux Quantum), and therefore serves as a medium for transporting logical information.
  • a very short voltage pulse of the order of 2 millivolts on 1 picosecond, which is applied at the input of such a line, propagates along this line by propagation of a quantum of flux ⁇ 0, also called fluxon at through permanent current loops. At the output, this voltage pulse is recovered.
  • a sequence of bits representing logical data can thus be modified in the Josephson transmission line, under the effect of the repulsive interaction between the fluxons, which is equivalent to a loss of logical information.
  • this loss of information can have serious repercussions: gross loss of information, desynchronization (phase comparator) ...
  • the author of the article recommends dimensioning the line so that the temporal separation between two fluxons generated in the line is not less than 3fc "1 , or in the example, at 28.8 ps (saturation value).
  • a suitable dimensioning is obtained in particular by playing on the critical current , the normal resistance and the value of the inductances in the definition of the circuit. We can then reduce in operational the effects of the interactions by playing on the bias current of the Josephson junctions.
  • the fluxons are organized in the line according to a periodic network.
  • the Josephson transmission line it is a one-dimensional periodic network, according to the direction of propagation of the flow quanta. After a certain number of pulses, which correspond to a transient delay, a redistribution of this network is established, with an inter-fluxon distance smoothed around an average value.
  • the phenomenon of repulsive interaction between the fluxons associated with the statistics of large numbers leads to a homogeneous redistribution of the fluxons in the network, which results in output of the line by a reduction in the level of white noise of the signal almost periodic.
  • phase noise by taking any physical system capable of generating particles having repulsive interactions between them for a distance between particles less than a saturation value of the system (characteristic frequency), such as electrons (quantonic circuits) flow quanta, vortexes, phase noise can be reduced by reorganizing the particle network in the physical system.
  • characteristic frequency such as electrons (quantonic circuits) flow quanta, vortexes
  • the invention therefore relates to a device for reducing the phase noise of a signal from a quasi-periodic source of fundamental frequency fO.
  • this device comprises a physical system of transmission of pulses by transfer of particles, said system being defined to have a characteristic frequency fc defining a range of operating frequency of the device with a low limit linked to said characteristic frequency, such that for the quasi-periodic signal applied at the input, said particles have a repulsive interaction between them, said system providing at output pulses at the fundamental frequency f0.
  • the invention also relates to a device for reducing the phase noise of a signal from a quasi-periodic source of fundamental frequency fO.
  • it comprises a superconducting circuit with active line for transmitting voltage pulses by transfer of flux quanta ⁇ 0, said circuit being defined to have a characteristic frequency fc such that 0.3fc ⁇ f0 where fO is the fundamental frequency of the quasi-periodic signal (Se) applied as input, and providing as output a pulse signal of voltage of fundamental frequency fO.
  • Phase noise reduction can be improved by defining a superconducting circuit with an active line for transmitting voltage pulses such as the flux quanta generated in the circuit under the effect of the application of the quasi-periodic signal s' organize according to a two-dimensional periodic network.
  • the interactions between the quanta of flux operate between nearest neighbors according to the two dimensions of the network.
  • the invention applies not only to the quanta of fluxes generated in a Josephson transmission line, but more generally to any superconducting circuit with active line for transmitting voltage pulses.
  • vortex flow transmission lines Josephson long junction transmission line, Josephson vortex flow, slotted or microbridge line, Abrikosov vortex flow.
  • the phase reduction device can also be advantageously used in a frequency multiplier circuit.
  • FIG. 1 already described illustrates the spectral density A (Sin) of a signal from a quasi-periodic source
  • FIG. 2 shows an electrical diagram of a phase reduction device according to the invention based on a Josephson transmission line comprising a plurality of Josephson junctions
  • FIG. 4a schematically represents a periodic network of fluxons generated by a pulse clock signal in the Josephson transmission line
  • FIG. 5a represents another embodiment of a phase reduction device comprising two Josephson transmission lines arranged in parallel in the same surface plane and
  • FIG. 5b is an illustration of the periodic network of corresponding fluxons
  • FIGS. 6a and 6b schematically illustrate two variants of the use of two Josephson transmission lines in parallel in a phase reduction device, in order to improve the efficiency of the correction
  • FIG. 7 shows an example of the use of a device for reducing phase noise in a frequency doubling circuit
  • FIGS. 8a and 8b represent another exemplary embodiment of a phase reduction device with a Josephson transmission line in a junction technology on a ramp
  • FIG. 9a and 9b show two embodiments of a phase noise reduction device, with Josephson long junction transmission line
  • - Figures 10a and 10b show a phase noise reduction device with slotted line or microbridge, with vortex flow
  • FIG. 11 is an illustration of the periodic network of vortices generated in such a line
  • Figure 1 shows the spectral density A (S ⁇ n) of a Sin signal from a quasi-periodic source and applied as a clock signal in a logic system.
  • it is sought to reduce the phase noise to N2 / N1 signal ratio by at least a factor of 10, which is of the order of - 115 to -120 dBc for signals from conventional quasi-periodic sources. (oscillators)
  • Such a reduction is particularly advantageous in the field of very high frequency electronics and in particular in systems based on RSFQ logic circuits, with high critical temperature superconductor, in which the thermal noise is low. fully of a signal whose short-term noise has been significantly reduced
  • phase noise reduction device comprising a superconductive circuit with voltage pulse transmission line, at the input of which the signal Sin to be processed is applied and which outputs a signal Sout, from which the phase noise has been reduced.
  • the transmission line is a Josephson transmission line, comprising a plurality of Josephson junctions JJi, JJ 2 , ... JJ 2 oo, represented according to their simplified electrical diagram.
  • Josephson junctions are shunted, mounted in parallel, and coupled to each other by superconducting inductors Ls 1 ( Ls 2 , Ls 3 , ... Ls 200.
  • a superconductive inductance Ls 0 is also provided at the input, between a signal electrode entrance A and the first junction Josephson JJ-.
  • the input signal is applied to the terminals of the line, between two input signal electrodes A and M.
  • the output signal Sout is obtained at the line output, between two output signal electrodes, B and M '.
  • the electrodes M and M ' are the ground electrodes of the line.
  • the junctions are polarized in current Ip, lower than the critical current le of the junctions, so that a loop Bc of permanent current is established in each cell closed by a junction.
  • the application of a pulse at the input of such a line increases the current of the junction above the critical current.
  • the Josephson effect occurs: a quantum of flux crosses the current loop; a corresponding voltage pulse appears across the junction. The voltage pulse thus propagates in the line, without deformation.
  • the characteristics of the line are chosen to obtain a determined characteristic frequency fc.
  • This characteristic frequency fc defines a range of operating frequency of the device with a low limit linked to this characteristic frequency: For a quasi-periodic signal applied as an input whose fundamental frequency is included in the operating range thus defined, an interaction is obtained effective repellant, which reduces the white noise floor of this signal. More particularly, the characteristics of the line are chosen to obtain a characteristic frequency fc which checks 0.3fc ⁇ f0. 0.3fc is the lower limit of the operating range of this device.
  • the inter-flux distance is less than the line saturation value.
  • the phenomenon of repulsive interaction between the flux quanta (fluxons) causes a spatial redistribution of the flux quanta (fluxons) along the line, around an inter-fluxon average value, by smoothing around an average value, corresponding to the average value of the time interval between two pulses.
  • the signal has a considerably reduced standard deviation of the time intervals between the pulses. In this way, the short-term noise or phase noise of the input signal is reduced.
  • the characteristics of a Josephson transmission line are mainly the values of the inductances, a function of the line length and of the technology, in particular the mutual inductance Lm and of the characteristics of the junctions; critical current le, normal resistance Rn. In order not to complicate the drawing in FIG. 2 too much, these well-known characteristics of Josephson junctions are only shown for the first JJ * junction.
  • FIG. 3 a practical example of a phase reduction device according to the invention is given with a superconducting circuit of the Josephson transmission line type comprising a plurality of Josephson junctions, in a planar thin film technology d '' a high critical temperature superconductor (we will use the French acronym of this term, HTC), on a bi-crystal substrate.
  • a superconductive film 3 typically a film of a material of the form YBa 2 Cu 3 O n , 6 ⁇ n ⁇ 7, is deposited (epitaxied) on the surface plane of the bi-crystal, straddling the weld line of the bi-crystal substrate, so that a grain 4 joint develops along the weld, under the superconductive film, equivalent to an electrical barrier.
  • the film is then engraved according to a scale pattern, each bar of the scale corresponding to a Josephson junction.
