Brevet FR2922367A1 — publié le 20090417

DISPOSITIF DE TRAI'T'EMENT' DE SIGNAL TRES LARGE BANDE EN MATERIAU SUPRACONDUCTEUR, APPLICATIONS A DES CIRCUITS HYPERFREQUENCES, ET PROCEDE DE REALISATION L'invention concerne un dispositif de traitement de signal très large bande en matériau supraconducteur, son application à des circuits hyperfréquences utilisant le temps de propagation d'un signal électromagnétique sous la forme d'ondes len- tes dans une ligne, et un procédé de réalisation d'un tel dispositif. De tels circuits hyperfréquences peuvent être des lignes à retard simples, des lignes à prises multiples, des filtres transversaux programmables ou non, des filtres à résonateurs couplés, des lignes dispersives à coupleurs localisés. En ondes centimétriques et millimétriques électromagnétiques la fonction retard, indispensable pour le traitement du signal est obtenue à l'aide de guides d'ondes électromagnétiques. Dans le cas de lignes à microrubans, la permittivité du diélectrique isolant les deux électrodes introduit un retard linéique d'autant plus grand que sa valeur est élevée. Cependant, avec des diélectriques usuels à faibles pertes, la vitesse de propagation le long du guide est de l'ordre de 100 000 km/s soit un retard de 10 ns pour un guide de longueur 1 mètre. Cette vitesse de propagation relativement élevée ne permet pas de réaliser avec des pertes faibles des retards de plusieurs dizaines de nanosecondes. Pour obtenir des retards longs, on utilise des ondes élastiques qui présentent une vitesse de propagation de l'ordre de quelques km/s. On obtient ainsi les retards de 1 à 100 micro- secondes. Cependant dans ce cas, les fréquences de fonctionne-ment sont limitées à quelques gigahertz au maximum et la bande passante des dispositifs est restreinte en valeur absolue. 5 10 15 20 2530 L'objet de l'invention est de réaliser un dispositif permettant d'obtenir une fonction retard pouvant atteindre plu-sieurs dizaines de nanosecondes, par mètre linéaire de propagation, voire plusieurs centaines de nanosecondes et cela avec une fréquence de fonctionnement atteignant plusieurs centaines de gigahertz. Un tel dispositif, tout en fonctionnant en très large bande, détermine une vitesse de propagation des ondes électromagnétiques faibles et fournit un retard élevé. L'invention concerne donc un dispositif de traitement de signal très large bande à ondes lentes comprenant au moins une première électrode et une deuxième électrode séparées par un matériau diélectrique, caractérisé en ce qu'au moins une des deux électrodes est en matériau supraconducteur et que l'épaisseur du diélectrique est nettement inférieure à la profondeur de pénétration du champ magnétique dans l'électrode en matériau supraconducteur. Egalement, selon l'invention, le matériau supraconducteur utilisé pour les électrodes est un oxyde supraconducteur à haute température critique. L'invention concerne également l'application d'un tel dispositif de traitement de signal à une ligne à retard, une ligne à prises multiples, un filtre transversal ou à résonateurs ainsi qu'à une ligne dispersive à coupleurs localisés. Enfin, l'invention concerne un procédé de réalisation d'un tel dispositif de traitement de signal selon lequel il comporte au moins les différentes étapes suivantes : une étape de réalisation d'une couche supraconductrice ; - une étape de réalisation en couche mince d'une couche diélectrique accolée à la couche supraconductrice. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent : -la figure 1, une vue en coupe d'un dispositif de traitement de signal selon l'invention ; - la figure 2, des courbes de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention ; - les figures 3 et 4, différentes formes de lignes à retard selon l'invention ; - les figures 5 à 8, un coupleur hyperfréquence selon l'invention ; - la figure 9, une vue de dessus d'une ligne dispersive selon l'invention ; - la figure 10, une ligne à retard à prises multiples selon l'invention ; - la figure 11, un filtre transversal selon l'inventaon ; - les figures 12 et 13, un dispositif de modulation du filtre transversal de la figure 11. - la figure 14, une forme en spirale d'une ligne à retard ; - les figures 15 à 17, un autre dispositif de modula-20 tion du filtre transversal de la figure 11. Comme cela a été décrit précédemment, il existe des dispositifs à ondes électromagnétiques fonctionnant à fréquences élevées et présentant une vitesse de propagation également élevée, ainsi que des dispositifs à ondes élastiques fonctionnant à 25 fréquences faibles et présentant une faible vitesse de propagation. Selon l'invention on prévoit un dispositif en matériau supraconducteur permettant de fonctionner à fréquences élevées (quelques 100 GHz) et présentant une faible vitesse de propaga-30 tion. En se reportant à la figure 1, on va décrire un dispositif simplifié selon l'invention. Ce dispositif comporte un microruban comprenant deux électrodes 1 et 2 conductrices isolées par un matériau 35 diélectrique 3 à faibles pertes. L'électrode en matériau .5 10 15 supraconducteur a une épaisseur d et le diélectrique a une épaisseur H. Pour réduire les effets de bords, la largeur W de l'électrode supérieure 1 est beaucoup plus grande que l'épaisseur H du diélectrique 3 (W/H 1) . Selon l'invention, l'une des électrodes 1 ou 2 est en matériau supraconducteur à haute température critique et l'épaisseur H du diélectrique est nettement inférieure à la profondeur de pénétration du champ magnétique de London dans ce matériau supraconducteur. On démontre à partir des équations de Maxwell dans le diélectrique et de l'équation de London dans les supraconducteurs en tenant compte de l'énergie cinétique des électrons supraconducteurs que le retard linéique de propagation t et l'impédance caractéristique Z,c s'expriment par les formules suivantes : t = to [1+ ~`L1 coth (dl/ XLl)+ ÀL2 coth (d2/ X L2)] H Zc=Zco t1+-R 1 coth (dl/ ÀL1) + aH 2 coth (d2/ À L2)] 1/2 Dans ces formules on a supposé que les deux électrodes 1 et 2 de la figure 1 étaient en matériaux supraconducteurs différents et d'épaisseurs différentes. L'éléctrode 1 a alors une profondeur de pénétration du champ magnétique de London )L1 et une épaisseur dl. L'électrode 2 a une profondeur de pénétration du champ magnétique de London ÀL2 et une épaisseur d2. to est le retard linéique en propagation libre dans le diélectrique et Zco est l'impédance caractéristique en considérant que les courants se présentent sous la forme de deux nappes situées sur les faces du diélectrique. Si l'une des électrodes, 2 par exemple, est en matériau conducteur normal, les équations précédentes deviennent : l0 15 20 25 t = to C1+ H À L1 coth (dl/ ),m) +F (o ,f)/H Zc co C+ À H1 coth (dl/ À L1) + F (o ,f)/H] avec : o = conductivité du matériau conducteur normal f = fréquence de fonctionnement Si les deux électrodes 1 et 2 sont fabriquées avec un même matériau supraconducteur de profondeur de pénétration du champ magnétique de London a L et ont une même épaisseur, comme cela est représenté en figure 1, les formules de t et Zc deviennent : t = to L1+2 L coth (d/À L )l H Zc = Zco C1+2 H coth (d/ a L)1 4 si d/ÀL 2XL /H est nettement supérieur à 1, la supraconductivité a une influence sur le retard t puisque, c'est la racine carrée de 2 ÀL/H qui intervient. La valeur maximale de (2 a L/H) i que l'on peut obtenir est environ de10. L'impédance caractéristique Zc de la ligne sera en général trop faible et l'invention fournit égale-ment un perfectionnement selon lequel on réalise le dispositif de la figure 1 avec d inférieur à la profondeur de pénétration du champ magnétique de London À L, c'est à dire d/ XL 1 Le facteur a est alors voisin de (1+2 À 3 a introduit par la Le facteur multiplicatif [1+ (2 ÀL/H) coth (d/ À L)] supraconductivité tend vers 1 (1+2 XL/H)4 est beaucoup plus grand que 1. Comme, en plus, 10 15 20 25 nettement inférieur à XL . La figure 2 illustre la variation