Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор актуального состояния криогенных систем измерений квантовых объектов 17
1.1. Криогенные частотно-селективные устройства 18
1.1.1. Анализ криогенных ФНЧ на основе длинного кабеля витая пара 18
1.1.2. Анализ криогенных фильтров нижних частот на основе металлических порошков 19
1.1.3. Анализ криогенных полосно-пропускающих фильтров с широкой полосой заграждения 20
1.2. Криогенные усилители СВЧ для квантовых измерений 21
1.2.1. Анализ современных криогенных усилителей СВЧ 21
1.3. Криогенные усилители СВЧ на основе ПТ СКВИДов 22
1.3.1. Анализ криогенных усилителей на основе ПТ СКВИДа 22
1.3.2. Анализ собственных шумов Джозефсонофских контакт 24
Глава 2. Криогенные фильтры с широкой полосой заграждения для высокочувствительных измерительных систем 25
2.1. Частотно-селективные цепи на основе порошков 25
2.1.1. Система измерения кубита с радиочастотным резонатором 25
2.1.2 Экспериментальные характеристики классических фильтрующих структур 28
2.1.3 Порошковые фильтры 30
2.2. Широкополосный СВЧ полосно-пропускающий фильтр 37
2.2.1. Система измерения кубита, связанного с СВЧ резонатором 37
2.2.2. Проектирование ППФ с широкой полосой заграждения 39
2.2.3. Анализ Т- образных линий 42
2.2.4. Экспериментальные характеристики 43
2.3. Выводы к главе 2 48
Глава 3. Криогенные малошумящие полупроводниковые усилители 50
3.1. Малошумящий комнатный инструментальный усилитель 51
3.1.1. Характеристики операционного усилителя EL2125 51
3.1.2. Реализация инструментального усилителя 53
3.1.3. Экспериментальные характеристики 54
3.2. Криогенный усилитель на основе гетероструктурного биполярного SiGe транзистора 55
3.2.1. Модель гетероструктурного биполярного транзистора 55
3.2.2. Моделирование криогенного усилителя 58
3.2.3. Исследование высокочастотной стабильности усилителя...62
3.2.4. Реализация усилителя 64
3.2.5. Стабильный малошумящий источник питания криогенного усилителя 66
3.2.6. Экспериментальные характеристики Ку и Ът 67
3.2.7. Экспериментальные характеристики напряжения шума и шума тока. Шумовая температура 70
3.3. Выводы к Главе 3 78
Глава 4. Криогенный ВЧ усилитель на основе ПТ СКВИД 80
4.1. ПТ СКВИД усилитель 80
4.1.1. Модель ПТ СКВИД усилителя 80
4.1.2. Анализ источников шума ПТ СКВИДа 81
4.1.3. Анализ источников шума усилителя на основе ПТ СКВИД 83
4.1.4. Схемотехническая реализация усилителя 84
4.2. Экспериментальные характеристики 86
4.2.1 Схема измерения 86
4.3. Заключение 90
Глава 5. Исследование структуры субмикронных Джозефсоновских контактов А1/А1хОу/А1 91
5.1. Технология изготовления субмикронных алюминиевых контактов 94
5.2. Экспериментальные исследования контактов 96
5.2.1. Система измерения 96
5.2.2. Система охлаждения 97
5.2.3. Экспериментальные характеристики 99
5.3. Микроскопия диэлектрического барьера А1хОу 101
5.3.1. Экспериментальное оборудование 101
5.3.2. Микроскопия высокого разрешения барьера А1хОу 101
5.4. Выводы к Главе 5 107
Заключение 109
Список использованных источников 113
- Анализ криогенных полосно-пропускающих фильтров с широкой полосой заграждения
- Экспериментальные характеристики классических фильтрующих структур
- Экспериментальные характеристики напряжения шума и шума тока. Шумовая температура
- Микроскопия высокого разрешения барьера А1хОу
Введение к работе
Актуальность темы
За последние 50 лет произошел большой скачок в технологии изготовления электронных микро и наноструктур. Идея создания квантового компьютера относится к одной из наиболее актуальных в век высоких технологий. Согласно закону Мура, количество транзисторов в современных микропроцессорах, а соответственно и их скорость, удваиваются каждые 18 месяцев. Основной способ сделать их существенно более быстрыми заключается в уменьшении размера транзистора, поэтому рано или поздно транзисторы будут столь малы, что каждый из них будет состоять из нескольких десятков атомов. В этом случае пренебрежение квантомеханическими эффектами в таких структурах станет недопустимым, а классические принципы построения современных компьютеров перестают работать. Основой квантового процессора является квантовый бит (кубит), представляющий собой двухуровневую квантовую систему. В такой системе информация хранится в виде волновой функции, являющейся суперпозицией волновых функций двух квантовых состояний. Процесс вычислений протекает в виде эволюции квантовой системы, при которой изменяется волновая функция кубита или целой группы кубитов. На сегодняшний день простейшие квантовые биты уже реализованы на основе ядерных спинов; атомных или ионных ловушек; туннельных Джозефсоновских контактов. Одним из перспективных типов квантовых битов являются трехконтактные сверхпроводниковые потоковые квантовые биты на основе Джозефсоновских контактов (далее как сверхпроводниковые кубиты).
