Les systèmes de télécommunication de type radio logicielle ou "Software Defined Radio" (SDR) exploitent les techniques numériques qui permettent leur reconfigurabilité, que ce soit en termes de fréquence, de bande passante utilisée, ou de méthode de modulation/démodulation des signaux. Ceux-ci nécessitent des architectures permettant la numérisation des signaux analogiques RF à des fréquences d'échantillonnage de plusieurs dizaines de GHz, avec des bandes passantes de plusieurs dizaines de MHz et une résolution supérieure à 10 bits. Ces objectifs sont très difficiles à atteindre avec la technologie actuelle des semi-conducteurs. La logique à quantum de flux magnétique ou logique "Rapid Single-Flux-Quantum" (RSFQ) se présente comme un candidat séduisant pour la conception de tels systèmes.En effet, celle-ci permet d'atteindre des fréquences d'horloge de plusieurs centaines de GHz pour une consommation d'environ 100 nW par porte logique. Le travail de thèse a consisté en la réalisation d'un prototype de chaîne de réception RF analogique-numérique en technologie RSFQ. L'étude et la conception des différents blocs la constituant comme le convertisseur analogique-numérique et ceux de traitement du signal numérisé en aval a été réalisée. Les premiers résultats expérimentaux confirment la fonctionnalité des cellules RSFQ de base constituant le bloc de traitement numérique. La difficulté à faire fonctionner expérimentalement les blocs plus complexes a soulevé la question de la sensibilité des cellules RSFQ aux perturbations magnétiques extérieures. Cette problématique a été étudiée sur des circuits RSFQ simples et a permis de conclure qu'un champ magnétique externe de quelques dizaines de $mu$T était suffisant pour dégrader le fonctionnement de tels circuits. Une solution de prise en compte des effets d'un champ magnétique externe dans le simulateur utilisé a été développée pour anticiper ces problèmes dès la conception. Celle-ci a été validée expérimentalement avec un Superconducting Quantum Interference Device (SQUID). / Information and telecommunication Software Defined Radio (SDR) systems are mainly based on digital techniques, which enable to easily reconfigure them, in terms of frequency, bandwidth and modulation techniques. They can process the information entirely in a digital way, by directly sampling the input RF signal and require analog-to-digital converters with strong performances. Indeed, SDR systems have to work at sampling frequencies of several tens of GHz, with large bandwidths and a suitable resolution ($geq$ 10 bits). Rapid-Single-Flux-Quantum logic (RSFQ) seems to be an interesting solution to design such systems. This technology can reach clock frequencies of several hundreds of GHz with a power consumption of only 100 nW per logic gate. This work deals with the design of a superconductive RF front-end receiver based on RSFQ technology. The study of the different parts of the chain was done, such as the analog-to-digital converter and the signal processing part of the digital signal. Experimental results confirm that all simple RSFQ cells work with correct margins. Complex circuits work with more difficulty, raising the issue of the sensitivity of RSFQ cells to external magnetic disturbances. This point was studied on basic RSFQ cicuits and shows that a magnetic field of about 10 $mu$T is sufficient to spoil the operation of the circuit. Moreover, a solution to take into account magnetic effects in the simulation of the circuits was developed and experimentally validated on a Superconducting Quantum Interference Device (SQUID).

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: In order to facilitate the creation of complex and robust RSFQ digital logic circuits an extensive library of electronic design automation (EDA) tools is a necessity. It is the aim of this work to introduce various methods to improve the current state of EDA in RSFQ circuit design. Firstly, Monte Carlo methods such as Latin Hypercube sampling and Sobol sequences are applied for their variance reduction abilities in approximating circuit yield. In addition, artificial neural networks are also investigated for their applicability in modeling the parameter-yield space. Secondly, a novel technique for circuit functional testing using automated state machine extraction is presented, which greatly simplifies the logical verification of a circuit. This method is also used, along with critical timing extraction, to automatically generate Hardware Description Language(HDL) models which can be used for high level circuit design. Lastly, the Greedy Local search, Simulated Annealing and Genetic Algorithm meta-heuristics were statistically compared in a novel manner using a yield model provided by artificial neural networks. This is done to ascertain their performance in optimising RSFQ circuits in relation to yield. The variance reduction techniques of Latin Hypercube Sampling and Sobol sequences were shown to be beneficial for the use with RSFQ circuits. For optimisation purposes the use of Simulated Annealing and Genetic Algorithms were shown to improve circuit optimisation for possible multi-modal search spaces. An HDL model is also successfully generated from a complex RSFQ circuit for use in high level circuit design which includes critical timing and propagation latency. All the techniques presented in this study form part of a software library that can be further refined and extended in future work.