du facteur a en fonction de d/ XL et de d pour des valeurs de H de 50 Angstroems, 100 Angstroems, 300 Angstroems et 1000 Angstroems et pour des électrodes en supraconducteur à forte température critique (Tc = 9OK, a L = 2200 4 ). Par exemple pour des valeurs des épaisseurs d et H de chacun 100 Angstroems, le facteur multiplicatif a est égal à 31,2. La vitesse de propagation est de l'ordre 3000 km/s pour er = 10 soit un retard linéique de 300 ns/m environ. Donc avec des couches supraconductrices minces et une faible épaisseur de diélectrique on peut obtenir des vitesses de propagation de quelques milliers de km/s. L'expression mathématique du facteur a n'est valable que si : a _ / XL2~ \2 6n L - 7`T` et W/H 1 6 n est l'épaisseur de peau pour les électrons normaux A titre d'exemple Ce facteur a peut être très élevé pour un produit d.H 2 1 c vo = longueur d'onde dans le vide(v o ) Of er = permittivité relative du diélectrique A titre d'exemple numérique, on peut avoir a = 0,01 d = H = 100 Angstroems a L = 0,22 m e r = 10 v o = 1,36 mm f = 220 GHz Par ailleurs, on doit avoir : À 10 15 20 25 30 35 P=50 t S2 cm f = 100 GHz ôn= 1,12 lun L'impédance caractéristique d'un tel dispositif ne dépend que du rapport W/H et décroît quand W/H augmente. Par exemple pour W/H égal à 100 et une permittivité relative de 21 l'impédance caractéristique pour des conducteurs normaux est de 0,8 S2 ce qui est très faible. Avec l'effet de l'inductance ciné-tique (H=d=100 Angstroems) cette impédance est heureusement remontée à 25 S2 environ. Les nouveaux supraconducteurs à haute température critique présentent des caractéristiques qui permettent d'envisager une augmentation considérable de cet effet retardant déjà observé avec les supraconducteurs conventionnels. En effet, les avantages des supraconducteurs de type YBa2Cu307_x sont les suivants : - 1°) une grande valeur de la longueur de pénétration de London (de l'ordre de 0,1 micromètre à 77 K) ; - 2°) une faible valeur de la longueur de cohérence. Cette valeur pour des couches monocristallines est très anisotrope soit 5 Angstroems environ selon l'axe c perpendiculaire aux couches déposées et 40 Angstroems dans le plan de la couche. On peut donc envisager de réduire l'épaisseur d à quelques dizaines d'Angstroems sans perturber l'écoulement des paires de Cooper. De plus, l'effet tunnel entre les deux électrodes sera très limité même pour des épaisseurs de diélectriques aussi faibles que quelques dizaines d'Angstroems. Evidemment, avec des couches de supraconducteur aussi fines, le courant ne peut être que faible pour ne pas dépasser la densité critique. L'épaisseur de diélectrique minimale est limitée par la tension de claquage. Des retards relativement longs (environ 1 s) peuvent être obtenus car les pertes de propagation sont très faibles même si la largeur W est réduite (quelques micromètres) et de 10 15 20 25 30 35 grandes longueurs de guide (quelques m) sont réalisables sur des surfaces relativement faibles. De plus, en prévoyant les deux électrodes en matériaux supraconducteurs on voit d'après les formules précédentes que le retard (t) ne varie pas avec la fréquence et qu'il n'y a donc pas de dispersion. Par contre, si l'une des électrodes est en matériau conducteur normal, on introduit des pertes et il existe une dispersion. C'est pourquoi, bien que le dispositif de l'invention puisse ne comporter qu'une seule électrode en matériau supraconducteur l'autre étant en matériau normal, une réalisation préférée de l'invention consistera à prévoir les deux électrodes en matériaux supraconducteurs de façon a ne pas avoir de dispersion. Dans ces conditions, l'invention prévoit un dispositif à microrubans dont : - l'épaisseur d des électrodes 1 et 2 est inférieure à la profondeur de pénétration XL du champ magnétique ; - l'épaisseur H du diélectrique 3 est également inférieur à la profondeur de pénétration À L du champ magnétique de London ; - la largeur W de l'électrode supérieure 1 est