Titre de l'invention : Amplificateur paramétrique à onde progressive à basse impédance caractéristique et son procédé de fabrication

[0001 ] L’invention porte sur un amplificateur paramétrique à supraconducteur du type à onde progressive. Plus particulièrement, elle porte sur un tel amplificateur présentant une impédance caractéristique relativement faible, par exemple de l’ordre de 50 Ohm.

[0002] Les amplificateurs paramétriques sont bien connus en optique non linéaire. Ils exploitent des effets non-linéaires du deuxième ordre (mélange à trois ondes) ou du troisième ordre (mélange à quatre ondes) pour transférer de l’énergie d’un faisceau optique de pompe à un signal optique à amplifier. Un mélange à quatre ondes peut être obtenu dans une fibre optique, ce qui permet d’obtenir une grande longueur d’interaction entre la pompe et le signal, et donc un gain élevé.

[0003] Plus récemment, des amplificateurs paramétriques ont été réalisés dans le domaine des radiofréquences et plus particulièrement des hyperfréquences (1 - 300 GHz). Ces amplificateurs utilisent des composants électroniques présentant un comportement non-linéaire. Il peut s’agir, par exemple, d’éléments

supraconducteurs tels des jonctions Josephson ou des SQUID (dispositifs supraconducteurs à interférence quantique - « superconducting quantum interférence devices » en anglais - constitués de deux jonctions Josephson montés en parallèle dans une boucle supraconductrice). Les jonctions

Josephson et les SQUID présentent une inductance cinétique qui dépend quadratiquement de la densité de courant, et joue donc un rôle équivalent à l’effet Kerr (non-linéarité du troisième ordre) en optique. Dans le cas des SQUID, en outre, la valeur de cette inductance non-linéaire peut être ajustée en faisant varier le flux magnétique qui traverse le dispositif.

[0004] L’intérêt principal des amplificateurs paramétriques à radiofréquences /

hyperfréquences réside dans leur très faible niveau de bruit, proche de la limite quantique et inférieur d’un ordre de grandeur aux meilleurs amplificateurs à semi-conducteur disponibles. [0005] Le gain procuré par un élément non-linéaire agissant en tant qu’amplificateur paramétrique est très faible. Pour obtenir des gains significatifs, deux approches sont possibles :

- Amplificateur à onde stationnaire : le ou les éléments non linéaires sont placés dans une cavité résonante. Cela a également l’effet de réduire très fortement la bande passante, ce qui peut être un grave inconvénient dans certaines applications.

- Amplificateur à onde progressive : de nombreux éléments non-linéaires connectés en série forment une ligne de transmission le long de laquelle le signal se propage. Cette dernière approche permet d’obtenir une bande passante plus large, mais à la condition de maintenir la condition d’accord de phase entre la pompe et le signal à amplifier, ce qui nécessite de maîtriser la dispersion de la ligne de transmission. Ce problème est d’ailleurs bien connu en optique.

[0006] US 2012/0098594 et l’article de (Eom 2012) décrivent des amplificateurs paramétriques à onde progressive qui exploitent l’inductance cinétique non linéaire d’éléments supraconducteurs formant une ligne de transmission. Dans les dispositifs décrits par ces documents, le contrôle de la dispersion permettant d’atteindre la condition d’accord de phase est obtenu par une modulation spatiale périodique de la structure de la ligne de transmission.

[0007] US 2018/0034425 décrit un amplificateur paramétrique à onde progressive basé sur une chaîne de SQUID. L’accord de phase est obtenu en contrôlant le flux magnétique à travers les SQUID. Le document ne fournit pas de détails sur la mise en oeuvre concrète de l’amplificateur.

[0008] Les articles (White 2015) et (Macklin 2015), décrivent des amplificateurs paramétriques à onde progressive basés sur une ligne de transmission formée par des jonctions Josephson et des condensateurs à plaques parallèles reliés à la masse. L’accord de phase est obtenu en insérant dans la structure, à intervalles réguliers, des résonateurs LC parallèles.