  • the width w of a bar is of the order of 5 micrometers
  • the length I of a bar is of the order of 20 micrometers
  • the space h between two bars is of the same order (20
  • the film has a width of a few micrometers, for a thickness of a few tenths of a micron, (0.3 ⁇ m for example)
  • the substrate has a thickness of a few hundred micrometers, typically 300 to 1000 ⁇ m
  • a current source not shown provides a bias current at each of the Josephson junctions, typically of the order of 100 microamps for the technology taken as an example.
  • this bias current is applied between two polarization electrodes C and C in current formed on a portion 3 'of the superconductive film 3, shaped (etched) so as to distribute this current along the line, by means of branches of current supply provided in pairs bi, bT, bioo, b ⁇ oo ⁇ arranged on either side of the ladder forming the series of junctions
  • a current supply branch b- and its complementary branch bT on the ground line side polarize the two junctions JJ- and JJ 2 by current located on either side of these branches
  • the current source is dimensioned to provide a bias current of the order of a few tens of milliamps, for example mple 20 mA, distributed along the line
  • the input and output signal electrodes A, M, B, M ' are formed at each end of the film, and on either side of the grain seal 4
  • a clock signal of fundamental frequency fO> fc / 3 of the order of 50 to 100 gigolettes and having very offset pulses over time (short-term noise) a Sout signal can be provided at output, the white noise to signal ratio being reduced by a factor of 10, i.e. of the order of -130, -140 dBc (instead
  • FIG. 4a schematically represents the network structure of the fluxons generated in such a line, under the effect of a pulse voltage signal applied at the Sin input.
  • the line is represented as a channel 5
  • the voltage pulses of the signal Sin are injected at one end of this channel, at a clock frequency f0.
  • Fluxes flxi, flx 2 , ... flx m are generated in channel 5, which are spatially organized according to a one-dimensional network corresponding to the direction of propagation of the fluxons in the line.
  • a spatial redistribution effect occurs by smoothing the inter-fluxon distance around an average value dO, which corresponds to an average value of the time interval between two pulses of the input signal.
  • dO average value of the time interval between two pulses of the input signal.
  • the standard deviation of the values of the time intervals between the pulses in the output signal is reduced. More precisely, and in relation to FIG. 4b, the phase noise of the signal Sin applied at the input is reflected in this signal by a dispersed time distribution.
  • the fluxons generated under the effect of this signal are also spatially dispersed in the line, as shown schematically in Figure 4b.
  • the characteristics of the line (f c ) so that the distance between the fluxons generated by the input signal Sin is on average less than the saturation value of the line, there is repulsive interaction between the fluxons more close neighbors.
  • these repulsions are indicated by arrows.
  • the saturation value corresponds to a time difference of 22 picoseconds.
  • the output signal thus has its voltage pulses which are distributed more homogeneously, corresponding to a reduction in the level of phase noise, compared to the signal level at the fundamental frequency f0.
  • a transmission line such as that shown in Figure 3
  • the spatial separation therefore the interactions, depends on the ratio of the speed of propagation of the fluxons to the frequency of the signal.
  • FIGS. 5a and 5b illustrate an alternative embodiment of a phase reduction device with a superconducting circuit with a Josephson transmission line.
  • the superconducting circuit comprises two Josephson transmission lines.
  • a superconductive film is deposited on zones 3a and 3b, one above each weld, so as to develop a respective grain joint, 4a, 4b.
  • the branches of current supplies distributed along the line are wires, typically made of copper, corresponding contact pads 6 being provided on the films.
  • Such an embodiment makes it possible to improve the efficiency of the spatial redistribution in the lines, by adding another dimension to the phenomena of interaction between the fluxons.
  • an interval of a few microns must be provided.
  • the flux flx of a line then undergoes the interactions due to four fluxes: two fluxons flx- and flx 2 on either side of this fluxon flx, on the same line, and two fluxons flx 3 and flx on the other line, located on both sides the bisector 7 of this line passing through the fluxon flx.
  • phase shift of ⁇ can be applied in different ways, as shown in Figures 6a and 6b:
  • phase shift of ⁇ is applied to the input signal Sin. It is then preferably provided that the signal from the quasi-periodic source 100 is applied to a circuit 101 to be duplicated at the output.
  • An exemplary embodiment in RSFQ logic of this splitter circuit 101 is detailed in the figure, by way of a practical example. It provides two phase output signals.
  • the phase shift of ⁇ is applied to the output signal
  • An interconnection line 102 is then provided to bring the output signal of the first line to the input of the phase shifter of the second line.
  • This line is typically produced using a technology of the coplanar, strip, microstrip type and with materials compatible with the technology of the Josephson transmission lines used, or may also be a Josephson transmission line.
  • the two Josephson transmission lines may not be precisely aligned on the substrate, the interconnection line 102 can also introduce a delay such that the output signals Sout * and Sou 2 are not perfectly out of phase with ⁇ .
  • the interactions between the lines may not be optimal.
  • the bias current ip of the junctions is preferably variable, adjustable by junction or groups of junctions.
  • FIG. 6c an example of a circuit with three Josephson transmission lines has been illustrated.
  • a central line L is provided, receiving the input signal Sin as an input, and two lines Li 2 and Li 3 on both sides, receiving as input a phase shifted signal by ⁇ , which can be the input signal Sin as shown (case of FIG. 6a) or the output signal Souti of the first line (case of the Figure 6b).
  • ⁇ can be the input signal Sin as shown (case of FIG. 6a) or the output signal Souti of the first line (case of the Figure 6b).
  • each line can then be 045063
  • the dimensions are evaluated so that the statistics of large numbers can be applied, to produce the smoothing effect of the desired interfluxon distance.
  • the input signal is applied alternately on one line, on the following the phase-shifted input signal (by means of a phase-shifting circuit - FIG. 6a).
  • the input signal receives the input signal (Se) and odd rank lines receive the phase shifted input signal.
  • the device output signal is output from one of the lines.
  • FIG. 7 shows an example of the use of a phase noise reduction device in a frequency doubling circuit.
  • the circuit comprises two lines in parallel, the first receiving the input signal Sj n and the other the phase-shifted input signal.
  • the first line outputs the Souti signal.
  • the other line outputs the signal Sout 2 .
  • the two lines are arranged so that the fluxons in the lines interact with each other, reducing phase noise in the short term.
  • the two signals at output Souti and Sout 2 thus obtained at output are applied as inputs to a logic circuit RSFQ of confluence (combiner), which provides at output a signal S- 2f o) of double frequency of the input signal Sin, with low phase noise.
  • phase noise reduction device can be advantageously used in a frequency doubling circuit, and more generally in a frequency multiplier circuit, by cascading circuits of this type, while maintaining a floor extremely low phase noise.
  • FIG. 8a represents another exemplary embodiment of a Josephson transmission line, which can be used in all the variant embodiments of a phase reduction device according to the invention which have just been described.
  • Figure 8b can be used in a single line or multiple line structure, but then stacked vertically.
  • these two figures 8a and 8b these are lines in ramp junction technology, which is a multilayer SNS technology, acronym for Superconductor-Normal Material or Insulator-Superconductor.
  • the normal or insulating material is, for example, non-superconductive PrBaCuO, a material with a structure similar to YBaCuO, compatible with the mesh characteristics of the superconductor.
  • a comb shape comprises a first superconductive film 9 (thin layer) deposited on a heterostructure (8) of normal or insulating material deposited on the superconductive base electrode in gray in the figures, on a substrate.
  • the teeth of the comb have the shape of a decreasing ramp towards the substrate.
  • a thin layer of insulator and a second superconductive film 10 in the form of a comb are deposited on the substrate, the end of the teeth of this comb coming over the end of the teeth of the film 9 as a superconductor of the first comb.
  • the junctions JJ-, JJ 2 , ... etc, are thus formed in the plane at the place where the layer 8 of normal or insulating material is thinned, between the two films 9 and 10 of superconductor.
  • FIG. 8b is a variant of FIG. 8a in which the second film 10 of superconductor is "folded" over the first film 9, which allows a significant gain in surface area.
  • FIG. 9a represents another embodiment of a device for reducing phase noise, with a superconductive circuit with a line of transmission of voltage pulses.
  • the transmission line is made by a long Josephson junction.
  • Such a junction is typically obtained in a three-layer SIS technology, preferably with a superconductor at low critical temperature: a thin layer 20 of normal (or insulating) material (for example Al 2 0 3 ), forming a barrier between two layers 21 and 22 of superconductor (for example Niobium).
  • a bias current i lower than the critical current le of the Josephson long junction is applied between the two layers 21 and 22 of the superconductor.
  • the current is preferably distributed along the line as shown in Figure 9b.