supérieure à l'épaisseur H du diélectrique 3. Il est à noter que, de façon plus générale, les électrodes 1 et 2 peuvent être en matériaux supraconducteurs différents avec ( XLl pour l'électrode 1 et À L2 pour l'électrode 2). L'épaisseur de chaque électrode doit alors être inférieur à la profondeur de pénétration du champ magnétique qui l'a constitue. dl et d2 étant les épaisseurs respectives des électrodes 1 et 2 on a donc : dl À Ll et d2 X L2 Selon l'invention on prévoit donc des électrodes 1 et 2 en matériau supraconducteur réalisables en couches minces. Ce matériau supraconducteur doit présenter une profondeur de pénétration du champ magnétique de London aL la plus élevée possible de façon à ce que l'épaisseur d des électrodes 1 et 2 10 15 20 25 30 (qui doit être inférieure à À1) ne soit pas trop faible. Parallèlement, la longueur de cohérence du matériau supraconducteur choisi doit être faible de façon à ce que, compte-tenu de l'épaisseur très faible des électrodes, les paires de Cooper circulent sans inconvénient. Enfin, comme on le voit dans l'exemple numérique précédent (d=H=100 Angstroems) les électrodes en matériau supraconducteur doivent être réalisées en couches minces permet-tant d'obtenir de telles épaisseurs de couches de supraconducteurs. Les couches de matériau supraconducteur à obtenir doivent donc être compatibles avec un procédé de réalisation en couches minces. C'est pourquoi l'invention prévoit de réaliser au moins une électrode, et éventuellement, les deux électrodes 1 et 2 à l'aide d'un supraconducteur à haute température critique tel qu'un oxyde supraconducteur dont la réalisation sous forme de couches minces se prête bien à un procédé d'épitaxie et peut être obtenue avec une teneur précise de chaque constituant, notamment avec une teneur en oxygène fixée avec la précision nécessaire pour que la couche d'oxyde supraconducteur soit supraconductrice à température critique élevée. A titre d'exemple, sans que cela soit une limitation à la possibilité de choix de l'oxyde supraconducteur utilisé dans le cadre de l'invention, un tel supraconducteur peut être du type Y Ba CuO. Le procédé de réalisation selon l'invention d'un tel dispositif doit viser de réaliser des couches minces de matériau supraconducteur et de diélectrique. Par exemple, un procédé de réalisation d'un tel dispositif est un procédé d'épitaxie tel que le procédé d'épitaxie par jets moléculaires (MBE = Molecular Beam Epitaxy), un procédé d'épitaxie d'organométalliques (MOCVD = Metalorganic Chemical Vapor Deposition) ou un procédé de pulvérisation cathodique ou d'évaporation. Pour cela, dans le cas où le dispositif à obtenir comporte deux électrodes supraconductrices en couches minces, on dépose, par épitaxie, par exemple, sur un substrat 4, une couche mince 2 d'un matériau supraconducteur, les teneurs des différents éléments constituant ce matériau supraconducteur étant contrôlées aisément par épitaxie. Ensuite, on réalise une couche de matériau diélectrique 3 sur la couche 2. Cette couche diélectrique peut être également réalisée par épitaxie. Enfin, on réalise l'électrode supérieur 1 en matériau supraconducteur de la même façon que la couche mince 1. Le procédé de l'invention peut être complétée par la réalisation d'une couche isolante étanche à l'oxygène qui encapsuie l'ensemble ainsi obtenu et met le dispositif à l'abri de toute variation ultérieure de sa composition. Les différentes étapes de ce procédé étant réalisées par épitaxie, il peut être réalisé dans une même enceinte d'épitaxie. L'invention est applicable à la réalisation d'une ligne à retard. En effet, une ligne à retard à microruban (qui peut être telle que représentée en figure 1), qui répond aux conditions de dimensions décrites précédemment : - soit aux conditions H À L' H REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement de signal très large bande à ondes lentes comprenant au moins une première électrode (1) et au moins une deuxième électrode (2) séparées par un matériau diélectrique (3), caractérisé en ce qu'au moins une des deux électrodes (1 ou 2) est en matériau supraconducteur et que leur épaisseur (1-1) du diélectrique est nettement inférieure à la profondeur de pénétration ( XL) du champ magnétique dans l'électrode en matériau supraconducteur. 