[0009] L’article (Planat 2018) décrit un amplificateur paramétrique résonant utilisant une chaîne d’éléments supraconducteurs formant un résonateur

supraconducteur non-linéaire. [0010] Les amplificateurs paramétriques doivent être reliés à des systèmes électroniques externes - par exemple des générateurs de signaux

radiofréquences - qui présentent le plus souvent une impédance de 50 Ohm, et généralement inférieure à 100 Ohm. Afin de minimiser les pertes par réflexion il est important, dans les amplificateurs à onde progressive (mais pas dans les amplificateurs résonants du type de (Planat 2018)), que l’impédance

caractéristique de la ligne de transmission non linéaire prenne, autour de son point de fonctionnement, une valeur aussi proche que possible de l’impédance d’entrée ou sortie des systèmes électroniques auxquels l’amplificateur doit être relié.

[001 1 ] L’impédance caractéristique Z ₀ d’une ligne de transmission est donnée par [0012] [Math. 1 ]

où L est l’inductance par unité de longueur et C la capacité par unité de longueur.

Or, une jonction Josephson présente typiquement une inductance de l’ordre de quelques dizaines ou centaines de pH (picoHenry). Pour obtenir une impédance caractéristique de l’ordre de quelques dizaines ou centaines de Ohms, il est donc nécessaire d’y associer une capacité de quelques fF (femtoFarad). Pour cette raison, les amplificateurs paramétriques décrits dans (White 2015) et (Macklin 2015) comprennent des condensateurs concentrés qui sont

sensiblement plus grands que les jonctions Josephson. Cette approche nuit à la compacité de l’amplificateur paramétrique. En outre, il faut veiller à ce que le diélectrique des condensateurs n’introduise pas des pertes dégradant les performances de l’amplificateur.

[0013] L’invention vise à surmonter les inconvénients précités de l’art antérieur. Plus particulièrement, elle vise à procurer un amplificateur paramétrique à onde progressive compact, présentant néanmoins une impédance caractéristique faible (typiquement, mais pas nécessairement, inférieure à 100 Ohm et de préférence d’environ 50 Ohm). [0014] Conformément à l’invention, ce but est atteint en utilisant une structure qu’on peut qualifier de « microstrip inversé », dans laquelle la chaîne de jonctions Josephson ou SQUID est recouverte d’une couche diélectrique de quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur, sur lequel est déposé un plan de masse. L’ensemble se comporte comme une ligne de transmission de type

« microstrip », mais avec une capacité par unité de longueur de plusieurs ordres de grandeurs supérieure à celle qui serait obtenue si, de manière

conventionnelle, le plan de masse était réalisé sur la face arrière du substrat, dont l’épaisseur est généralement d’au moins 100 pm. De cette façon, une impédance caractéristique de l’ordre de quelques dizaines ou centaines de Ohm peut être obtenue sans avoir recours à des condensateurs à paramètres concentrés.

[0015] Selon un mode de réalisation de l’invention, pour optimiser ultérieurement la miniaturisation de l’amplificateur paramétrique, l’accord de phase est obtenu en modulant spatialement de manière périodique les dimensions des jonctions Josephson ou SQUID, plutôt qu’en introduisant des oscillateurs LC.

Avantageusement, la couche de diélectrique est fabriquée par dépôt de couches atomiques (ALD, de l’anglais « Atomic Layer Déposition »), qui assure une excellente qualité du matériau et donc de faibles pertes.

Un amplificateur paramétrique selon l’invention peut être fabriqué de manière simple, en ayant recours à des technologies bien maîtrisées.

[0016] Un objet de l’invention est donc un amplificateur paramétrique

supraconducteur à onde progressive comprenant une chaîne d’éléments supraconducteurs présentant une inductance cinétique non linéaire reliés en série, lesdits éléments supraconducteurs étant déposés sur un substrat, caractérisé en ce qu’il comprend également une couche diélectrique d’épaisseur sub-micrométrique déposée sur le substrat et recouvrant lesdits éléments supraconducteurs, ainsi qu’une couche conductrice formant un plan de masse déposée au-dessus de la couche diélectrique, les éléments supraconducteur et la plan de masse formant une ligne de transmission de type microstrip.