Superconductivity in magnesium diboride (MgB2) was first discovered in 2001. It is unique in that it has two superconducting gaps. The transition temperature of 39 K exceeded the maximum transition temperature thought to be possible through phonon mediated superconductivity. Through the study of MgB2, a general paradigm is being formulated to describe multi-gap superconductors. The paradigm includes inter-band and intra-band scattering between the gaps which can cause a smearing of the gap parameter over a distribution instead of a single value. Although each gap is individually thought to be well described by the BCS theory, the interaction between the two gaps causes complications in describing the overall superconducting properties of MgB2. The focus of this work was to lay the groundwork for an MgB2-based Josephson junction technology. This includes improving on a previously established baseline for all-MgB2 Josephson junctions, utilizing the Josephson Effect to experimentally verify a model pertaining to the two-gap nature of MgB2, specifically the magnetic penetration depth, and designing, fabricating, and testing multi-junction devices and circuits. The experiments in this work included fabrication of Josephson Junctions, DC superconducting quantum interference devices (SQUIDs), Josephson junction arrays, and a rapid single flux quantum (RSFQ) circuit. The junctions were all made utilizing the hybrid physical-chemical vapor deposition method, with an MgO sputtered barrier. The current process consists of three superconducting layers which are patterned using standard UV photolithography and etched with Ar ion milling. There were SQUIDS made with sensitivity to magnetic fields parallel to the film surface, which were used to measure the inductance of MgB2 microstrips. This inductance was used in design of more complicated devices as well as in calculating the magnetic penetration depth of MgB2, found to be about 40 nm at low temperature, in good agreement with a previously published theoretical model. Planar-type DC SQUIDs were also made to present the feasibility of the technology for application purposes. The large voltage modulation of over 500 μV at 15 K for these devices along with operation up to 37 K shows that MgB2 is a potential replacement for low temperature devices. The junction series arrays were fabricated with 100 junctions of equal size to present the ever-increasing robustness of the technology. The devices served well to measure the large property spread associated with these junctions and have been well established as a diagnostic tool for improving this spread. The culmination of this work was a basic RSFQ toggle flip flop circuit. A DC measurement of these circuits yielded digital operation up to 180 GHz at low temperature and about 63 GHz at 20 K. This is not yet near the potential limit of MgB2 established by the value of the superconducting gap parameters, but a huge success in showing that MgB2 is a viable option for pursuing superconducting digital electronics suitable for low power, cryogen-free operation. / Physics