Как правило, характерная частота кубита лежит в пределах гигагерцового диапазона частот при температурах ниже 50 мК. Поэтому особую актуальность получают сейчас такие СВЧ устройства как высокочувствительные детекторы, входящие в состав измерительного оборудования для определения состояний кубитов. При экспериментальной реализации устройств для лазерной генерации, система кубитов помещена в квантовый резонатор, выполненный на основе СВЧ копланарной линии передачи (рис. 1.). Тогда стимулированный переход между рабочими уровнями, приведет к передаче энергии от кубитов в резонатор в виде фотонов с энергией . Для этого квантовый резонатор должен быть настроен в соответствии с разницей энергий между рабочими уровнями кубита. Частота настройки такого резонатора лежит в пределах 1-10 ГГц. Следовательно, помимо создания считывающих высокодобротных сверхпроводящих СВЧ резонаторов, необходимо разработать фильтры, усилители и другие малошумящие устройства для измерительной системы кубит-СВЧ резонатор. Электронная фотография высокого разрешения (микрограф) сверхпроводникового кубита, связанного с СВЧ резонатором, изображена на рис. 1b.
Для современных криогенных физических систем всё более широкое применение находят новые высокочувствительные типы СВЧ детекторов на основе эффекта сверхпроводимости, квантования магнитного потока и эффекта Джозефсона. Пороговая чувствительность таких приборов может достигать энергии одного фотона. Одним из примеров высокочувствительных СВЧ детекторов магнитного поля является Сверхпроводящий Квантовый Интерференционный Детектор (СКВИД, англ. SQUID). Расширение частотного диапазона таких детекторов является актуальной задачей при разработке измерительного оборудования.
Для систем считывания сверхпроводниковых кубитов и для измерений состояний СКВИДов требуются малошумящие СВЧ устройства.
При этом актуальными являются задачи разработки и оптимизации трактов передачи СВЧ сигналов, а также обеспечение широкополосного подавления шумов и помех в цепях управления и питания. Рассматриваемые устройства предназначены для работы при сверхнизких температурах, а рассеяние тепловой мощности на них должно быть сведено к минимуму.
В современных работах показано, что время декогеренции квантовой системы уменьшается в результате действия шума измерительного оборудования. Следовательно, в ВЧ и СВЧ измерительных системах сверхпроводниковых кубитов необходимо для заданной полосы частот обеспечить большую полосу подавления в сигнальных линиях и линиях смещения кубита постоянным магнитным потоком. Кроме того, необходимо снижать шумовую температуру малошумящего усилителя. В настоящее время для усиления сигналов используются, как правило, полупроводниковые усилители на основе арсенида галлия (GaxAsy). В диапазоне криогенных температур их мощность рассеяния составляет единицы милливатт, при шумовой температуре около 10 К. При такой шумовой температуре требуется производить долгое усреднение сигнала, что является затратным с точки зрения времени измерения и «чистоты эксперимента». Поэтому нужны новые решения, одними из которых является использование гетероструктурных биполярных транзисторов (ГБТ) или усилителей ВЧ сигналов на основе ПТ СКВИД (Сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор постоянного тока).
Помимо шумов измерительного оборудования, существует собственный шум квантовой системы, в виде шума Джозефсоновских контактов, определение которого, также является актуальной задачей.
Цели диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка новых видов малошумящих СВЧ устройств для квантовых измерений состояний сверхпроводниковых квантовых битов и снижение уровня шума измерительной системы, путем использования новых конструктивных и технологических решений.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
-
Провести анализ и выявить преимущества и недостатки существующих криогенных фильтров нижних частот СВЧ диапазона с широкой полосой подавления. Исследовать существующие способы обеспечения широкой полосы подавления СВЧ криогенных полосно-пропускающих фильтров (ППФ).
-
Исследовать схемотехнические и конструктивные решения существующих криогенных малошумящих СВЧ усилителей для квантовых измерений. Провести анализ стабильности их работы при криогенных температурах, оценить шумовые и усилительные свойства.
-
Разработать новые типы криогенных фильтров СВЧ с широкой полосой подавления и малыми диссипативными потерями. Исследовать свойства таких фильтров при температуре 4,2 К.