[0017] Selon des modes de réalisation particuliers d’un tel amplificateur

paramétrique : - ladite couche diélectrique peut présenter une épaisseur comprise entre 1 et 100 nm, et de préférence entre 10 et 50 nm (la valeur exacte dépendant de l’impédance caractéristique souhaitée et de l’inductance des éléments

supraconducteurs) ;

- ladite couche diélectrique peut être réalisée par dépôt de couches

atomiques ;

- ladite couche diélectrique peut être en alumine ;

- la chaîne d’éléments supraconducteurs et l’épaisseur de la couche

diélectrique peuvent être dimensionnés de telle sorte que la ligne de transmission présente une impédance comprise entre 30 et 70 Ohm, et de préférence entre 30 et 60 Ohm ;

- l’amplificateur peut comprendre également au moins un plot de contact conducteur de forme effilée dont l’extrémité plus fine est reliée électriquement à une extrémité de la chaîne d’éléments supraconducteurs, dans lequel la couche conductrice formant un plan de masse est structurée pour former, avec ledit plot de contact conducteur, un tronçon de ligne de transmission de type coplanaire adapté en impédance à la ligne de transmission de type microstrip ;

l’amplificateur peut alors comprendre également au moins une broche de contact reliée électriquement audit ou à chaque plot de contact à travers la couche diélectrique ;

- au moins une dimension desdits éléments supraconducteurs présentant une inductance cinétique non linéaire peut être modulée spatialement de manière à définir une plage spatiale d’accord de phase pour une onde électromagnétique ;

- l’amplificateur peut comprendre également un générateur d’un signal de pompe à radiofréquence ou hyperfréquence ;

- lesdits éléments supraconducteurs présentant une inductance cinétique non linéaire peuvent être choisis parmi des jonctions Josephson et des SQUID ;

- plus particulièrement, lesdits éléments supraconducteurs présentant une inductance cinétique non linéaire peuvent être des SQUID, et l’amplificateur peut comprendre également une source de champ magnétique variable générant un flux ajustable à travers lesdits SQUID.

[0018] Un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication d’un tel

amplificateur paramétrique à onde progressive comprenant les étapes consistant à :

a) fabriquer sur un substrat, par des opérations de lithographie électronique, dépôt métallique et oxydation, une chaîne d’éléments supraconducteurs de type jonctions Josephson ou SQUID reliés en série ;

b) réaliser, par dépôt de couches atomiques au-dessus dudit substrat, une couche diélectrique d’épaisseur sub-micrométrique recouvrant lesdits éléments supraconducteurs ; et

c) déposer une couche conductrice formant un plan de masse au-dessus de la couche diélectrique.

[0019] Selon des modes de réalisation particuliers d’un tel procédé :

- l’étape a) peut comprendre également la fabrication d’au moins un plot de contact conducteur de forme effilée dont l’extrémité plus fine est reliée électriquement à une extrémité de la chaîne d’éléments supraconducteurs, et l’étape c) peut comprendre également une structuration de la couche

conductrice pour former, avec ledit plot de contact conducteur, un tronçon de ligne d’onde de type coplanaire adapté en impédance à la ligne de transmission de type microstrip formée par la chaîne d’éléments supraconducteurs et le plan de masse ;

- le procédé peut comprendre également l’étape suivante :

d) connexion d’une broche de contact audit ou à chaque dit plot de contact par microsoudure à travers la couche diélectrique.

