Contrôle de capteurs supraconducteurs

Conçu pour le contrôle micro-ondes multiplexé de matrices de détecteurs à inductance cinétique dans des environnements de déploiement.

Système de lecture pour KIDs

Conçu pour piloter de grands plans focaux de détecteurs à inductance cinétique (KIDs). Un micrologiciel personnalisé permet une rétroaction active et comporte des modes configurables optimisés pour la cartographie/imagerie, la physique des particules ou la détection de photons uniques.

Configurations multiples de bande passante

Chaque SCL prend en charge un total de 4096 canaux de contrôle et de lecture qui peuvent être répartis entre différents modules E/S et différentes largeurs de bande instantanées. La configuration standard distribue 625 MHz de bande passante instantanée et 1024 canaux à chacun des quatre modules E/S. Une configuration à large bande passante qui attribue toute la bande passante instantanée de 2,5GHz et les 4096 canaux à un seul module E/S est également disponible.

Mode bande passante standard

  • 4 entrées actives (sélectionnables)

  • 4 sorties actives (sélectionnables)

  • 1 024 canaux par E/S

  • 625 MHz de bande passante instantanée sélectionnable par E/S

Mode large bande

1 entrée active (sélectionnable)

1 sortie active (sélectionnable)

4 096 canaux par E/S

2,5 GHz de bande passante instantanée sélectionnable par E/S

Options de streaming de données

Les instruments de cartographie enregistrent généralement la puissance déposée intégrée en continu (signaux lents), de sorte que les données cibles sont entièrement contenues dans des bandes latérales étroites adjacentes à la fréquence des tonalités de contrôle. Pour ce cas d’usage, l’intégralité des données (I,Q) de 4096 canaux peut être diffusée en continu avec une bande passante complexe de 2,4 kHz via Ethernet 1G standard, sans nécessiter d’infrastructure réseau particulière.

Les applications de microcalorimétrie, de physique des particules ou de détection du nombre de photons (PNR) requièrent une bande passante plus large pour caractériser les formes d’impulsion. Pour ces applications, jusqu’à 512 canaux peuvent être diffusés en continu avec une bande passante complexe de 2,44 MHz via l’interface QSFP28 100G.

Il est également possible d’utiliser cette interface pour diffuser l’intégralité de la bande passante instantanée de 2,5 GHz.

Ces deux dernières options nécessitent un système d’acquisition de données capable de gérer un réseau 100G.

Interface Ethernet 1G standard qui diffuse en continu les données (I,Q) de l’ensemble des 4096 canaux avec 2,4 kHz de bande passante complexe.

Interface QSFP28 de 100G qui peut diffuser en continu (I,Q) des données sur 512 canaux avec une bande passante complexe de 2,44 MHz ou 2,5 GHZ de captures ADC brutes.

Rétroaction active du résonateur (ARC)

Le parcours du signal est créé par le synthétiseur et le démodulateur d’une banque de filtres polyphasés couplés (PFB), ce qui permet une forte densité de canaux et une rétroaction en temps réel.

La rétroaction ajuste dynamiquement l’amplitude, la phase ou la fréquence de chaque sortie de canal de contrôle en fonction des données d’entrée (I, Q).

L’une des applications de cette boucle est la rétroaction active du résonateur (ARC), décrite pour la première fois par Rouble et al. en 2024. Cette technique peut linéariser la réponse du détecteur, étendre la plage dynamique du capteur et permettre un fonctionnement sans bifurcation au-delà des puissances de bifurcation traditionnelles. La méthode vise à pallier les limites de la rétroaction dite de «suivi de tonalité», sujette aux effets de distorsion par intermodulation (IMD).

Visualisation en prospection multiple

Les résonateurs supraconducteurs sont souvent caractérisés à l’aide de systèmes de type analyseur réseau vectoriel (VNA), où une tonalité de prospection unique balaie toute la plage de résonance.

Il est possible de mieux visualiser la dynamique du système en superposant des instantanés concomitants de la tonalité de prospection sur l’ensemble des fréquences la résonance.

Le facteur de multiplexage élevé du SCL permet d’allouer un grand nombre de canaux à des tonalités de prospection. En permettant de mesurer l’effet de petites perturbations d’amplitude sur le résonateur, ces tonalités aident à dresser une vue d’ensemble en continu de toute la bande passante du résonateur.

Ce concept s’observe bien par le cas classique de bifurcation dans un détecteur à inductance cinétique (KID). La première image montre le comportement de résonance tel qu’observé par un VNA (analyseur réseau vectoriel à ton unique). On constate une discontinuité asymétrique selon le sens du balayage de la résonance.

Les images subséquentes présentent une prospection multiple du système, où 100 canaux dédiés enregistrent les distorsions du KID en réaction à un balayage de la résonance par une tonalité de prospection.

Une telle visualisation permet de suivre à la fois le déplacement de la fréquence de résonance et l’amplification paramétrique causée par un courant fort.

Visualisation multi-sonde de la bifurcation d’un KID, générée automatiquement

Logiciel de contrôle

L’API de traitement de signal est livrée avec des liaisons C++ et Python intégrées dans le système embarqué du SCL.

Chaque SCL héberge un Jupyter Hub qui permet d’utiliser ces liaisons directement.

La bibliothèque Python rfmux propose une API open source pour les systèmes multi-cartes et comprend un système d’acquisition de données. Elle est conçue pour être clonable et personnalisable en fonction des caractéristiques des instruments déployés.

Le SCL est également compatible avec le logiciel de contrôle hidfmux développé pour le South Pole Telescope. Il comprend des routines sophistiquées de caractérisation et d’optimisation des KID.

La suite de contrôle hidfmux comprend des routines de caractérisation et d’optimisation rapides des KID, dont cet utilitaire de tableau de bord permettant d’extraire en un clin d’œil les paramètres de polarisation et de bruit lors de l’initialisation. L’ensemble de la suite d’outils est compatible avec le SCL.