  • FIGS. 10a and 10b Another embodiment of a phase noise reduction device according to the invention is shown in FIGS. 10a and 10b, corresponding to a type II superconducting circuit, with an active line of transmission with vortex flow from Abrikosov.
  • the principle of Abrikosov's vortex flows is succinctly as follows: in the presence of an increasing magnetic field, the superconductor passes into a mixed normal-superconductor state. Currents develop on the surface of the superconductor which tend to screen the magnetic field. The magnetic flux which enters the superconductor is found in the form of field lines grouped on the surface on a disk of a few tens of angstroms of radius.
  • the vortex flows are organized "naturally" according to a two-dimensional periodic network with a triangular base.
  • the application of an electromagnetic signal as input generates a vortex flux network, which moves in lines L v (FIG. 11) according to this network structure.
  • a receiving device any suitable load receives the associated voltage pulses.
  • the lines L v correspond to the twin planes.
  • the active superconducting circuit comprises (figures
  • a slot 14 is made over the entire width of the film, leaving only a microbridge 15 of superconductive film between the two parts 13a and 13b of the film, on either side of the slot. This microbridge has a height less than or equal to the thickness of the film.
  • this microbridge has a height e of the order of 0.1 micrometer, for a length L of microbridge, in the direction of the slit, less than a hundred micrometers and a width W, which is also the width of the slit, greater than one hundred micrometers.
  • Two polarization electrodes 16 and 17 in direct current i of a few milliamps are provided at each end of the film.
  • Two input signal electrodes 18 and 19 are provided at one end of the slot, on each part 13a, 13b of the film on either side of the slot, for applying the alternating input signal Sin, such as it periodically imposes a local magnetic field Be greater than the critical field at the input of the microbridge, so as to generate vortices v at the period of this signal.
  • the input signal can be a voltage pulse signal. It is also possible to apply an alternating signal of the sinusoidal type.
  • the source of the clock signal (not shown) is adapted in impedance, relative to the impedance of the microbridge (a few tens of ohms).
  • Two output signal electrodes 20 and 21 are provided at the other end of the slot, on each part 13a, 13b of the film on either side of the slot, to collect as output the voltage pulses corresponding to the transmission in line of vortices (figure 11).
  • each voltage pulse (or each positive peak voltage of the alternating signal) causes the local magnetic field Be at the input of the microbridge to pass over the critical field of the superconducting film causing the nucleation of a collection of vortexes.
  • the generation of the vortices is obtained by the modulation of the magnetic field by the clock signal applied at the input.
  • the proper polarization of the circuit induces the propagation of the vortices in the desired direction, towards the Sout output of the device.
  • a weak continuous magnetic field B for example of the order of twenty milliteslas, oriented properly, so that the vortices are oriented in the same direction. sense, for example by placing a pair of Helmholtz coils on either side of the circuit.
  • Such a superconductive circuit can advantageously be used in a frequency doubling stage as indicated above, with another similar circuit associated with a phase shifting circuit, in a frequency multiplication device.
  • the transmission line comprises a type II superconductive film in the mixed state, deposited on a crystalline substrate.
  • the film is polarized by current at its ends and comprises a slit in the width direction, except at the place of a microbridge, the slit separating the film into two parts.
  • the quasi-periodic signal is applied to one end of the slit, between the two parts of the film and the output signal is obtained at the other end of the slit, between the two parts of the film.
  • such a superconducting device is immersed in a continuous magnetic field oriented perpendicular to the surface plane of the slot.
  • the invention which has just been described thus uses the periodic structure of the network of the flux quantums generated (fluxons, vortex) and the property of repulsive interaction of these flux quantums (comparable to magnetic dipoles) to reduce the noise of phase of a signal from a quasi-periodic source.
  • An advantageous use of this device according to the invention makes it possible to provide a multiple frequency signal without degradation of the phase noise.
  • the invention applies more particularly in the field of high and very high frequency, in fast electronics systems.
  • a device can be used in RSFQ logic circuits.

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)
  • Networks Using Active Elements (AREA)

Abstract

Un dispositif de réduction du bruit de phase d'un signal (Sin), issu d'une source quasi-périodique de fréquence fondamentale f0, comprend un circuit supraconducteur à ligne active de transmission d'impulsions de tension par transfer de quanta de fluxϕ0. Ce circuit est défini pour avoir une fréquence carctéristique fc telle que 0,3 fc soit inférieur ou égal à la fréquence fondamental f0 du signal quasi-périodique (Sin) appliqué en entrée, et fournit en sortie un signal d'impulsions de tension de fréquence fondamentale f0.

Description

DISPOSITIF DE REDUCTION DU BRUIT DE PHASE
La présente invention se rapporte à un dispositif de réduction du bruit de phase dans un signal issu d'une source quasi-périodique.
Elle s'applique plus particulièrement aux circuits logiques à supra conducteurs, notamment aux circuits logiques en technologie RSFQ (acronyme anglo-saxon pour Rapid Single Flux Quantum).
D'une manière générale les systèmes logiques utilisent au moins un signal d'horloge pour les fonctions de séquencement et de synchronisation. Les signaux d'horloge sont générés de façon habituelle par des oscillateurs. Ces signaux quasi-périodiques ne sont pas parfaitement purs, malgré l'intégration de filtres résonants dans les oscillateurs. Si on prend la représentation de la densité spectrale d'un signal quasi-périodique généré par un oscillateur, on observe ainsi un bruit de plancher : c'est le bruit blanc du spectre, correspondant à un bruit de phase à court terme du signal quasi-périodique. Les circuits à verrouillage de phase habituellement utilisés dans les systèmes numériques (calculateurs ou autre) ne permettent pas de réduire ce bruit de phase à court terme : leur action a un effet de stabilisation à long terme, pour empêcher les dérives en fréquence.
Dans la suite, on entend par bruit de phase, le bruit correspondant au plancher de bruit ou bruit blanc du spectre de fréquence du signal. Un objet de l'invention est un dispositif de réduction de ce bruit de phase. Un tel dispositif est particulièrement intéressant dans le domaine de l'électronique numérique rapide. Il permet notamment de réduire la gigue du signal d'horloge, particulièrement gênante dans les circuits numériques haute et très haute fréquence. Dans les systèmes électroniques numériques rapides, une famille logique s'est développée, utilisant les circuits supraconducteurs. C'est la famille logique RSFQ (acronyme anglais de "Rapid Single Flux Quantum"), basée sur l'utilisation de la quantification du flux magnétique, et le transfert de quanta de flux φ0 individualisés. Dans cette approche, le traitement logique de l'information revient à manipuler des impulsions de tension résultant du passage des quanta de flux dans des boucles de courant. Un des éléments de base de cette famille logique à supraconducteurs, est la jonction Josephson shuntée, qui permet le transfert ou le maintien d'un quantum de flux individualisé, le passage d'un quantum de flux dans la jonction se traduisant par l'apparition d'une impulsion de tension à ses bornes telle que jVdt = h /2e = φ0 = 2,07 10"15 webers (h, constante de Planc ). Avec des technologies actuelles, l'impulsion de tension a ainsi une amplitude de l'ordre de 2 millivolts sur 1 picoseconde.
Chaque jonction est définie par un courant critique le et une résistance normale Rn, fonction de sa géométrie et de la technologie utilisée. La fonction de propagation/transfert est assurée par une commande en courant de polarisation de la jonction appropriée, qui permet d'augmenter ou d'affaiblir le courant traversant la jonction, permettant ainsi le maintien dans la boucle ou le transfert du quantum de flux à travers la jonction, dans la boucle suivante. La logique RSFQ a abouti à de nombreux circuits logiques tels que des convertisseurs analogiques/numériques, des mémoires à accès aléatoire, des processeurs de traitement de signal calculant des transformées de Fourier rapides, qui peuvent fonctionner à très haute fréquence. La limite haute de fonctionnement des éléments logiques RSFQ est donnée par leur fréquence critique, fonction de leur géométrie et de la technologie employée (tri-couche, planaire...). Cette fréquence caractéristique est donnée par l'équation suivante : fc=lcRn/ φ0 où le est le courant critique de la jonction, Rn, la résistance normale et φ0, le quantum de flux, égal à 2,07 10"15 webers. On trouvera un récapitulatif intéressant des applications de la logique RSFQ dans l'article de Konstantin K. Likharev "Progress and prospects of superconducting electronics" , (Superconducting Science Technology, 3 - 1990 - pages 325-337).