-
Разработать новые типы измерительных малошумящих СВЧ усилителей, основу которых составляют гетероструктурные биполярные транзисторы. Исследовать свойства усилителей при 4,2 К.
Рис. 1. Квантовая система кубит- СВЧ резонатор: а) изображение копланарного СВЧ резонатора, связанного с кубитом, место расположения кубита показано стрелочкой; b) Микрограф трехконтактного сверхпроводящего потокового квантового бита, связанного с СВЧ резонатором, сделанный электронным микроскопом высокого разрешения. Данные структуры были изготовлены в Институте Фотонных Технологий (IPHT Jena).
-
Разработать ВЧ усилители повышенной чувствительности на основе ПТ СКВИДа. Выполнить анализ их усилительных и шумовых свойств.
-
Исследовать влияние технологии изготовления туннельных Джозефсоновских контактов на структуру и форму барьера AlxOy и, как следствие, на шумовые и сигнальные свойства измерительного тракта кубит- СВЧ резонатор.
Объект исследования
Высокоизбирательные СВЧ фильтры и криогенные СВЧ усилители для малошумящих систем измерений состояний квантовых объектов.
Предметом исследования являются способы увеличения затухания в полосе подавления СВЧ фильтров различного типа и уменьшение шумовой температуры криогенных СВЧ усилителей.
Методы исследования
Решение перечисленных выше задач выполнено с применением: методов функционального анализа; дифференциального и интегрального исчисления; теории матриц; теории цепей; теории электромагнитного поля; теории фильтров; компьютерного моделирования и экспериментальных измерений.
Научная новизна
1. Разработаны новые типы криогенных фильтров нижних частот на основе мелкозернистых порошковых структур, отличающиеся от своих аналогов широкой полосой подавления до 45 ГГц и большим внеполосным затуханием по уровню 70 дБ. Предложенные фильтры обладают стабильными амплитудно-частотными и линейными фазо частотными характеристиками при сверхнизких температурах, вплоть до 10 мК.
2. Разработан новый узкополосный СВЧ криогенный ППФ на шпилечных резонаторах с плавно-нерегулярными отрезками линий передач для частотной селекции во входных СВЧ цепях измерения характеристик состояний сверхпроводниковых кубитов, работающих при температурах ниже 50 мК на частотах 0,1-10 ГГц. Фильтр отличается широкой полосой подавления до 10 ГГц по уровню 40 дБ и стабильной работой при температурах ниже 4,2 К.
3. Впервые создан новый широкополосный малошумящий СВЧ усилитель на основе SiGe гетероструктурного биполярного транзистора (ГБТ) с рабочим диапазоном частот от 1 кГц до 500 МГц. Усилитель отличается от своих аналогов малой потребляемой мощностью 720 мкВт и низкой шумовой температурой 1,4 К при рабочей температуре 4,2 К.
4. Экспериментально исследован новый тип малошумящего криогенного ВЧ усилителя на основе ПТ СКВИДа, спектральная плотность шума магнитного потока которого составляет 2 мкФ0/Гц в полосе частот до 8 МГц.
5. Экспериментально исследована микроструктура туннельного Джозефсоновского контакта Al/AlxOy/Al, входящего в структуру сверхпроводниковый кубит- СВЧ резонатор, изготовленного по технологии «теневого напыления» и определен источник собственных шумов.
Практическая значимость работы
1. Разработанные в диссертации новые частотно-селективные устройства с повышенным затуханием в полосе подавления позволяют существенно уменьшить влияние шумов измерительных систем и внешних электромагнитных помех при исследовании состояний квантовых объектов.
2. Создан опытный образец предложенного криогенного СВЧ усилителя на основе германиево-кремниевых гетероструктурных биполярных транзисторов, который был использован для исследования частотных свойств ПТ СКВИДов, а так же для усиления сигналов в RSFQ (англ. Rapid Single Flux Quantum) системах.
3. Результаты экспериментального исследования ПТ СКВИДов показывают перспективность их использования в качестве малошумящих криогенных СВЧ усилителей с чувствительностью, близкой к предельно достижимой (около квантовой).
4. Предложена эпитаксиальная технология изготовления туннельных Джозефсоновских контактов, что обеспечивает уменьшение собственных шумов структуры сверхпроводниковый кубит- СВЧ резонатор.
Положения, выносимые на защиту
1. Коаксиально-порошковые криогенные СВЧ фильтры нижних частот обеспечивают широкую полосу подавления до 45 ГГц по уровню затухания 70 дБ за счет распределенного характера диссипативных потерь свойств порошковой структуры.
2. Криогенный ППФ на шпилечных резонаторах с плавно-нерегулярными линиями передачи обеспечивает затухание по уровню 40 дБ в диапазоне частот 0,1-10 ГГц и применим с полосой пропускания 0,5-1 % при температурах ниже 4,2 К.