[0020] Les dessins annexés illustrent l’invention :

[0021 ] [Fig.1 A], [Fig. 1 B] et [Fig. 1 C] représentent un amplificateur paramétrique selon un mode de réalisation de l’invention à différentes étapes de sa fabrication ;

[0022] [Fig.2A] et [Fig. 2B] sont des vues de détail des figures 1 B et 1 C,

respectivement ;

[0023] [Fig. 3] illustre schématiquement une modulation de taille des éléments

supraconducteurs permettant d’obtenir un accord de phase ;

[0024] [Fig. 4] est un graphique illustrant la relation de dispersion d’un amplificateur paramétrique du type de la figure 1 C ; [0025] [Fig. 5] est un graphique illustrant les pertes dans cet amplificateur

paramétrique ; et

[0026] [Fig. 6] est un graphique illustrant le profil de gain du même amplificateur paramétrique.

[0027] La fabrication d’un amplificateur paramétrique à onde progressive selon

l’invention comporte trois étapes principales, illustrées par les Fig. 1 A, Fig. 1 B et Fig. 1 C, respectivement.

[0028] La première étape, illustrée par la Fig. 1 A, est la fabrication de la chaîne

d’éléments supraconducteurs CES (ici, 2000 SQUID SQ formé chacun de deux jonctions Josephson JJ en parallèle) au-dessus d’un substrat SS. Dans l’exemple des figures 1A - 1 C le substrat est en silicium et présente une épaisseur de 275 pm ; sa face arrière est couverte d’une couche d’accroche de Ti (10 nm) et d’une couche d’or (200 nm) dont la fonction est essentiellement d’assurer un bon contact thermique avec un porte-échantillon en cuivre (elle forme également un plan de masse, mais dans le cadre de l’invention cette fonction est négligeable).

[0029] La chaîne d’éléments supraconducteurs est de préférence réalisée par la technique de « fabrication sans pont » (BFF, de l’anglais « Bridge-Free

Fabrication ») décrite dans (Lecocq 201 1 ). Conformément à cette technique, un dégagement fortement asymétrique est formé dans une double couche de résine par lithographie électronique. Un premier dépôt de métal (Al) selon un premier angle par rapport à la normal au substrat permet de fabriques des structure, par exemple en forme de H. Ces structures sont oxydées, puis un deuxième dépôt de métal est réalisé selon un deuxième angle opposé au premier, pour fabriques des structures qui recouvrent partiellement celles déposées auparavant et oxydées. Chaque recouvrement métal oxydé / métal forme une jonction

Josephson. Enfin, la résine est enlevé totalement.

[0030] Chaque SQUID présente une longueur (dans la direction de propagation des signaux) d’environ 3 pm et une largeur d’environ 12 pm.

[0031 ] A chaque extrémité, la chaîne CES se termine par une piste de quelques dizaines de micromètres de longueur, puis un plot de contact PCE1 , PCE2 de forme effilée (de préférence triangulaire), dont les Fig. 2A et 2B montrent des vues agrandies.

[0032] La deuxième étape, illustrée par la Fig. 1 B, est le dépôt conforme d’une fine (par exemple, 28 nm) couche diélectrique CD. Dans l’exemple considéré ici, le diélectrique est de l’alumine et le dépôt est effectué par ALD à une température comprise entre 150°C et 200°C en utilisant du trimethylaluminium en tant que précurseur. Il n’est pas nécessaire de prévoir une étape de procédé

additionnelle pour masquer les plots de contact : ces derniers peuvent être recouverts par la couche diélectrique qui, en raison de sa faible épaisseur, peut être percée très facilement au moment de la prise de contact (cf. infra, fig. 1 C). Ainsi, le dépôt couvre de préférence l’intégralité de la surface du substrat, y compris les plots de contact.