Un autre élément actif de la logique RSFQ est la ligne de transmission Josephson. Une ligne de transmission Josephson est une ligne comprenant des jonctions Josephson shuntées en parallèles, couplées entre elles par des inductances supraconductrices. Une telle ligne permet la propagation des quanta de flux individualisés (Single Flux Quantum), et sert donc comme support de transport d'information logique. Une impulsion très brève de tension, de l'ordre de 2 millivolts sur 1 picoseconde, qui est appliquée en entrée d'une telle ligne, se propage le long de cette ligne par propagation d'un quantum de flux φ0, appelé encore fluxon à travers des boucles de courant permanent. A la sortie, on récupère cette impulsion de tension. Ces lignes de transmission Josephson permettent la transmission d'impulsions logiques sans distorsion.
Si deux impulsions sont appliquées successivement en entrée, deux fluxons sont générés dans la ligne et se propagent le long de cette ligne. Ces deux fluxons sont séparés dans la ligne par une distance représentative de l'intervalle de temps séparant les deux impulsions appliquées en entrée.
Cependant, en raison d'une interaction répulsive entre les fluxons générés, si la distance d entre les deux fluxons est suffisamment courte pour que cette interaction répulsive ait une force significative, une redistribution spatiale s'opère dans la ligne, qui se traduit en sortie par un intervalle de temps séparant les deux impulsions différent de celui observé à l'entrée de la ligne. En d'autres termes, dans la ligne, une impulsion a été accélérée et l'autre ralentie. Ce phénomène est bien expliqué dans un article intitulé "Fluxon interaction in an overdamped Josephson Transmission line" de V.K. Kaplunenko, (Applied Physic Letters 66 (24) 12 June 1995) avec une illustration numérique de ce phénomène observé expérimentalement sur une ligne de transmission Josephson comprenant 200 jonctions Josephson shuntées, couplées en parallèle par une inductance supraconductrice et de fréquence caractéristique fc=104 Ghz. On applique en entrée de cette ligne deux impulsions de tension à 9,6 ps (picosecondes) d'intervalle, correspondant à fc'1. Le long de la ligne, l'intervalle de temps entre les deux fluxons qui se propagent augmente. En sortie, on obtient deux impulsions de tension à 27 ps d'intervalle. Du fait de la répulsion entre les fluxons, une impulsion a été ralentie, l'autre accélérée, entraînant une augmentation de l'intervalle de temps séparant les deux impulsions. Ce phénomène de modification n'est observé en pratique que pour une distance entre les fluxons correspondant à un intervalle de temps inférieur à un délai de saturation de la jonction, évalué à 3fc"\ soit de l'ordre de 28,8 ps dans l'exemple. Si la distance est trop grande entre les fluxons, la contrainte n'est pas assez forte. Il faut donc que les fluxons générés soient suffisamment proches, pour que la contrainte soit forte. Dans l'exemple, si on injecte dans la ligne deux impulsions à 30 picosecondes d'intervalle, cet intervalle est inchangé en sortie de la ligne.
Une séquence de bits représentant des données logiques peut ainsi être modifiée dans la ligne de transmission Josephson, sous l'effet de l'interaction répulsive entre les fluxons, ce qui équivaut à une perte d'information logique. Dans un système logique cette perte d'information peut avoir des répercutions graves : perte brute d'information, désynchronisation (comparateur de phase)... Pour éviter ce problème d'interaction, l'auteur de l'article préconise de dimensionner la ligne pour que la séparation temporelle entre deux fluxons générés dans la ligne ne soit pas inférieure à 3fc"1, soit dans l'exemple, à 28,8 ps (valeur de saturation). Un dimensionnement adapté est obtenu notamment en jouant sur le courant critique, la résistance normale et sur la valeur des inductances dans la définition du circuit. On peut ensuite réduire en opérationnel les effets des interactions en jouant sur le courant de polarisation des jonctions Josephson.
Dans l'invention, on s'est intéressé à cet effet d'interaction répulsive entre les fluxons pour en retirer un effet technique avantageux, sur la filtration du bruit blanc d'un signal issu d'une source quasi-périodique. L'idée à la base de l'invention, est d'utiliser cet effet sur une série d'impulsions d'un signal d'horloge issu d'une source quasi-périodique quelconque, de fréquence fondamentale fO, pour abaisser le niveau de bruit blanc de ce signal, par rapport au niveau du fondamental. En effet, si on prend le cas d'un signal d'horloge de type à impulsions de tension, le niveau de bruit blanc se traduit par une dispersion temporelle des impulsions du signal, et par suite, par une dispersion de la distance spatiale entre les fluxons générés dans la ligne de transmission supraconductrice.
L'effet d'interaction sur toute la longueur de la ligne entraîne que l'on observe une redistribution des fluxons dans l'espace confiné de la ligne, du au comportement statistique des grands nombres, autour d'une valeur lissée, correspondant à une valeur moyenne de la distance inter-fluxon. Cette redistribution spatiale des fluxons a comme effet direct une redistribution temporelle des impulsions en sortie.
On a vu que le bruit blanc du signal quasi-périodique se traduit sur le signal par une dispersion temporelle des impulsions, et dans la ligne de transmission supraconductrice, par une dispersion de la distance spatiale entre deux fluxons successifs.
Du fait de la nature périodique du signal à l'entrée, les fluxons s'organisent dans la ligne selon un réseau périodique. Dans la ligne de transmission Josephson, il s'agit d'un réseau périodique unidimensionnel, selon la direction de propagation des quanta de flux. Après un certain nombre d'impulsions, qui correspondent à un délai transitoire, une redistribution de ce réseau s'établit, avec une distance inter-fluxon lissée autour d'une valeur moyenne. Ainsi le phénomène d'interaction répulsive entre les fluxons associé à la statistique des grands nombres, conduit à une redistribution homogène des fluxons dans le réseau, ce qui se traduit en sortie de la ligne par une réduction du niveau de bruit blanc du signal quasi-périodique.
De façon générale, selon l'invention, en prenant tout système physique apte à générer des particules ayant entre elles des interactions répulsives pour une distance entre particules inférieure à une valeur de saturation du système (fréquence caractéristique), comme des électrons (circuits quantroniques) des quanta de flux, des vortex, on peut réduire le bruit de phase par réorganisation du réseau de particules dans le système physique.
Telle que caractérisée, l'invention concerne donc un dispositif de réduction du bruit de phase d'un signal issu d'une source quasi-périodique de fréquence fondamentale fO. Selon l'invention, ce dispositif comprend un système physique de transmission d'impulsions par transfert de particules ledit système étant défini pour avoir une fréquence caractéristique fc définissant une plage de fréquence de fonctionnement du dispositif avec une limite basse liée à ladite fréquence caractéristique, telle que pour le signal quasi-périodique appliqué en entrée, lesdites particules ont une interaction répulsive entre elles, ledit système fournissant en sortie des impulsions à la fréquence fondamentale fO.
L'invention concerne aussi un dispositif de réduction du bruit de phase d'un signal issu d'une source quasi-périodique de fréquence fondamentale fO. Selon l'invention, il comprend un circuit supraconducteur à ligne active de transmission d'impulsions de tensions par transfert de quanta de flux φ0, ledit circuit étant défini pour avoir une fréquence caractéristique fc telle que 0,3fc≤f0 où fO est la fréquence fondamentale du signal quasi- périodique (Se) appliqué en entrée, et fournissant en sortie un signal d'impulsions de tension de fréquence fondamentale fO.
On peut améliorer la réduction du bruit de phase, en définissant un circuit supraconducteur à ligne active de transmission d'impulsions de tension tel que les quanta de flux générés dans le circuit sous l'effet de l'application du signal quasi-périodique s'organisent selon un réseau périodique bidimensionnel. Ainsi, les interactions entre les quanta de flux opèrent entre plus proches voisins selon les deux dimensions du réseau. L'invention s'applique non seulement aux quanta de flux générés dans une ligne de transmission Josephson, mais plus généralement à tout circuit supraconducteur à ligne active de transmission d'impulsions de tension. En particulier, il s'applique aussi aux lignes de transmission de flux de vortex : ligne de transmission à une jonction longue Josephson, à flux de vortex Josephson, ligne à fente ou micropont, à flux de vortex d'Abrikosov.