3. Предложенный широкополосный малошумящий усилитель на основе SiGe гетероструктурного биполярного транзистора позволяет достигнуть шумовой температуры 1,4 К в диапазоне рабочих частот от 1 кГц до 500 МГц.
4. Предложенный широкополосный малошумящий криогенный ВЧ усилитель на основе ПТ СВКИДа обладает порогом чувствительности 2 мкФ0/Гц в диапазоне частот до 8 МГц.
5. Результаты исследования микроструктуры Джозефсоновского контакта Al/AlxOy/Al для кубита, связанного с СВЧ резонатором, и изготовленного по технологии «теневого напыления», позволяют оптимизировать технологию изготовления таких структур с целью понижения собственных шумов структуры кубит- СВЧ резонатор.
Авторский вклад
В работе [2] автору принадлежит расчет параметров шума выбранного транзистора при температуре 4,2 К, моделирование криогенного усилителя, реализация усилителя и экспериментальное исследование. В работе [3,5] автором была разработана измерительная установка, входящая в состав охладительной системы, проведены измерения рабочих и шумовых характеристик ПТ СКВИДов. В работе [4] предложена ВЧ схема ПТ СКВИДа как малошумящего усилителя, связанного с потоковым сверхпроводниковым кубитом.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы внедрены в усилительно-фильтрующие блоки измерительной установки в лаборатории квантовых исследований Института фотонных технологий, г. Йена, Германия (IPHT Jena, Germany). Все внедрения подтверждены соответствующими актами.
Апробация
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
-
15-ый Юбилейный Международный Студенческий Семинар, посвященный «Новым Физическим Эффектам и их Применению в Микроволновой и Оптической технике». Санкт- Петербург, Россия, май 19-21, 2008.
-
Савойская международная конференция по сверхпроводящей электронике. Шамбери, Франция, май 27-28, 2010.
-
Международная конференция-школа-семинар по нанофизике и наноэлектронике «Мезоскопические структуры в фундаментальных и прикладных исследованиях (МСФП 2010)». Новосибирск (Чемал), Россия, июнь 20-25, 2010.
-
Десятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2010). Новосибирск, Россия, 22-24 сентября, 2010.
-
Международная конференция по криогенной электронике «KRYO 2011». Гренобль (Отран), Франция, октябрь 2-5, 2011.
Отдельные результаты работы докладывались на научных семинарах в Институте Фотонных Технологий города Йена, Германия (IPHT Jena, Germany) и кафедре Конструирования и технологии радиоэлектронных средств, НГТУ, Новосибирск.
Основные результаты, составившие представленную диссертационную работу, были получены в ходе исследований, проводимых в период с 01.10.2008-15.08.2011 на кафедре Конструирования и Технологии Радиоэлектронных Средств (КТРС) Новосибирского государственного технического университета. Экспериментальная часть выполнена в Институте Фотонных Технологий города Йена, Германия.
Публикации
По результатам вошедших в диссертацию исследований имеется пять печатных работ, в том числе две статьи, входящие в перечень ВАК, три работы опубликованы в трудах международных научных конференций.
Объем и структура диссертации
Анализ криогенных полосно-пропускающих фильтров с широкой полосой заграждения
Для фильтрации сигналов в широкой полосе частот с полосой пропускания до 1 ГГц был реализован классический LC- фильтр Баттерворта с максимально плоской характеристикой в полосе пропускания и 40 дБ затухания в полосе заграждения. Было проведено экспериментальное исследование его АЧХ в полосе рабочих частот и в полосе заграждения при температуре 298 К и температуре 77 К. Главным требованием для такой фильтрующей системы являлось обеспечение уровня затухания 60 дБ вне полосы пропускания, неравномерность АЧХ до 0,5 дБ в полосе пропускания, а также способность работать при низких температурах, меньших, чем температура кипения жидкого гелия 4,2 К. Элементная база для такого фильтра была выполнена на основе керамических диэлектриков, незначительно изменяющих свои свойства при криогенных температурах и обладающими минимальными паразитными компонентами. Такие свойствами обладают элементы компании АТС (American Technical Ceramics corp) с маркировкой COG или NP0. Для несущей конструкции и нанесения топологического рисунка использовалась подложка, материала FR-4 (Fiberglass cloth with an epoxy Resin binder- структура на основе стеклопластика и эпоксидной смолы). На рис. 2.2. представлена передаточная характеристика такого фильтра. Как видно из рисунка, частота среза составляет 1 ГГц, фильтр обеспечивает 30 дБ затухание на частотах до 5 ГГц. Характеристики данного фильтра не удовлетворяют требованиям широкого внеполосного затухания из-за наличия ВЧ амплитудных всплесков в спектре сигнала и недостаточного внеполосного затухания на частотах выше 6 ГГц.
