Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Сверхпроводниковые туннельные переходы на СВЧ
1.1 Сверхпроводниковые туннельные переходы - детекторы СВЧ
1.1.1 Электрофизические свойства 19
1.1.2 Импеданс на СВЧ и полоса частот 27
1.1.3 Эффективность и шумовая температура смесителя 33
1.2 Принципы построения СИС смесителей
1.2.1 Проблема согласования СИС перехода 41
1.2.2 Цепочки СИС переходов 43
1.2.3 Интегральные настроечные элементы 44
1.2.4 Линии передачи из сверхпроводников 52
1.2.5 Поверхностный импеданс 59
1.2.6 Волноводные и квазиоптические СИС смесители 65
1.2.7 Матричные приемники 73
1.2.8 Масштабное моделирование 77
1.3 Сверхпроводниковые осцилляторы
1.3.1 Эффект Джозефсона 82
1.3.2 Цепочки джозефсоновских переходов 89
1.3.3 Распределенные туннельные переходы 97
1.4 Выводы по Главе 1 105
Глава 2 Оптимизация СИС смесителей в квантовом режиме
2.1 Концепция оптимального включения
2.1.1 Оптимальное число переходов 106
2.1.2 Мощность насыщения 112
2.2 Волноводные СИС смесители
2.2.1 Приемники диапазонов 3, 6 и 8 мм 123
2.2.2 Преобразование с усилением 134
2.3 Выводы и рекомендации по Главе 2 140
Глава 3 Расчет и моделирование сверхпроводниковых микросхем
3.1 Сверхпроводящий микрополосок 142
3.2 Определение параметров экспериментальной схемы 149
3.3 Согласование смесительного элемента и антенны 153
3.4 Потери вблизи щелевой частоты 161
3.5 Аппроксимация ВАХ СИС перехода 165
3.6 СВЧ мощность, поглощенная СИС переходом 167
3.7 Импеданс ФФО 171
3.8 Выводы и рекомендации по Главе 3 178
Глава 4 Квазиоптические смесители на дипольных антеннах
4.1 Широкополосный квазиоптический смеситель 179
4.2 Сверхмалошумящий смеситель на частоту 450 ГГц 184
4.3 Малошумящий смеситель на частоту 1 ТГц 190
4.4 Выводы и рекомендации по Главе 4 203
Глава 5 Исследование джозефсоновских осцилляторов 204
5.1 Совместимость, согласование и изоляция СИС детекторов
5.1.1 Локализация магнитного поля 205
5.1.2 Согласование импедансов 209
5.1.3 Изоляция по постоянному току 212
5.2 Исследование распределенных туннельных переходов 215
5.2.1 Исследование ФФО типа Nb-A10x-Nb 217
5.2.2 Исследование многослойных ФФО 221
5.2.3 Исследование ФФО типа NbN-AlN-NbN 228
5.3 Исследование двухмерных цепочек 234
5.4 Выводы и рекомендации по Главе 5 244
Глава 6 Электронно-управляемые аттенюаторы на СИС переходах
6.1 Физические основы и принцип работы
6.1.1 Управление импедансом квазичастичного тока 264
6.1.2 Полоса частот 249
6.1.3 Диапазон регулирования 249
6.1.4 Уровень насыщения 250
6.1.5 Практические оценки 251
6.2 Экспериментальное исследование
6.2.1 Экспериментальные образцы 253
6.2.2 Результаты и их обсуждение 257
6.3 Выводы и рекомендации по Главе 6 264
Глава 7 Сверхпроводниковые интегральные приемники
7.1 Принцип построения приемной микросхемы 265
7.2 Волноводный приемник диапазона 120-180 ГГц
7.2.1 Принцип работы и конструкция 270
7.2.2 Экспериментальное исследование 274
7.3 Квазиоптические приемники диапазона 400-700 ГГц
7.3.1 Принцип работы и конструкция 279
7.3.2 Смеситель на одиночном СИС переходе 281
7.3.3 Балансный СИС смеситель 299
7.4 Матричный квазиоптический приемник 303
7.4.1 Принцип работы и конструкция 303
7.4.2 Экспериментальное исследование 308
7.5 Лабораторный зондовый приемник 311
7.5.1 Общие подходы 311
7.5.2 Принцип работы и конструкция 312
7.5.3 Экспериментальное исследование 319
7.6 Выводы и рекомендации по Главе 7 327
Глава 8 Гетеродинный спектрометр на основе джозефсоновского осциллятора с фазовой автоподстройкой частоты .