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) cells are key in the design of complex and applicable RSFQ electronic circuits. These cells are low-level circuit elements that are used repeatedly to build larger, applicable RSFQ circuitry. Making these cells simple to layout and manufacture, but reliable for extensive use demands a careful development process for RSFQ cells. Cell functionality is verified through simulations, thereafter the cell is laid out in special software packages. Inductance of on-chip superconductor structures is extracted through careful modelling with numerical field solver software. A cell library has been developed by incorporating existing or published cells after further analysis and optimization, as well as developing new cells. Cells that have been adapted into the library include the Josephson transmission line (JTL), Splitter, Merger, D-Flip Flop (DFF), T-Flip Flop (TFF), NOT, AND, OR and XOR, DC-SFQ and SFQ-DC and PTL Driver and Receivers. New cells include NOR, NAND and XNOR. The cells were designed for the IPHT’s RSFQ1D 1kA/cmª and Hypres’ 4.5kA/cmª processes. The cells in the library have good bias current operating margins obtained through simulations (> ±26%). All cells have all the parameters listed in the thesis including extracted inductance values. In order to have a complete and verified RSFQ cell library, cells have been sent for fabrication at IPHT and Hypres facilities. These cells can now be tested on-chip, in the laboratory, to establish functionality and practical bias current margins. All test signal patterns and bias currents required for testing are defined to allow co-workers or collaborators to test the cells. / AFRIKAANSE OPSOMMING: "Rapid Single Flux Quantum" (RSFQ) selle is van sleutelbelang in die ontwerp van komplekse en toepaslike RSFQ elektroniese stroombane. Hierdie selle is laevlak stroombaanelemente wat herhaaldelik gebruik word om groter RSFQ bane mee te bou. Versigtige ontwikkeling is nodig om hierdie selle eenvoudig vir uitleg en vervaardiging te hou terwyl dit ook betroubaar is vir wye gebruik. Selfunksionaliteit word geverifieer deur middel van simulasies, waarna selle vir vervaardiging uitgelê word in spesiale sagtewarepakette. Induktansie van supergeleierstrukture op vervaardigde skyfies word deur versigtige modellering met behulp van numeriese veldoplossingsagteware onttrek. In hierdie tesis is ’n selbiblioteek ontwerp deur bestaande (gepubliseerde) selle verder te analiseer en optimeer, en deur nuwe selle te ontwerp om die biblioteek volledig te maak. Selle wat aangepas is vir hierdie biblioteek sluit die Josephson-Transmissielyn (JTL), Verdeler, Samevoeger, DWipkring (DFF), T-Wipkring (TFF), NIE, EN, OF en XOF, asook die DC-SFQ en SFQ-DC selle en Passiewe Transmissielyn (PTL) drywers en ontvangers in. Nuwe selle sluit die NOF, NEN en XNOF hekke in. Die selle is ontwerp en uitgelˆe vir beide IPHT se RSFQ1D 1kA/cmª en Hypres se4.5kA/cmª prosesse. Die selle in die biblioteek toon goeie voorspanningstroom-werksmarges, soos verkry deur simulasie (> ±26%). Parameters en berekende induktansies vir alle selle word in die tesis gelys vir naslaandoeleindes. Vir die daarstel van ’n volledige en geverifieerde RSFQ selbiblioteek is selontwerpe vir vervaardiging na IPHT en Hypres gestuur. Aangesien vervaardiging slegs een maal per jaar by IPHT gedoen word, is die skyfies egter nog nie beskikbaar nie. Na vervaardiging kan die skyfies egter getoets word om selfunksionaliteit in die laboratorium te meet. Ten einde hierdie toetsing vir enige medewerker te vergemaklik, word alle toetsparameters soos voorspanningstroom en intreeseinpatrone in die tesis gedefinieer.

Cette thèse a permis le développement et l'optimisation de jonctions Josephson SNS (Supraconducteur–métal Normal–Supraconducteur) à électrodes NbN et barrière TaxN de haute résistivité. On a montré une bonne reproductibilité des propriétés des couches TaxN en fonction des paramètres du dépôt. Les tricouches NbN/TaxN/NbN présentent la température critique élevée attendue (16K). Les jonctions présentent une dépendance claire du produit RnIc (courant Josephson x résistance normale, indicateur de la fréquence Josephson maximale) en fonction de la pression d'azote dans le dépôt. On a ainsi obtenu sur des collections de jonctions des produits RnIc très élevés, jusqu'à 3,74mV à 4,2K pour des densités de courant critique Jc voisines de 15kA/cm2. Les jonctions présentent les comportements Josephson attendus, (diffraction de Fraunhofer et marches de Shapiro) jusqu'à 14K. La dépendance du Jc des jonctions en fonction de la température a été interpolée en utilisant le modèle des jonctions SNS longues dans la limite sale, donnant une longueur de cohérence du métal normal autour de 3,8nm à 4,2K. Nous avons enfin étudié un procédé de fabrication multiniveaux adapté aux circuits RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), comprenant un plan de masse commun et des résistances de polarisation. Pour conclure, nous avons montré la supériorité de performances des jonctions NbN/TaxN/NbN sur les jonctions actuelles en niobium et leur intérêt pour réaliser des circuits numériques RSFQ compacts. En effet ces jonctions s'affranchissent des résistances d'amortissement des jonctions Nb, et peuvent fonctionner jusqu'à des fréquences d'horloge supérieures à 150 GHz et jusqu'à 10K (contre 50 GHz en Nb à 4,2K).