Для решения проблемы обеспечения большого внеполосного затухания (уровня 60 дБ) для фильтра низких частот был разработан и исследован микрополосковый фильтр нижних частот, выполненный в распределенном базисе. Использовался материал подложки FR-4, имеющего диэлектрическую проницаемость 8= 4,6, тангенс диэлектрических потерь tgb = 0.02. Материал проводников и все металлизированные слои выполнены из меди, толщиной 35 мкм. Экспериментальная характеристика данного фильтра при температуре 77 К представлена на рис. 2.3. Максимальный уровень пульсаций в полосе пропускания составляет 2 дБ, тогда как в полосе заграждения от 2 до 6,5 ГГц обеспечивается затухание 50 дБ. Паразитные полосы пропускания появляются на частотах 7 ГГц и выше.
Явно выявленными недостатками данных фильтров являются: наличие паразитных полос пропускания в области высоких частот, искажения АЧХ при низких температурах вследствие изменения свойств материалов диэлектрика. Кроме того, форма АЧХ исследованных LC- и микрополоскового фильтров не удовлетворяет требованиям по уровню фильтрации. Поэтому, был сделан переход на новые конструктивные и схемотехнические решения. Анализ современной литературы [34,36,37] показал, что существенно лучшими параметрами при низких температурах обладает фильтрующая структура, основанная на мелкозернистых порошках различных металлов, покрытых окислом по всей поверхности. Наиболее распространенными порошками являются порошки никеля, стали и меди. В данной работе рассматриваются фильтрующие структуры на основе медного порошка, покрытого окислом СиО. При разработке порошкового фильтра нижних частот с широкой полосой заграждения была выбрана коаксиальная конструкция. С обеих сторон в коаксиальный цилиндр установлены высокочастотные SMA (Sub Miniature Version А) разъемы. Разъемы имеют волновой импеданс 50 Ом в полосе до 26 ГГц. Это позволяет проводить быстрые измерения S-матриц, как при низких, так и при комнатных температурах, подключая исследуемый образец через эти разъемы. Габариты фильтра составляют: длина 50 мм и внутренний радиус 4 мм; подбираются в соответствии с требуемыми размерами для размещения в криостате, и, исходя из условия согласования с волновым сопротивлениям канала передачи, равным 50 Ом. Диаметр зерен порошка варьируется от 2 мкм до 100 мкм в зависимости от применения. Для создания фильтра с большим коэффициентом затухания на высокой частоте диаметр зерен порошка был выбран размером 2 мкм. Для получения плотной упаковки зерен заполнение порошком должно происходить послойно с уплотнением в виброционной камере. Экспериментальная АЧХ порошкового фильтра, приведенная на рис.2.4, подтверждает его высокую эффективность в области частот выше 10 ГГц. Дальнейшее увеличения крутизны ската АЧХ и внеполосного затухания фильтра было достигнуто за счет увеличения индуктивности центрального проводника. Индуктивность была увеличена за счет увеличения общей длины центрального проводника и создании на нем индуктивных колец. Общая индуктивность провода до увеличения рассчитывается по формулам где 1,г- длина проводника и радиус сечения проводника в мм соответственно. На рис. 2.5 представлена АЧХ такого фильтра. Из рисунка видно, что затухание на частоте 1 ГГц увеличивается на 2 дБ, на частоте 5 ГГц - на 7 дБ, а на частоте 15 ГГц на 35 дБ. Следующим шагом было исследование фильтра при введении резонансных звеньев для формирования полюсов затухания. Введение дополнительной емкости в виде емкостного диска (см. рис. 2.6), заземленного на внутренней поверхности коаксиального цилиндра, позволило сформировать требуемую частоту режекции, которая определяется как (где L л- индуктивность внутреннего проводника фильтра и С л - емкость диэлектрического диска). Емкостной диск представляет собой диск из двух слоев меди, толщиной 35 мкм, разделенных слоем стеклотекстолита, толщиной 500 мкм. Для исследуемой конструкции была определена оптимальная величина емкости 0,63 пкФ, которая обеспечила режекцию на частоте 1,5 ГГц. На рис.2.7 представлена экспериментальная передаточная характеристика порошкового фильтра с частотой режекции на 1,5 ГГц.
Экспериментальные характеристики классических фильтрующих структур
СВЧ измерительная система кубита является аналогом ВЧ системы, но имеет свои схемотехнические особенности.