8.1 Принцип работы спектрометра и его конструкция
8.1.1 Общая схема чипа 329
8.1.2 Особенности топологии чипа 332
8.1.3 Баланс мощности ФФО 336
8.1.4 Особенности конструкции ФФО 339
8.1.5 Приемный СИС смеситель и тракт гетеродина 340
8.1.6 Гармонический смеситель 341
8.1.7 Конструкция приемного модуля 342
8.2 Экспериментальное исследование
8.2.1 Тест на постоянном токе 347
8.2.2 Тестирование с Фурье-спектрометром 349
8.2.3 Тестирование в гетеродинном режиме с ФАПЧ 352
8.3 Выводы и рекомендации по Главе 8 368
Заключение.
- Принципы построения СИС смесителей
- Распределенные туннельные переходы
- Преобразование с усилением
- Аппроксимация ВАХ СИС перехода
Введение к работе
/
- і) і" <> л
Актуальность темы диссертации
Туннельные переходы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС переходы) являются уникальными приборами, значение которых для сверхпроводниковой электроники сегодня можно приравнять к значению полупроводниковых диодов и транзисторов в микроэлектронике. СИС переходы сочетают в себе два относительно независимых вида нелинейности, которые носят фундаментальный характер. Это макроскопический квантовый эффект Джозефсона, отражающий процесс туннелирования сверхпроводящих носителей, и нелинейный туннельный ток нормальных электронов. Эффект Джозефсона применяется на практике для создания стандартов напряжения и преобразования частоты; в медицинских исследованиях сердца и мозга используются сверхпроводниковые квантовые интерферометрыv (сквиды), являющиеся рекордсменами по чувствительности к магнитному' полю. Нелинейность квазичастичного тока позволяет детектировать СВЧ сигналы с рекордно низкими шумами, близкими к квантовому пределу. Такие приборы применяются в сверхмалошумящих гетеродинных приемниках в радиоастрономии, а также для мониторинга окружающей среды. Продолжаются разработки в направлении создания" практических усилителей и генераторов микроволн на основе эффекта Джозефсона, а также цифровых устройств на принципах быстрой одноквантовой логики, обладающих уникальным быстродействием и чрезвычайно низким Энерговыделением.
Проведенный анализ состояния в данной области науки и технологии
позволяет заключить, что в настоящее время созрели условия для перехода
сверхпроводниковой электроники на качественно новый уровень — от
специализации к комплексной интеграции. При этом становятся актуальными
знания о возможностях объединения многообразных физических процессов в
сверхпроводниках. Данная работа посвящейароаш**ИШВйль,Ш1в —
СПетервург aDa \ 09 w5***>
экспериментальным исследованиям в области комплексной интеграции сверхпроводниковых устройств с целью более полной реализации уникальных свойств СИС структур для приема и обработки информации.
Главной целью диссертационной работы являлась экспериментальная демонстрация перспектив сверхпроводниковой микроэлектроники в области гетеродинного радиоприема на сверхвысоких частотах. Основные цели исследования могут быть сформулированы так:
1. Оптимизация электродинамических структур для приема слабых СВЧ
сигналов, содержащих СИС переходы; разработка принципов их
построения для реализации смесителей миллиметрового и
субмиллиметрового диапазонов длин волн с квантовой
чувствительностью.
2. > Моделирование электрофизических и СВЧ свойств СИС переходов на
основе стабильных тугоплавких материалов для создания методов анализа смесителей миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.