[0033] La deuxième étape, illustrée par la Fig. 1 C, est le dépôt d’une couche

métallique formant un plan de masse PM au-dessus de la couche diélectrique CD. Il peut s’agir par exemple d’une couche d’or de 200 à 1000 nm d’épaisseur. La couche PM forme, avec la couche diélectrique CD et la chaîne d’éléments supraconducteurs CES une ligne de transmission microstrip non linéaire LMS (la non-linéarité étant due aux éléments supraconducteurs) présentant de préférence une impédance caractéristique de 50 Ohm environ (par exemple comprise entre 30 et 70 Ohm, et de préférence entre 30 et 60 Ohm)

[0034] La couche PM est structurée, au moment du dépôt ou ultérieurement, de

manière à présenter des encoches qui dégagent les plots de contact PCE1 , PCE2. Typiquement, la structuration est effectuée par le dépôt préalable d’une couche sacrificielle en résine sur les plots de contact, résine qui est enlevée après le dépôt du métal. Les encoches sont plus larges que les plots de contact, et présentent un angle au sommet plus important, de manière à former avec ces derniers des tronçons de guide d’onde « coplanaire » CPW effilés et adaptés en impédance à la ligne de transmission LMS. Les guides d’onde CPW ne sont pas proprement coplanaires, car les conducteurs centraux (plots PCE1 , PCE2) sont déposés directement sur le substrat tandis que les conducteurs latéraux font partie du plan de masse. Toutefois, la couche diélectrique est tellement fine qu’en pratique, du point de vue électromagnétique, on peut considérer la structure comme étant coplanaire. La Fig. 2B montre une vue agrandie de la transition CPW - LMS.

[0035] Comme le montre la Fig. 1 C, des broches de contact BC sont reliées par microsoudure aux plots de contact PCE1 , PCE2 à travers la couche diélectrique CD, qui est facilement percée. Un premier plot est utilisé pour injecter un signal radiofréquence/hyperfréquence à amplifier S à une fréquence fs, ainsi qu’une onde électromagnétique de pompe P, plus intense et présentant une fréquence fp - toujours radiofréquence/hyperfréquence - supérieure à fs/2. La broche opposée permet de récupérer le signal amplifié, la pompe atténuée et un troisième signal C - dit complémentaire ou « idler » - de fréquence fc- Le principe de conservation de l’énergie impose la relation 2fp=fs+fc- Sur la Fig. 1 C, la référence GP désigne un générateur de pompe.

[0036] D’une manière connue en soi, un générateur de champ magnétique GCM, par exemple un électro-aimant, peut induire un champ magnétique d’intensité réglable B, qui traverse les SQUID afin d’ajuster leur inductance. Il est connu, en effet, que l’inductance d’un SQUID est une fonction non-linéaire du flux magnétique qui le traverse. Cela est rendu possible par le fait que le plan de masse, en or, ne devient pas supraconducteur.

[0037] Bien que cela ne soit pas apparent sur les figures, selon un mode de

réalisation préféré de l’invention les dimensions des éléments supraconducteurs peuvent être modulées spatialement de manière périodique. Cela modifie la relation de dispersion de la ligne de transmission LMS en introduisant une bande interdite. L’ouverture de cette bande interdite déforme localement la relation de dispersion ce qui permet de manière à assurer, pour un point de fonctionnement (intensité de la pompe) donné et pour une plage de fréquences fs, fc, une condition d’accord de phase. La modulation peut être faible, par exemple d’environ 6% des dimensions des jonctions Josephson. La figure 3 illustre un amplificateur paramétrique selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel les éléments supraconducteurs (SQUID) présentent une modulation de dimensions (largeur) avec une période L _period · H est intéressant de noter que l’introduction d’une modulation spatiale des dimensions des éléments

supraconducteurs n’introduit pas d’étapes de procédé additionnelles. [0038] La relation de dispersion de la ligne de transmission LMS a été mesurée en utilisant la méthode décrite dans (Macklin 2015). Le résultat de la mesure est illustré sur la Fig. 4. On peut en déduire les valeurs de la capacité des jonctions Josephson Cj (390 fF), leur inductance Lj (115 pH) la capacité à la masse C _g (31 ,5 fF) et l’impédance caractéristique (racine carrée de Lj/C _g =60,5 Ohm environ). On vérifie qu’une impédance caractéristique proche de la valeur cible de 50 Ohm est obtenue (il s’agit là d’un prototype, un meilleur contrôle des conditions de fabrication permet de s’approcher davantage de cette valeur cible). Il est intéressant de noter que cette valeur d’impédance est obtenue avec des cellules élémentaires très petites, ayant une longueur d’environ 3,2 miti, contre 16 miti pour (Macklin 2015) ; dans (White 2015) une cellule élémentaire comprend 3 jonctions Josephson et une capacité et mesure 67 miti, soit environ 22 miti par jonction Josephson. On voit donc bien l’avantage procuré par l’invention en termes de miniaturisation.