Непосредственным детектором, индуктивно связанным с кубитом, является высокодобротный сверхпроводящий резонатор [39,40,41], выполненный на основе копланарной линии (рис. 2.13). Материал изготовленного проводящего слоя резонатора- ниобий, температура сверхпроводящего перехода которого, 9 К. Добротность такого сверхпроводящего резонатора может достигать 500000. Трехконтактный кубит и сверхпроводящий резонатор изготовлены в непосредственной близости друг от друга на одной кремниевой подложке в два технологических цикла. Для изготовления кубита используется электронная литография и теневое напыление с двух разных углов. Материал кубита- алюминий, температура сверхпроводящего перехода которого, 1,2 К.
Управление состояниями кубита осуществляется при помощи постоянного магнитного поля от отдельного источника тока (обозначены как два источника тока на рис. 2.13). Модуляция постоянным магнитным потоком кубита происходит на низкой частоте, для чего используются внешние катушки индуктивности. Цепи высокочувствительной электроники, выполненной на образце, через тонкие алюминиевые контакты подключаются к коаксиальным СВЧ линиям. Облучающий кубит СВЧ сигнал имеет узкий частотный спектр, полоса которого 100 кГц на центральной частоте 2,6 ГГц (частота зависит от топологии компланарного резонатора).
Частота основной гармоники сверхпроводящего осциллятора, связанного с кубитом, составляет 2,6 ГГц. Центральная частота полосно-пропускающего фильтра рассчитывается из учета данной резонансной частоты сверхпроводящего осциллятора и составляет 2,6 ГГц. По результатам расчёта фильтра был проведен электромагнитный анализ структуры, который показал характеристику фильтра с вносимыми потерями 1,5 дБ в полосе пропускания, полосой задерживания на 40 дБ в полосе от 9 кГц до 11 ГГц. Данный фильтр был реализован с использованием материала подложки FR-4. Экспериментальные измерения фильтра выявили уровень внеполосного затухания 40 дБ на частотах от 9 кГц до 6 ГГц, полоса пропускания фильтра составила 100 МГц с затуханием в 5 дБ.
Интеграция данного фильтра в измерительную систему состояний кубита представлена на рис. 2.13. (ППФ обведен овалом). Фильтр выполняет функцию полосовой частотной селекции во входных СВЧ цепях, связанных со сверхпроводящим резонатором кубита.
В основу фильтра была положена структура микрополоскового ППФ шпилечного типа 5го порядка (рис. 2.14). Такой фильтр представляет собой ансамбль включенных полуволновых резонаторов. Для подавления паразитных полос пропускания в полосе задерживания без увеличения размеров фильтра, мы заменили последовательные линии передачи Т-образными плавно-нерегулярными линиями, разомкнутыми на концах. Схема замещения показана на рис.. Т-образные шлейфы, разомкнутые на конце, имеют лучшее ослабление на собственных резонансных частотах и малые вносимые потери в остальном спектре частот. Настройка резонансных частот таких шлейфов на паразитные гармоники фильтра шпилечного типа позволяет обеспечить их подавление. Шлейф имеет нерегулярный профиль. Это свойство позволяет настроить его резонансные частоты на резонансные частоты фильтра с целью максимального подавления паразитных гармоник. Была проведена замена Зх последовательных линий передачи в топологии фильтра. После замены, шаблон трансформированного ППФ представлен на рис. 2.16. Эти два плавно-нерегулярных шлейфа, разомкнутых на концах, добавляют нули передачи в полосу задерживания, что сужает паразитную полосу.
Сравнительная и расчётная АЧХ полосно-пропускающих фильтров шпилечного типа с плавно-нерегулярными линиями и без представлены на рис. 2.17. Результат моделирования S- параметров двух типов фильтров в полосе пропускания представлены на рис. 2.18. Моделирование таких фильтров подтвердило, что структура с плавно-нерегулярными линиями передачи обеспечивает затухание паразитных полос пропускания, обусловленных высшими гармониками у фильтров без плавно-регулярных линий, по уровню 40 дБ в широком частотном спектре.
Схема замещения последовательной линии передачи Т-образной плавно-нерегулярной разомкнутой на конце. Реализация такого фильтра была выполнена на двухсторонне металлизированной подложке материала FR-4, толщиной 500 мкм с диэлектрической проницаемостью є=4,6. Толщина медной пленки составляет 35 мкм. Изготовление осуществлялось обычным травлением не засвеченного лака, высаженного на медную поверхность.
Экспериментальные характеристики напряжения шума и шума тока. Шумовая температура
Для разработки усилителя не требуется топология печатной платы. Все компоненты схемы припаиваются между собой и подключаемыми разъемами. Все элементы усилителя, кроме индуктивностей, выполнены в виде SMD компонент. Резистивные элементы имеют технологическую маркировку корпуса microMELF. Допуск на разброс сопротивления такой технологии составляет 0,1%, кроме того, они обладают стабильной величиной сопротивления в зависимости от температуры, равной -250 ррт/К.