Le dispositif de réduction de phase peut en outre être utilisé de façon avantageuse dans un circuit multiplieur de fréquence.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 déjà décrite illustre la densité spectrale A(Sin) d'un signal issu d'une source quasi-périodique ; - la figure 2 représente un schéma électrique d'un dispositif de réduction de phase selon l'invention basé sur une ligne de transmission Josephson comprenant une pluralité de jonctions Josephson ;
- la figure 3 représente un premier exemple de réalisation d'une telle ligne, selon une technologie à jonctions sur bi-cristal ; - la figure 4a représente schématiquement un réseau périodique de fluxons générés par un signal d'horloge impulsionnel dans la ligne de transmission Josephson et
- les figures 4b et 4c illustrent le phénomène de redistribution temporelle des impulsions de tension dans une telle ligne ; - la figure 5a représente un autre exemple de réalisation d'un dispositif de réduction de phase comprenant deux lignes de transmission Josephson disposées en parallèle dans le même plan de surface et
- la figure 5b est une illustration du réseau périodique des fluxons correspondant ,
- les figures 6a et 6b illustrent schématiquement deux variantes d'utilisation de deux lignes de transmission Josephson en parallèle dans un dispositif à réduction de phase, afin d'améliorer l'efficacité de la correction ,
- la figure 6c est une variante des figures précédentes avec n = 3 lignes de transmission Josephson en parallèle, avec une illustration du réseau périodique des fluxons correspondant ,
- la figure 7 montre un exemple d'utilisation d'un dispositif de réduction du bruit de phase dans un circuit doubleur de fréquence ,
- les figures 8a et 8b représentent un autre exemple de réalisation d'un dispositif de réduction de phase à ligne de transmission Josephson dans une technologie de jonction sur rampe ,
- les figures 9a et 9b représentent deux modes de réalisation d'un dispositif de réduction du bruit de phase, à ligne de transmission à jonction longue Josephson , - les figures 10a et 10b représentent un dispositif de réduction du bruit de phase à ligne à fente ou micropont, à flux de vortex ,
- la figure 11 est une illustration du réseau périodique des vortex générés dans une telle ligne
La figure 1 montre la densité spectrale A(Sιn) d'un signal Sin issu d'une source quasi-périodique et appliqué comme signal d'horloge dans un système logique. Dans l'invention, on cherche a réduire d'au moins un facteur 10 le rapport bruit de phase sur signal N2/N1 , qui est de l'ordre de - 115 à -120 dBc pour des signaux issus de sources quasi-périodiques classiques (oscillateurs) Une telle réduction est particulièrement avantageuse dans le domaine de l'électronique à très haute fréquence et en particulier dans les systèmes basés sur les circuits logiques RSFQ, à supraconducteur a haute température critique, dans lesquels le bruit thermique est faible On bénéficie alors pleinement d'un signal dont le bruit à court terme a été singulièrement réduit La figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif à réduction du bruit de phase selon l'invention, comprenant un circuit supraconducteur à ligne de transmission d'impulsions de tension, à l'entrée duquel le signal Sin à traiter est appliqué et qui fournit en sortie un signal Sout, duquel le bruit de phase a été réduit.
Dans cet exemple, la ligne de transmission est une ligne de transmission Josephson, comprenant une pluralité de jonctions Josephson JJi, JJ2, ...JJ2oo, représentées selon leur schéma électrique simplifié. Les jonctions Josephson sont shuntées, montées en parallèles, et couplées les unes aux autres par des inductances supraconductrices Ls1 ( Ls2, Ls3, ...Ls200. Une inductance supraconductrice Ls0 est aussi prévue en entrée, entre une électrode signal d'entrée A et la première jonction Josephson JJ-.
Le signal d'entrée est appliquée aux bornes de la ligne, entre deux électrodes signal d'entrée A et M. Le signal de sortie Sout est obtenu en sortie de la ligne, entre deux électrodes signal de sortie, B et M'. Les électrodes M et M' sont les électrodes de masse de la ligne. Les jonctions sont polarisées en courant Ip, inférieur au courant critique le des jonctions, en sorte qu'une boucle Bc de courant permanent s'établit dans chaque cellule fermée par une jonction. L'application d'une impulsion en entrée d'une telle ligne augmente le courant de la jonction au-dessus du courant critique. L'effet Josephson se produit : un quantum de flux traverse la boucle de courant ; une impulsion de tension correspondante apparaît aux bornes de la jonction. L'impulsion de tension se propage ainsi dans la ligne, sans déformation. Si on applique un train d'impulsions d'un signal d'horloge, on récupère en sortie un train correspondant. Selon l'invention, on choisit les caractéristiques de la ligne pour obtenir une fréquence caractéristique fc déterminée. Cette fréquence caractéristique fc définit une plage de fréquence de fonctionnement du dispositif avec une limite basse liée à cette fréquence caractéristique : Pour un signal quasi-périodique appliqué en entrée dont la fréquence fondamentale est comprise dans la plage de fonctionnement ainsi définie, on obtient une interaction répulsive efficace, qui permet de réduire le plancher de bruit blanc de ce signal. Plus particulièrement, on choisit les caractéristiques de la ligne pour obtenir une fréquence caractéristique fc qui vérifie 0,3fc≤f0. 0,3fc est la limite basse de la plage de fonctionnement de ce dispositif.
Ainsi, en moyenne, la distance inter-fluxon est inférieure à la valeur de saturation de la ligne. Le phénomène d'interaction répulsive entre les quanta de flux (fluxons) entraîne une redistribution spatiale des quanta de flux (fluxons) au long de la ligne, autour d'une valeur moyenne inter-fluxon, par lissage autour d'une valeur moyenne, correspondant à la valeur moyenne de l'intervalle de temps entre deux impulsions. En sortie, le signal présente un écart type des intervalles de temps entre les impulsions considérablement réduit. De cette façon, le bruit à court terme ou bruit de phase du signal d'entrée est réduit.
Les caractéristiques d'une ligne de transmission Josephson sont principalement les valeurs des inductances, fonction de la longueur de ligne et de la technologie, notamment l'inductance mutuelle Lm et des caractéristiques des jonctions; courant critique le, résistance normale Rn. Pour ne pas trop compliquer le dessin de la figure 2, ces caractéristiques bien connues des jonctions Josephson, ne sont représentées que pour la première jonction JJ*. Sur la figure 3, on donne un exemple de réalisation pratique d'un dispositif de réduction de phase selon l'invention avec un circuit supraconducteur du type à ligne de transmission Josephson comprenant une pluralité de jonctions Josephson, dans une technologie planaire à couche mince d'un supraconducteur à haute température critique (dans la suite, on utilise l'acronyme français de ce terme, soit HTC), sur substrat bi-cristal.
Deux substrats 1 et 2, typiquement des substrats SrTi03, ou encore des substrats MgO, ou YSZ, et dont les axes cristallins présentent un écart angulaire dans le plan de surface, sont soudés. Un film supraconducteur 3, typiquement un film d'un matériau de la forme YBa2Cu3On, 6<n<7, est déposé (epitaxié) sur le plan de surface du bi-cristal, à cheval sur la ligne de soudure du substrat bi-cristal, en sorte qu'il se développe un joint de grain 4 tout le long de la soudure, sous le film supraconducteur, équivalent à une barrière électrique. Le film est ensuite gravé selon un motif d'échelle, chaque barreau de l'échelle correspondant à une jonction Josephson. Dans l'exemple, la largeur w d'un barreau est de l'ordre de 5 micromètres, la longueur I d'un barreau est de l'ordre de 20 micromètres et l'espace h entre deux barreaux est du même ordre (20 micromètres) Le film lui a une largeur de quelques micromètres, pour une épaisseur de quelques dixièmes de microns, (0,3μm par exemple) Le substrat a une épaisseur de quelques centaines de micromètres, typiquement 300 à 1000 μm
Une source de courant non représentée fournit un courant de polarisation à chacune des jonctions Josephson, typiquement de l'ordre de 100 microampères pour la technologie prise en exemple Dans l'exemple, ce courant de polarisation est appliquée entre deux électrodes C et C de polarisation en courant formées sur une portion 3' du film supraconducteur 3, conformée (gravée) de façon à distribuer ce courant tout au long de la ligne, au moyen de branches d'amenées du courant prévues par paires bi, b-T, bioo, bιoo\ arrangées de part et d'autres de l'échelle formant la suite de jonctions Dans l'exemple, une branche d'amenée de courant b- et sa branche complémentaire b-T côté ligne de masse polarisent en courant les deux jonctions JJ- et JJ2 situées de part et d'autre de ces branches Pour une ligne comprenant deux cent jonctions Josephson, la source de courant est dimensionnée pour fournir un courant de polarisation de l'ordre de quelques dizaines de milliampères, par exemple 20 mA, distribués le long de la ligne
Les électrodes signal d'entrée et de sortie A, M, B, M', typiquement en cuivre ou en or, sont formées à chaque extrémité du film, et de part et d'autre du joint de grain 4
Par exemple, on définit une ligne de transmission Josephson comprenant deux cent jonctions, longue de 2 millimètres environ, avec un courant critique le de jonction de 125 microampères et une résistance normale Rn de 2 ohms définissant une fréquence caractéristique fc fc≈ lcRn/ φ0 = 125 106 x 2 / 2,07 10~15 webers=116 gigaHertzs, en technologie à films supraconducteurs (Niobium) (couches minces 0,1 μm) à haute température critique sous 30 Kelvin, avec un courant de polarisation de 100 microamperes (< le) pour chaque jonction Si on applique en entrée de cette ligne, un signal d'horloge de fréquence fondamentale fO > fc/3 de l'ordre de 50 à 100 gigolettes et présentant des impulsions très décalées dans le temps (bruit à court terme), on peut prévoir en sortie un signal Sout dont le rapport bruit blanc sur signal est abaissé d'un facteur 10, soit de l'ordre de -130, -140 dBc (au lieu de - 115, -120 dBc à l'entrée) .