2. Dispositif de traitement de signal selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (d) de l'électrode (1, 2) en matériaux supraconducteurs est supérieur à la profondeur de pénétration ( XL) du champ magnétique dans le matériau supraconducteur. 3. Dispositif de traitement de signal selon la revendi-15 cation 1, caractérisé en ce que les deux électrodes (1, 2) sont en matériaux supraconducteurs, l'épaisseur (dl, d2) de chaque électrode (1 ou 2) étant supérieure à la profondeur de pénétration ( ÀLl, À L2) du champ magnétique dans le matériau sûpraconducteur qui l'a constitue. 4. Dispositif de traitement de signal selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (d) de l'électrode (1 ou 2) en matériau supraconducteur est inférieure à la profondeur de pénétration X L du champ magnétique dans le matériau supraconducteur. 5. Dispositif de traitement de signal selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux électrodes (1, 2) sont en matériaux supraconducteurs, l'épaisseur (dl, d2) de chaque électrode (1, 2) étant inférieure à la profondeur de pénétration (À Li' XL2) du champ magnétique dans le matériau supraconducteur qui l'a constitue. 6. Dispositif de traitement de signal selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux électrodes (1, 2) sont 20 25 30 5 10 20 25 30 35en un même matériau supraconducteur et sont sensiblement d'une même épaisseur (d) inférieure à la profondeur de pénétration du champ magnétique ( 1 L) dans ce matériau supraconducteur. 7. Dispositif de traitement. de signal selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes (1, 2) sont en oxyde supraconducteur dont la profondeur de pénétration ( XL) du champ magnétique de London est de valeur élevée. 8. Dispositif de traitement. de signal selon la revendication 7, caractérisé en ce que la profondeur de pénétration ( ÀL) est supérieur à 0,1 micromètre. 9. Dispositif de traitement de signal selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit de l'épaisseur (d) des électrodes (1, 2) par l'épaisseur (H) du matériau diélectrique (3) séparant ces électrodes est nettement inférieur au carré de la profondeur de pénétration ( XL) . 10. Ligne à retard appliquant le dispositif de traite-ment de signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la deuxième électrode (2) recouvre toute une face du matériau diélectrique (3) et que la première électrode (1) a une largeur (W) nettement supérieure à l'épaisseur (H) du matériau diélectrique (3) et une longueur (L) déterminant le retard à obtenir. 11. Ligne à retard à prises multiples appliquant le dispositif de traitement de signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte d'un côté du matériau diélectrique (3) la première électrode (1) et, couplées en différentes zones réparties le long de cette première électrode (1), plusieurs électrodes individuelles de sortie (14, 15, 16) en même matériau et de même épaisseur (d) que la première électrode (1), le côté opposé du diélectrique comportant la deuxième électrode (2) qui occupe une surface au moins équivalente à celle de l'ensemble de la première électrode (1) et des électrodes de sortie (14, 15, 16). 12. Filtre transversal appliquant le dispositif de transmission de signal selon l'une quelconque des revendications 18 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte, d'un côté d'un diélectrique (3), la première électrode (1) et couplée en différentes zones réparties le long de cette première électrode, différentes électrodes de sortie (14, 15, 16) en même matériau et de même épaisseur (d) que la première électrode (1), chaque électrode de sortie étant connectée à une sortie commune par un dispositif de modulation (Pl, P2, P3), le côté opposé du diélectrique comportant la deuxième électrode (2) qui occupe une surface au moins équivalente à l'ensemble de la première élec- trode (1) et des électrodes de sortie (14, 15, 16). 