Размер корпуса таких компонентов имеет маркировку 0805 (2 ммх 1,25 мм). Основу конденсаторов составляет керамический диэлектрик с высоким коэффициентом температурной стабильности. Такие элементы имеют маркировку NP0 или COG. Пассивные элементы поверхностного монтажа, в силу своих конструкционных особенностей, имеют паразитные свойства на высоких частотах. В связи с этим были выбраны элементы компании АТС, на сайте которой представлен полный набор S- матриц для конденсаторов различных номиналов в широком спектре частот. Это является важным аргументом при выборе компонентов, задачи которых стабильно работать при температуре 4,2 К.
Усилитель был реализован на стандартной подложке материала FR4, металлизированной с двух сторон. Подложка не имеет топологического рисунка, выполняет функцию несущей конструкции и имеет потенциал, равный потенциалу земли. Пластиковый корпус транзистора приклеивается к медной плоскости подложки при помощи термопроводящего клея. Это необходимо для того, чтобы обеспечить хорошую термическую проводимость между кристаллом транзистора и окружающей средой. Индуктивности Ll} L2 были реализованы в виде тонких прямых проводов, диаметром 0,2 мм. Для обеспечения номиналов индуктивностей Li, L2, длина проводов составила 7 мм и 3 мм, соответственно. Резистор и конденсатор R3C2 цепи обратной связи напаиваются между электродами коллектора и базы транзистора. Все элементы, имеющие соединение с потенциалом "земли" были припаяны прямо на поверхность платы. Входные и выходные цепи усилителя ограничиваются ВЧ разъемами SMA. Цепи питания усилителя выполнены в виде двух проводов диаметром 0,2 мм и длиной 50 мм. Фотография усилителя представлена на рис.
Чувствительность работы усилителя определяется не только сигнальными цепями, но и цепями смещения по постоянному напряжению. Величина фликкер шума, причиной которого являются низкочастотные флуктуации тока коллектора, увеличивается по амплитуде при использовании недостаточно стабильных источников питания. Кроме того, увеличивается величина фликкер шума и проявляется сильнее на более высоких частотах. Помимо этого, цепи смещения, расположенные при комнатной температуре, имеют резистивные компоненты, которые вносят дополнительный тепловой шум Джонсона в общий шум усилителя.
Был разработан высокостабильный малошумящий источник питания на основе регулятора напряжения LM-317 для питания криогенного усилителя. Среднеквадратичное значение собственного шума LM-317 составляет 0,003% от уровня выходного напряжения в диапазоне от 10 Гц до 10 кГц. Схема источника питания выглядит следующим образом: источником напряжения являлась 12 В Li-ion батарея, которая присоединялась к входным разъемам источника питания усилителя. Далее следовал DC-DC конвертер, выполненный на основе стабильной малошумящей микросхемы TEN3(Dual) ,компании TRACO POWER. Этот преобразователь позволяет формировать отрицательный потенциал и необходим в случае двуполярного питания усилителя. Далее следует стабильный малошумящий регулятор напряжения LM-317. В схему включены два потенциометра для подстройки рабочей точки усилителя. Потенциометр позволяет формировать рабочий режим напряжения в диапазоне от 1 до 3 В. Помимо этого, схема обладает входными и выходными фильтрами низких частот. Схема выполнена на двустороннем фольгированном диэлектрике, толщиной 1,5 мм.
Экспериментальные характеристики Ку и Rin Для полной характеристики работы малошумящего криогенного усилителя были проведены измерения входного импеданса усилителя, коэффициента усиления по напряжению в полосе от 10 кГц до 500 МГц, параметров шумового напряжения и тока и шумовой температуры. Измерения проводились при температуре 4,2 К в сосуде Дьюара. Для измерений использовалась измерительная штанга, применяемая при измерениях сверхпроводящих образцов в жидком гелии. Для входных и выходных ВЧ цепей усилителя в измерительную штангу были интегрированы коаксиальные 50 Ом кабели (обозначены 1 на рис. ЗЛО), диаметром 2,2 мм. Материал кабелей СиВе, с внутренним тефлоновым диэлектриком. Общий уровень затухания во входных и выходных кабелях составляет 2 дБ. Для измерений на постоянном токе в измерительной штанге использовались медные провода диаметром 0,1 мм, скрученные в витую пару (обозначены 2 на рис. 3.10).
Микроскопия высокого разрешения барьера А1хОу
Одной из самых распространенных методик позволяющей реализовать необходимые размеры является так называемое «теневое напыление». Этот процесс можно условно разделить на два этапа. 1. Изготовление маски, необходимой для формирования структуры. Как правило, для этой цели используются специально разработанные резисты. 2. Собственно напыление и удаление резиста.