La figure 4a représente schématiquement la structure en réseau des fluxons générés dans une telle ligne, sous l'effet d'un signal impulsionnel de tension appliqué en entrée Sin.
Si on représente la ligne comme un canal 5, les impulsions de tension du signal Sin sont injectées à une extrémité de ce canal, à une fréquence horloge fO. Des fluxons flxi, flx2,...flxm sont générés dans le canal 5, qui s'organisent spatialement selon un réseau unidimensionnel correspondant à la direction de propagation des fluxons dans la ligne.
Du fait que l'on utilise une ligne de transmission, c'est à dire une ligne comportant un grand nombre de jonctions en sorte que la statistique des grands nombres s'applique (par opposition à un circuit logique supraconducteur du type ne comportant qu'un petit nombre de jonctions, tel qu'un registre à décalage), un effet de redistribution spatiale se produit par lissage de la distance inter-fluxon autour d'une valeur moyenne dO, qui correspond à une valeur moyenne de l'intervalle de temps entre deux impulsions du signal d'entrée. En d'autres termes, l'écart type des valeurs des intervalles de temps entre les impulsions dans le signal de sortie est réduit. Plus précisément, et en relation avec la figure 4b, le bruit de phase du signal Sin appliqué en entrée se traduit dans ce signal par une distribution temporelle dispersée. Les fluxons générés sous l'effet de ce signal sont aussi spatialement dispersés dans la ligne, comme représenté schématiquement sur la figure 4b. Comme on a choisit les caractéristiques de la ligne (fc) pour que la distance entre les fluxons générés par le signal d'entrée Sin soit en moyenne inférieure à la valeur de saturation de la ligne, il y a interaction répulsive entre les fluxons plus proches voisins. Sur la figure, ces répulsions sont indiquées par des flèches. Dans l'exemple représenté sur cette figure, on suppose que la valeur de saturation correspond à un écart temporel de 22 picosecondes. Ainsi, dès lors que la distance inter fluxon correspond à un écart temporel inférieur à cette valeur, la répulsion mutuelle produit ses effets (flx flx2, flx2-flx3, flx4-flx5). Si cette distance est supérieure, il n'y a pas d'effets (flx3-flx4). Après une phase transitoire correspondant en pratique à une vingtaine d'impulsions, on a un effet de redistribution spatiale des fluxons dans la ligne autour d'une valeur lissée de la distance inter fluxon. Dans l'exemple représenté schématiquement sur la figure 4c, cette valeur lissée, correspond à un écart temporel entre deux impulsions du signal de sortie Sout égal à 20 picosecondes. Le signal de sortie a ainsi ses impulsions de tension qui sont distribuées de façon plus homogène, correspondant à une réduction du niveau de bruit de phase, par rapport au niveau de signal à la fréquence fondamentale fO. En pratique, avec une ligne de transmission telle que celle représentée sur la figure 3, on a pu observer une réduction d'un facteur 10 du rapport N2/N1 (figure 1 ).
La séparation spatiale, donc les interactions, dépendent du rapport de la vitesse de propagation des fluxons à la fréquence du signal. On peut jouer sur la vitesse des fluxons en modifiant le courant de polarisation. On peut donc ajuster le courant de polarisation en fonction de la fréquence du signal d'entrée si besoin est.
Les figures 5a et 5b illustrent une variante de réalisation d'un dispositif de réduction de phase à circuit supraconducteur à ligne de transmission Josephson. Dans cette variante, le circuit supraconducteur comprend deux lignes de transmission Josephson. On soude alors un substrat 1 et un substrat l' de part et d'autre d'un substrat 2, pour former le substrat tri-cristal. On dépose un film supraconducteur sur les zones 3a et 3b, un au-dessus de chaque soudure, de façon à développer un joint de grain respectif, 4a, 4b. Sur ces figures, les branches d'amenées de courant distribuées le long de la ligne sont des fils, typiquement en cuivre, des plots de contact correspondants 6 étant prévus sur les films.
Une telle réalisation permet d'améliorer l'efficacité de la redistribution spatiale dans les lignes, en ajoutant une autre dimension aux phénomènes d'interaction entre les fluxons. En disposant les films sur les zones 3a et 3b espacé l'un de l'autre d'un intervalle tel que la distance entre un fluxon dans un film et un fluxon dans l'autre film soit inférieure à la valeur de saturation, on observe le même phénomène d'interaction : en d'autres termes, pour un circuit supraconducteur à deux lignes de transmission Josephson, les fluxons générés dans le circuit s'organisent selon un réseau périodique bidimensionnel. Typiquement, pour les exemples numériques des valeurs caractéristiques de lignes et de fréquence fO donnés précédemment, il faut prévoir un intervalle de quelques microns.
Pour que cet effet soit efficace, il faut favoriser une configuration stable (en quinconce) du réseau périodique bidimensionnel des fluxons ramenés au circuit supraconducteur, typiquement sur une base triangulaire. Sinon, la répulsion peut avoir aléatoirement un effet suivant le sens de propagation x de la ligne ou le sens contraire. On est alors en situation instable. Si on se réfère à la figure 5a où les deux films formant les lignes de transmission Josephson sont parfaitement alignés en x et y, on obtient le réseau voulu en dephasant de π le signal appliqué en entrée de la deuxième ligne. On obtient un réseau périodique bidimensionnel à base triangulaire comme illustré sur la figure 5b. Le fluxon flx d'une ligne subit alors les interactions dues à quatre fluxons : deux fluxons flx- et flx2 de part et d'autre de ce fluxon flx, sur la même ligne, et deux fluxons flx3 et flx sur l'autre ligne, situés de part et d'autre la bissectrice 7 de cette ligne passant par le fluxon flx.
Le déphasage de π peut être appliqué de différentes façon, comme représenté sur les figures 6a et 6b :
Sur la figure 6a, le déphasage de π est appliqué sur le signal d'entrée Sin. On prévoit alors de préférence que le signal issu de la source quasi- périodique 100 est appliqué à un circuit 101 pour être dupliqué en sortie. Un exemple de réalisation en logique RSFQ de ce circuit dédoubleur 101 est détaillé sur la figure, à titre d'exemple pratique. Il fournit deux signaux en phase en sortie. Sur la figure 6b, le déphasage de π est appliqué au signal de sortie
Souti de la première ligne, et injecté dans la deuxième ligne. Dans ce cas les fluxons en début de la première ligne bénéficient de la redistribution spatiale déjà obtenue en sortie de cette première ligne : on a un effet rétro-actif positif. Une ligne d'interconnexion 102 est alors prévue pour amener le signal de sortie de la première ligne en entrée du dephaseur de la deuxième ligne. Cette ligne est typiquement réalisée selon une technologie de type coplanaire, strip, microstrip et avec des matériaux compatibles avec la technologie des lignes de transmission Josephson utilisée, ou peut également être une ligne de transmission Josephson. Les deux lignes de transmission Josephson peuvent ne pas être alignées avec précision sur le substrat, la ligne d'interconnexion 102 peut aussi introduire un retard tel que les signaux de sortie Sout* et Sou2 ne soit pas parfaitement déphasés de π. Dans ce cas les interactions entre les lignes peuvent ne pas être optimales. On prévoit avantageusement de pouvoir modifier localement le courant de polarisation ip d'une ou plusieurs jonctions, pour adapter localement la vitesse de propagation des fluxons. Cette correction est facilement mise en œuvre du fait de la distribution du courant tout le long de la ligne, par des branches (figure 3) ou des fils (figure 5a) d'amenées du courant. Ainsi, on prévoit que le courant de polarisation ip des jonctions est de préférence variable, ajustable par jonction ou groupes de jonctions.