[0039] La Fig. 5 montre deux courbes de transmission de la ligne LMS pour deux valeurs différentes de l’intensité de l’onde de pompe : -100 dBm (courbe supérieure) et -123 dBm. On peut remarquer que les pertes diminuent lorsque l’intensité de la pompe augmente. Ces courbes expérimentales permettent de calculer un angle de perte tanô-d compris entre 6,3-10 ³ et 7,5-10 ³ , ce qui confirme l’excellente qualité du diélectrique obtenu par ALD.

[0040] La figure 6 illustre une courbe de gain mesurée sur le dispositif des figures 4 et 5 (ligne continue) et la courbe théorique de gain (ligne pointillée). En faisant abstraction des ondulations, on peut observer que le gain atteint les 18 dB avec une bande passante à -3dB d’environ 3 GFIz, coupée en son milieu par une bande interdite d’environ 700 MFIz.

[0041 ] L’invention a été décrite en référence à un mode de réalisation particulier. Elle ne se limite cependant à ce mode de réalisation, et de nombreuses variantes sont possibles.

[0042] D’autres matériaux que ceux indiqués (silicium pour le substrat, aluminium pour la réalisation des jonctions Josephson, alumine pour le diélectrique et or pour le plan de masse) peuvent être utilisés. En particulier, s’il n’est pas nécessaire d’utiliser un flux magnétique pour accorder finement les inductances des jonctions Josephson, le plan de masse peut être à son tour supraconducteur.

[0043] D’autres techniques que la BFF peuvent être utilisées pour la fabrication des jonctions Josephson - par exemple, une technique avec formation d’un pont de résine. De même, la couche diélectrique peut être fabriquée au moyen de toute technique de dépôt physique ou chimique, et pas uniquement par ALD. L’ALD déposée par plasma constitue une alternative intéressante pour minimiser les pertes dans le diélectrique.

[0044] Bien que la structure « microstrip inversé » de l’invention soit particulièrement avantageuse en conjonction avec l’utilisation de jonctions Josephson (seules ou formant des SQUID), elle peut également être appliquée à la fabrication d’amplificateurs paramétriques exploitant d’autres éléments non-linéaires supraconducteurs, par exemple les couches minces utilisées dans (Eom 2012).

[0045] L’utilisation d’une modulation spatiale des dimensions des éléments

supraconducteurs pour obtenir l’accord de phase est particulièrement

avantageuse car elle n’entraîne aucune augmentation de l’encombrement de l’amplificateur paramétrique. Cependant, d’autres techniques, comme par exemple l’insertion de résonateurs, peuvent également être utilisées.

[0046] Références bibliographiques

[0047] (Planat 2018) L. Planat et al.“Understanding the saturation power of

Josephson Parametric Amplifier made from SQUIDs arrays”, arXiv:

1809.08746v1

[0048] (Eom 2012): Byeong Ho Eom et al. « A wideband, low-noise superconducting amplifier with high dynamic range » Nature Physics 8.8 (2012): 623

[0049] (White 2015): T. C. White et al. « Travelling wave parametric amplifier with Josephson junctions using minimal resonator phase matching », Appl. Phys. Lett. 106, 242601 (2015)

[0050] (Macklin 2015) : C. Macklin et al. « A near-quantum-limited Josephson

travaling-wave parametric amplifier », Science, Vol. 350, Issue 6258, pages 307 - 310, 16 octobre 2015 [0051 ] (Lecocq 201 1 ) : F. Lecocq et al. « Junction fabrication by shadow évaporation without a suspended bridge » Nanotechnology 22, 315302 (2011).