Для изготовления структур с малыми размерами, как правило, требуется электронная литография, которая позволяет без труда получать структуры с размерами в несколько десятков нанометров. В качестве чувствительного к электронному пучку резиста на практике, как правило, используется двухслойка полиметилметакрилата (англ.- polymethyl methaacrylate, РММА) и кополимера полиметилметакрилата и метакриловой кислоты (англ.- РММА + МАА). Преимущество таких полимеров состоит в том, что РММА растворяется в неполярных растворителях, в то время как РММА+МАА в полярных (например, в алкоголе). Это свойство дает возможность обрабатывать их независимо. Чувствительность обоих резистов к электронному пучку различная, поэтому в результате облучении двухслойки и дальнейшей химической обработки, можно получить своеобразный профиль в форме ниши с окошками, см. рис. 5.4. Формирование Джозефсоновских контактов осуществляется напылением сверхпроводящего металла под одним углом, дальнейшим окислением в атмосфере кислорода с целью формирования туннельного барьера и напылением второго слоя сверхпроводника под противоположным углом.
Наглядная схема процесса показана на рис. 5.4. Своеобразная форма резиста и непрямое осаждение металла приводят к тому, что Джозефсоновский контакт не касается стенок резиста. Таким образом, в момент удаления резиста (lift-off) вероятность попутного удаления самого металла крайне мала.
Технологический процесс приготовления маски стандартен и состоит из следующих операций: приготовление диэлектрических слоев. Сначала наносится слой РММА + МАА (3:1) резиста на кремниевый чип (англ.-wafer). В нашем конкретном случае размеры чипа были 12x12мм . Чип раскручивается до скорости 5000 оборотов в секунду с ускорением 200 об/сек . После 30 секундного вращения чип останавливается и прогревается при температуре 200 градусов в течение 5 минут. В результате формируется однородный слой кополимера РММА + МАА толщиной 300 нм. Далее на чип наносится слой полимера РММА, раскручивается до скорости 4000 об/сек с тем же самым ускорением 200 об/сек и вращается в течение 30 секунд. За этим следует 5-минутное прогревание при температуре 180 градусов. Таким образом формируется второй слой полимера толщиной 70 нм.
Пучок сканирующего электронного микроскопа рисует дорожки на позитивном резисте, соответствующие форме образца. Облученные области при дальнейшей химической обработке (development) удаляются. Электронный пучок имеет диаметр 15 нм и ускоряется напряжением 20 кэВ. Характерная доза облучения составляет 400 мкКл/см .
Области позитивного резиста облученные электронным пучком, удаляются в процессе проявления (development) структуры. Для этого чип помещается попеременно в полярные и неполярные растворители для последовательного развития обоих слоев РММА+МАА и РММА (в смесь метилизобутилкетона с изопропанолом М1ВК:1РА 1:3, 30 на сек, далее в IPA 5 сек, Ethanol+IPA 2:1, 1 мин, IPA 1 мин).Вслед за изготовлением маски осуществляется теневое напыление алюминия по уже известному сценарию (см. Рис. 5.4) слоями с толщинами 80 и 50 нм соответственно. После удаления маски в процессе lift-off мы получаем Джозефсонский контакт.. Характерные размеры джозефсоновских контактов составляют 150-200 мкм ширина и 400-600 мкм длина. Пример такого контакта приведен на рис. 5.7.
Для набора А1/А1хОу/А1 Джозефсонских контактов, изготовленных процессом «теневого напыления» с различным временем оксидации барьерного слоя, были проведены исследования Вольт-амперных характеристик при температуре 320 мК. Измерения контактов осуществлялось по классической четырехзондовой схеме, называемой «четырехточка». Схема измерения изображена на рис. 5.4. Источником тока и измерительной системой являлся цифровой измерительный прибор Keithley 2602А (см. 4 на рис. 5.2.). Контроль и измерение осуществлялось через персональный компьютер, используя интерфейс GPIB для работы с измерительной системой. Для входных и выходных линий использовались провода витой пары, термализированые на каждом этапе охлаждения. Для уменьшения влияния шума комнатной электроники на исследуемые образцы, были установлены фильтры нижних частот при комнатной температуре (5 на рис. 5.4.) и при температуре 1,2 К (2 на рис. 5.4.). В схемах фильтров использовались резисторы и конденсаторы маркировки microMELF и NP0, соответственно. Предварительно была произведена калибровка резисторов и конденсаторов при температуре 4,2 К. Номиналы элементов фильтров были выбраны с учетом рассеиваемой мощности. Максимальная мощность диссипаций при температуре 1,2 К составляет 10 мВт.