On peut en outre prévoir plus de deux lignes de transmission en parallèle dans le plan de surface du substrat. Sur la figure 6c, on a illustré un exemple de circuit à trois lignes de transmission Josephson . Pour obtenir un effet positif d'interaction entre les lignes, qui favorise le déplacement des fluxons dans le sens de propagation x des lignes, on prévoit une ligne centrale L , recevant en entrée le signal d'entrée Sin, et deux lignes Li2 et Li3 de part et d'autre, recevant en entrée un signal déphasé de π, qui peut être le signal d'entrée Sin comme représenté (cas de la figure 6a) ou le signal de sortie Souti de la première ligne (cas de la figure 6b). On a toujours une organisation des fluxons selon un réseau périodique bidimensionnel, mais le nombre de lignes de ce réseau est augmenté. De cette façon, les fluxons de la ligne centrale L , sont soumis aux interactions de leur propre ligne et aux interactions dues aux deux autres lignes, soit pour chaque fluxon, jusqu'à six interactions dues aux six fluxons les plus proches voisins, deux par ligne.
En augmentant le nombre de lignes en parallèles, on augmente le nombre d'interactions. Dans l'exemple à trois lignes (figure 6c), la ligne centrale L bénéficie des interactions dues aux deux lignes Li2 et Li3 situées de part et d'autre, mais les lignes Li2 et Li3 ne bénéficient chacune que des interactions dues à la ligne Lii.
Le choix d'un plus grand nombre de lignes va dépendre du dimensionnement du dispositif que l'application peut admettre. On notera que dans le cas de n lignes en parallèles, chaque ligne peut alors être 045063
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prévue moins longue, c'est à dire avec moins de jonctions, du fait de l'effet rétro-actif de la redistribution combiné à la dimension supplémentaire des interactions dans le réseau bidimensionnel ainsi constitué. Les dimensionnements sont évalués en sorte que la statistique des grands nombres puisse s'appliquer, pour produire l'effet de lissage de la distance interfluxon désiré.
D'une manière générale, dans le cas de n lignes en parallèle, on applique alternativement sur une ligne, le signal d'entrée, sur la suivante le signal d'entrée déphasé (au moyen d'un circuit dephaseur - figure 6a). Par exemple, les lignes de rang pair reçoivent le signal d'entrée (Se) et les lignes de rang impair reçoivent le signal d'entrée déphasé. Le signal de sortie du dispositif est fourni en sortie d'une des lignes.
La figure 7 montre un exemple d'utilisation d'un dispositif de réduction de bruit de phase dans un circuit doubleur de fréquence. Dans l'exemple, le circuit comprend deux lignes en parallèle, la première recevant le signal d'entrée Sjn et l'autre le signal d'entrée déphasé. La première ligne fournit en sortie le signal Souti. L'autre ligne fournit en sortie le signal Sout2.
Les deux lignes sont disposées en sorte que les fluxons dans les lignes interagissent entre eux, réduisant le bruit de phase à court terme. Les deux signaux en sortie Souti et Sout2 ainsi obtenus en sortie sont appliqués en entrées d'un circuit logique RSFQ de confluence (combineur), qui fournit en sortie un signal S-2fo) de fréquence double du signal d'entrée Sin, avec un faible bruit de phase.
Ainsi, un dispositif de réduction du bruit de phase selon l'invention peut être avantageusement utilisé dans un circuit doubleur de fréquence, et plus généralement dans un circuit multiplieur de fréquence, par mise en cascade de circuits de ce type, tout en maintenant un plancher de bruit de phase extrêmement faible.
La figure 8a représente un autre exemple de réalisation d'une ligne de transmission Josephson, qui peut être utilisé dans toutes les variantes de réalisation d'un dispositif de réduction de phase selon l'invention qui viennent d'être décrites. La figure 8b peut être utilisée dans une structure de ligne simple ou de lignes multiples, mais alors empilées verticalement. Dans ces deux figures 8a et 8b, il s'agit de lignes en technologie de jonctions sur rampe, qui est une technologie multicouche SNS, acronyme de Supraconducteur-Matériau Normal ou Isolant-Supraconducteur. Le matériau normal ou isolant est par exemple le PrBaCuO non supraconducteur, matériau de structure analogue à YBaCuO, compatible avec les caractéristiques de maille du supraconducteur. Une forme de peigne comprend un premier film supraconducteur 9 (couche mince) déposé sur une hétérostructure (8) de matériau normal ou isolant déposé sur l'électrode de base supraconductrice en grisé sur les figures, sur un substrat. Les dents du peigne ont une forme de rampe décroissante vers le substrat. Une fine couche d'isolant et un deuxième film supraconducteur 10 en forme de peigne sont déposés sur le substrat, l'extrémité des dents de ce peigne venant par dessus l'extrémité des dents du film 9 en supraconducteur du premier peigne. Les jonctions JJ-, JJ2,...etc, sont ainsi formées dans le plan à l'endroit où la couche 8 de matériau normal ou isolant est amincie, entre les deux films 9 et 10 de supraconducteur. La figure 8b est une variante de la figure 8a dans laquelle le deuxième film 10 de supraconducteur est "replié" sur le premier film 9, ce qui permet un gain de surface non négligeable.
La figure 9a représente un autre mode de réalisation d'un dispositif de réduction du bruit de phase, à circuit supraconducteur à ligne de transmission d'impulsions de tension. Dans ce mode, la ligne de transmission est réalisée par une jonction Josephson longue. Une telle jonction est typiquement obtenue dans une technologie tri-couche SIS, de préférence à supraconducteur à basse température critique : une couche mince 20 de matériau normal (ou isolant) (par exemple Al203), formant barrière entre deux couches 21 et 22 de supraconducteur (par exemple du Niobium). Un courant de polarisation i inférieur au courant critique le de la jonction longue Josephson est appliqué entre les deux couches 21 et 22 de supraconducteur. L'application d'impulsions en entrée de la ligne génère des flux de vortex (vortex Josephson) dans la couche de matériau normal qui sous l'effet du courant de polarisation (continu) de la ligne (force de Lorentz), se propagent vers la sortie. Le quantum de flux associé à chaque vortex est égal à φ0. Les mêmes effets d'interaction répulsive s'appliquent à ces flux de vortex générés sous l'effet du signal d'horloge Sin, qui s'organisent dans la ligne selon un réseau périodique unidimensionnel, et qui se propagent selon le sens de propagation x de la ligne. Dans un exemple de réalisation typique, une telle ligne aura une longueur d'une centaine de nanomètres.
On peut mettre en parallèle plusieurs de ces lignes pour obtenir les mêmes effets avantageux vus précédemment, en les empilant verticalement, ce qui est faisable, mais plus délicat, comme représenté sur la figure 9b .
Le courant est de préférence distribué le long de la ligne comme représenté sur la figure 9b.
L'intensité du courant de polarisation peut être ajusté en fonction de la fréquence du signal d'entrée. Un autre mode de réalisation d'un dispositif de réduction du bruit de phase selon l'invention est représenté sur les figures 10a et 10b, correspondant à un circuit supraconducteur de type II, à ligne active de transmission à flux de vortex d'Abrikosov. Le principe des flux de vortex d'Abrikosov est succinctement le suivant : en présence d'un champ magnétique croissant, le supraconducteur passe dans un état mixte normal- supraconducteur. Des courants se développent en surface du supraconducteur qui tendent à écranter le champ magnétique. Le flux magnétique qui rentre dans le supraconducteur se retrouve sous forme de lignes de champ regroupées en surface sur un disque de quelques dizaines d'angstrôms de rayon. Le flux contenu dans cette petite zone délimitée par des courants d'écrantage du champ magnétique qui circulent autour est égal à un quantum de flux φ0. Ces flux de vortex s'organisent selon un réseau périodique à base triangulaire en surface, comme représenté sur la figure 1 1. En injectant un courant continu orienté convenablement, ce réseau de flux de vortex se propage en translation, selon une direction orthogonale au courant (force de Lorentz).