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第20033号 / 情博第628号 / 新制||情||109(附属図書館) / 33129 / 京都大学大学院情報学研究科通信情報システム専攻 / (主査)教授 髙木 直史, 教授 小野寺 秀俊, 教授 佐藤 高史 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

Thesis (MScEng)--University of Stellenbosch, 2001. / ENGLISH ABSTRACT: Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) logic cells are discussed, and new cells developed. The expected yield of every cell is computed through a Monte Carlo analysis, and where necessary these cells are optimized for use in a complex system. A mathematical study of the Josephson junction and SQUIDs (Superconducting Quantum Interference devices) as switching elements precede a discussion on the operation of RSFQ and COSL (Complementary Output Switching Logic.) These logic families are implemented in low temperature niobium technology, and require liquid helium cooling. A 10 GHz oversampling delta modulating analogue-to-digital converter is then designed and constructed using RSFQ and COSL building blocks in a hybrid configuration. The design emphasis is on devising ways to test the operation of RSFQ with limited equipment. Yield analysis procedures on the complex system are discussed, followed by a detailed discussion on the circuit layout and layout problems. Software routines are developed to calculate the required dimensions of layout structures. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) logiese selle word bespreek, en enkele nuwe selle word ontwikkel. Die verwagte opbrengs, of kans dat 'n sel sal werk, word bereken deur 'n Monte Carlo analise. Waar nodig word selle met behulp van die analise verbeter vir gebruik in 'n komplekse stelsel. 'n Wiskundige studie van die Josephson-vlak en SQUIDs (Superconducting Quantum Interference devices) word gevolg deur 'n bespreking oor die werking van RSFQ en COSL (Complementary Output Switching Logic.) Hierdie logiese families word geïmplementeer in laetemperatuur niobiumtegnologie, en vereis vloeibare helium-verkoeling. 'n Deltamodulerende analoog-na-digitale omsetter met 'n intree-monstertempo van 10 GHz word ontwerp en vervaardig met 'n hibriede samestelling van RSFQ en COSL boublokke. Die ontwerp fokus op maniere om die werking van RSFQ teen 10 GHz te kan toets met die beperkte toerusting wat beskikbaar is. Opbrengsanalise op die komplekse stelsel word bespreek, gevolg deur 'n volledige bespreking van die stroombaanuitlegprosedure en uitlegprobleme. Roetines word in sagteware ontwikkel om die nodige dimensies van uitlegstrukture te bereken.

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La logique supraconductrice RSFQ (Rapide Single Flux Quantum) est une solution très attractive pour le <br />traitement des données à très haute fréquence avec une dissipation très faible et des performances nettement <br />supérieures à ce que la technologie CMOS pourra offrir dans la prochaine décennie. La technologie RSFQ <br />en nitrure de niobium (NbN) en cours de développement au CEA-G est basée sur des jonctions Josephson <br />NbN/Ta_{X}N/NbN auto-shuntées qui présentent une fréquence d'oscillation maximum proche du THz jusqu'à <br />10 K. L'objectif de cette recherche a été d'appliquer cette technologie NbN 9K à un CAN (Convertisseur <br />Analogique-Numérique) adaptable aux télécommunications spatiales. Une architecture de type CAN <br />sigma-delta a été étudiée, sur-échantillonnant à 200 GHz de fréquence d'horloge un <br />signal avec une bande de 500 MHz et modulé sur une porteuse de 30 GHz. En particulier une horloge, <br />un comparateur et différents portes <br />logiques ont été étudiés et conçus pour opérer à 200 GHz ainsi qu'un modulateur sigma-delta passe-bande <br />du troisième ordre dont les performances SNR, SFDR, devraient après optimisation satisfaire les objectifs <br />visés. La complexité de l'architecture du filtre de décimation a été analysée. Certains composants de base <br />du filtre, des diviseurs de fréquence et des registres à décalage, ont été étudiés et dessinés, enfin quelques <br />méthodes de test du modulateur sont proposées. Le travail d'implémentation de circuits NbN en technologie <br />multi-niveaux a été traité conduisant à la réalisation complète de deux lots de circuits qui pour des raisons <br />technologiques clarifiées ensuite n'ont pu aboutir au test des portes logique du CAN. Cependant, les marges de <br />fonctionnement des portes logiques NbN ont été déterminées grâce à la caractérisation de jonctions, SQUIDs <br />et de filtres (résonateurs) micro-ondes. Finalement, une étude comparative entre des circuits à jonctions NbN <br />auto-shuntées opérant à 9K en réfrigération allégée et des circuits similaires obtenus en fonderie Nb basés sur <br />des jonctions Nb/AlO_{X}/Nb shuntées en externe opérant à 4K, démontre tous les avantages qu'on peut espérer <br />attendre de la technologie NbN.