13. Filtre transversal selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque dispositif de modulation (P1 à P3) est un élément chauffant associé à une zone d'une électrode de sortie (14, 15, 16). 14. Filtre transversal selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque dispositif de modulation (P1 à p3) est un dispositif émettant un champ magnétique associé à une zone d'une électrode de sortie (14, 15, 16). 15. Filtre transversal selon la revendication 14, caractérisé en ce que chaque dispositif émettant un champ magné-tique est un bobinage en couche mince en forme de spirale et réalisé au dessus d'une sortie d'une électrode de sortie (14, 15, 16), une couche de matériau isolant découplant électrique-ment ladite électrode du bobinage. 16. Filtre transversal selon la revendication 15, caractérisé en ce que le bobinage en couche mince est en matériau supraconducteur. 17. Filtre passe-bande ou de rejection `selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comprend une électrode (1) supraconductrice en anneau ou en ligne ouverte tenant lieu de résonateur. 18. Ligne dispersive à coupleurs localisés appliquant le dispositif de traitement de signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'il comporte d'un côté du matériau diélectrique (3) au moins deux électrodes 5 10 15 20 25 30 individuelles (1, l') distantes l'une de l'autre et dont des portions rapprochées et parallèles les unes des autres permettent un couplage entre les deux lignes, le côté opposé du diélectrique comportant une électrode commune (2) occupant une surface au moins équivalente à celle des deux électrodes Individuelles. 19. Ligne dispersive selon la revendication 18, caractérisée en ce que chaque portion de couplage à une longueur déterminant la fréquence de couplage de cette portion de cou-plage. 20. Procédé de réalisation d'un dispositif de traite-ment de signal selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins les différentes étapes de réalisation suivantes - une étape de réalisation d'une couche supraconductrice (2) ; - une étape de réalisation en couche mince d'une couche diélectrique (3) accolée à la couche supraconductrice (2) ; 23. Procédé de réalisation selon la revendication 20, caractérisé en ce que les étapes de réalisation de couches min-ces sont réalisées par épitaxie. 24. Procédé de réalisation d'un dispositif de traite-ment de signal selon la revendication 21, caractérisé en ce que le procédé d'épitaxie est une épitaxie par jets moléculaires. 25. Procédé de réalisation d'un dispositif de traite-ment de signal selon la revendication 21, caractérisé en ce que le procédé d'épltaxie est une épitaxie en phase vapeur d'organométalliques. 26. Procédé de réalisation d'un dispositif de traite-ment de signal selon la revendication 21, caractérisé en ce que les étapes de réalisation de couches minces sont réalisées par pulvérisation ou évaporation. 27. Procédé de réalisation d'un filtre transversal selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comporte : 10 15- une première étape de réalisation en couche mince de la deuxième électrode (2) en matériau supraconducteur sur un substrat (4) ; - une deuxième étape de réalisation en couche mince d'une couche de diélectrique (3) sur la deuxième électrode (2) ; - une troisième étape de réalisation en couche mince de la première électrode (1) et des électrodes de sortie (14, 15, 16) en matériau supraconducteur ; - une quatrième étape de réalisation d'une couche isolante (6) électriquement ; - une cinquième étape de réalisation en couche mince, sur la couche isolante (6), d'un bobinage (7) en matériau supraconducteur sur la couche isolante 6 ; - une sixième étape de réalisation de connexions électrique au bobinage.