Un avantage d'une telle ligne de transmission est que les flux de vortex s'organisent "naturellement" selon un réseau périodique bidimensionnel à base triangulaire. En polarisant convenablement en courant le dispositif, l'application en entrée d'un signal électromagnétique génère un réseau de flux de vortex, qui se déplace en lignes Lv (figure 11 ) selon cette structure de réseau. En sortie, un dispositif de réception (une charge adaptée quelconque) reçoit les impulsions de tension associées. En outre, si dans le matériau supraconducteur utilisé, par exemple du NdBa2Cu307, les plans de mâcle sont disposés en parallèle, cette organisation devient naturelle : les lignes Lv correspondent aux plans de macles. Selon l'invention, le circuit supraconducteur actif comprend (figures
10a, 10b), un film (couche mince) de supraconducteur 13 de type II, tel que YBa2Cu307 ou NdBa2Cu307 déposé (epitaxié) sur un substrat 12, par exemple, un substrat de SrTi03. Une fente 14 est pratiquée sur toute la largeur du film, ne laissant qu'un micropont 15 de film supraconducteur entre les deux parties 13a et 13b du film, de part et d'autre de la fente. Ce micropont a une hauteur inférieure ou égale à l'épaisseur du film. Dans l'exemple, ce micropont a une hauteur e de l'ordre de 0,1 micromètre, pour une longueur L de micropont, selon la direction de la fente, inférieure à cent micromètres et une largeur W, qui est aussi la largeur de la fente, supérieure à cent micromètres.
Deux électrodes de polarisation 16 et 17 en courant continu i de quelques milliampères environ sont prévues à chaque extrémité du film. Deux électrodes signal d'entrée 18 et 19 sont prévues à une extrémité de la fente, sur chaque partie 13a, 13b du film de part et d'autre de la fente, pour appliquer le signal d'entrée Sin, alternatif, tel qu'il impose périodiquement à l'entrée du micropont un champ magnétique local Be supérieure au champ critique, de manière à générer des vortex v à la période de ce signal. Le signal d'entrée peut être un signal impulsionnel de tension. On peut aussi appliquer un signal alternatif de type sinusoïdal. En pratique la source du signal d'horloge (non représentée) est adaptée en impédance, par rapport à l'impédance du micropont (quelques dizaines d'ohms).
Deux électrodes signal de sortie 20 et 21 sont prévues à l'autre extrémité de la fente, sur chaque partie 13a, 13b du film de part et d'autre de la fente, pour recueillir en sortie les impulsions de tension correspondant à la transmission en ligne des vortex (figure 11 ).
En pratique, chaque impulsion de tension (ou chaque tension crête positive du signal alternatif) fait passer le champ magnétique local Be en entrée du micropont au-dessus du champ critique du film supraconducteur provoquant la nucléation d'une collection de vortex. Le courant continu i 045063
19
appliqué orthogonalement (force de Lorentz) selon la direction appropriée induit la circulation des vortex.
La génération des vortex est obtenue par la modulation du champ magnétique par le signal d'horloge appliqué en entrée. La polarisation convenable du circuit induit la propagation des vortex selon la direction désirée, vers la sortie Sout du dispositif.
Pour favoriser encore le déplacement des vortex dans le sens désiré, on peut prévoir de placer le dispositif dans un champ magnétique continu faible B, par exemple de l'ordre de vingt milliteslas, orienté convenablement, en sorte que les vortex soient orientés dans le même sens, par exemple en plaçant une paire de bobines de Helmholtz de part et d'autre du circuit.
Un tel circuit supraconducteur peut être avantageusement utilisé dans un étage doubleur de fréquence comme indiqué précédemment, avec un autre circuit similaire associé à un circuit dephaseur, dans un dispositif de multiplication de fréquence.
Ainsi, dans ce mode de réalisation, la ligne de transmission comprend un film supraconducteur de type II à l'état mixte, déposé sur un substrat cristallin. Le film est polarisé en courant à ses extrémités et comprend une fente dans le sens de la largeur, excepté à l'endroit d'un micropont, la fente séparant le film en deux parties. Le signal quasi-périodique est appliqué à une extrémité de la fente, entre les deux parties du film et le signal de sortie est obtenu à l'autre extrémité de la fente, entre les deux parties du film.
Avantageusement, un tel dispositif à supraconducteur est plongé dans un champ magnétique continu orienté perpendiculairement au plan de surface de la fente.
L'invention qui vient d'être décrite utilise ainsi la structure périodique du réseau des quantums de flux générés (fluxons, vortex) et la propriété d'interaction répulsive de ces quantums de flux (assimilables à des dipôles magnétiques) pour réduire le bruit de phase d'un signal issu d'une source quasi-périodique. Une utilisation avantageuse de ce dispositif selon l'invention permet de fournir un signal de fréquence multiple sans dégradation du bruit de phase.
L'invention s'applique plus particulièrement dans le domaine de la haute et très haute fréquence, dans des systèmes d'électronique rapide. En particulier, un tel dispositif peut être utilisé dans des circuits logiques RSFQ.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de réduction du bruit de phase d'un signal (Sin) issu d'une source quasi périodique de fréquence fondamentale fO, caractérisé en ce qu'il comprend un système physique de transmission d'impulsions par transfert de particules, ledit système physique étant défini pour avoir une fréquence caractéristique fc définissant une plage de fréquence de fonctionnement du dispositif avec une limite basse liée à ladite fréquence caractéristique, telle que pour le signal quasi-périodique (Sin) appliqué en entrée, lesdites particules ont une interaction répulsive entre elles, ledit système fournissant en sortie des impulsions à la fréquence fondamentale fO.
2. Dispositif de réduction du bruit de phase d'un signal (Sin), issu d'une source quasi-périodique de fréquence fondamentale fO selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend un circuit supraconducteur à ligne active de transmission d'impulsions de tensions par transfert de quanta de flux φO, ledit circuit étant défini pour avoir une fréquence caractéristique fc telle que 0,3 fc soit inférieur ou égal à la fréquence fondamentale fO du signal quasi-périodique (Sin) appliqué en entrée, et fournissant en sortie un signal d'impulsions de tension de fréquence fondamentale fO.
3. Dispositif de réduction du bruit de phase, comprenant au moins deux circuits supraconducteurs selon la revendication 1 ou 2, un circuit de déphasage de π de l'entrée ou de la sortie d'un desdits circuits et un circuit de confluence pour réaliser un étage doubleur de fréquence dans un circuit de multiplication de fréquence.
4. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le circuit supraconducteur comprend une ligne de transmission Josephson définie géométriquement avec ladite fréquence caractéristique.
5. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendications 4, caractérisé en ce que la ligne de transmission Josephson est à jonction longue Josephson.
6. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendication
4, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission comprend une pluralité de jonctions Josephson shuntées en parallèle.
7. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque ligne de transmission Josephson est du type ligne à jonctions sur bi-cristal.
8. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque ligne de transmission Josephson est du type ligne à jonctions sur rampe.
9. Dispositif de réduction du bruit de phase selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le circuit supraconducteur comprend plusieurs lignes de transmission Josephson disposées en parallèle.
10. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendication
9, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de déphasage de π en entrée d'au moins une ligne de transmission, appliquant sur ladite ligne, un signal déphasé.
11. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendication
10, caractérisé en ce que ledit circuit de déphasage reçoit en entrée le signal d'entrée (Se) du dispositif.
12. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit circuit de déphasage reçoit en entrée le signal de sortie d'une ligne.
13. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que le circuit supraconducteur comprend n lignes de transmission Josephson de rang 1 à n dans un même plan de surface d'un substrat, avec n entier >2, et en ce qu'un signal parmi le signal d'entrée, et le signal d'entrée déphasé, est appliqué aux lignes de rang pair, et l'autre signal est appliqué aux lignes de rang impair, le signal de sortie étant fourni en sortie d'une des n lignes.
14. Dispositif de réduction du bruit de phase selon l'une quelconque des revendications 5 à 13 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de polarisation en courant comprenant une pluralité branches d'amenées du courant, pour distribuer ce courant le long de chaque ligne de transmission Josephson.
15. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'ajustement de l'intensité du courant de polarisation en fonction de la fréquence du signal d'entrée.
16. Dispositif de réduction du bruit de phase selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le circuit supraconducteur comprend une ligne de transmission d'impulsions de tension à flux de vortex.
17. Dispositif de réduction du bruit de phase selon la revendication
16, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission comprend un film supraconducteur de type II à l'état mixte, déposé sur un substrat cristallin, ledit film étant polarisé en courant à ses extrémités, et comprenant une fente dans le sens de la largeur, excepté à l'endroit d'un micropont, ladite fente séparant le film en deux parties, et caractérisé en ce que le signal quasi- périodique est appliqué à une extrémité de la fente, entre les deux parties du film, et le signal de sortie est obtenu à l'autre extrémité de la fente, entre les deux parties du film.
18. Dispositif de réduction du bruit de phase selon l'une quelconque des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce que ledit dispositif à supraconducteur est plongé dans un champ magnétique continu orienté perpendiculairement au plan de surface de la fente.
19. Dispositif de réduction du bruit de phase selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les circuits supraconducteurs utilisent un supraconducteur du type à haute température critique.
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