-
Получение джозефсоновской генерации из структур на основе СИС переходов для применения в приемных устройствах в качестве сигнала гетеродина.
-
Изучение совместимости генерирующих и детектирующих СИС структур в составе единой интегральной микросхемы.
-
Исследование возможности электронного управления мощностью гетеродина в составе приемных интегральных микросхем.
-
Исследование возможности создания сверхпроводникового гетеродинного спектрометра на СИС переходах с интегрированным гетеродином на эффекте Джозефсона.
Научная новизна результатов диссертационной работы может быть сформулирована следующим образом:
-
Разработан принцип оптимального построения СИС смесіиелей, работающих в квантовом режиме.
-
Обнаружены и изучены особенности гетеродинного преобразования частоты на СИС переходах с коленообразной особенностью ВАХ,
г і- >]
вызванной эффектом близости.
-
Разработан ряд методов для многопараметрического моделирования вольтамперных характеристик СИС переходов, конструирования и управления работой сверхпроводниковых интегральных микросхем.
-
Экспериментально исследована зависимость импеданса' тока квазичастиц СИС перехода в квантовом режиме.
-
Экспериментально исследованы и сформулированы принципы физической совместимости и электродинамического согласования джозефсоновских осцилляторов и СИС детекторов.
-
В результате последовательного применения разработанных методов был получен ряд уникальных данных о процессах в распределенных джозефсоновских осцилляторах, а также в двухмерных цепочках сосредоточенных осцилляторов.
-
Экспериментально продемонстрирована реализуемость чувствительного спектрометра субмиллиметровых волн с разрешением лучше 10"7на основе джозефсоновского осциллятора.
Научная и практическая значимость результатов диссертации состоит в развитии и обобщении физических принципов использования СИС переходов на СВЧ, в создании ряда новых экспериментальных и численных методов, в разработке и демонстрации ряда уникальных интегральных приборов на сверхпроводниках.
1. Разработана, физически обоснована и экспериментально апробирована концепция полного согласования СИС смесителей в квантовом режиме
на основе интеграции необходимого числа элементов в единую схему с последовательным включением по току СВЧ и параллельным включением по постоянному току и току выходного сигнала. В
диапазоне частот 40 - 1000 ГГц реализован ряд приемных устройств с
ч.
рекордными параметрами и шумовой температурой менее 1 К/ГТц для нескольких проектов наземной и космической радиоастрономии.
Впервые систематически изучены особенности гетеродинного преобразования частоты, вызванные особенностями вольтамперных характеристик СИС переходов на основе тугоплавких металлов. Было показано что коленообразная особенность существенно влияет на характеристики СИС смесителей, а ее эффект варьируется от позитивного в области переходных частот от классического режима преобразования к квантовому, до негативного на субмиллиметровых волнах, где отрицательное дифференциальное сопротивление может вызвать нестабильность смесителя и возрастание шумов на его выходе.
Разработаны физические принципы объединения малошумящих СИС смесителей и джозефсоновских осцилляторов в единую сверхпроводниковую микросхему с внутренним гетеродином. В таких схемах впервые реализованы условия для независимой настройки режимов работы всех ее частей, что достигается за счет применения целого ряда специальных согласующих и развязывающих элементов СВЧ, а также за счет использования интегрированных источников локального магнитного поля.
Создан и апробирован ряд компьютерных программ по расчету и анализу параметров сверхпроводниковых микрополосковых линий, в которых учтены особенности технологии тонких пленок и эффекты сверхпроводимости. Разработаны алгоритмы управления микросхемой сверхпроводникового интегрального приемника, к которым следует
отнести автоматическую установку заданной частоты и уровня мощности гетеродина, а также возможность автоматического поиска в заданном диапазоне частот режимов приемника с минимальной шумовой температурой.
При использовании интегральных схем с СИС переходами, разработанных автором, был получен ряд важных физических результатов: 1) для джозефсоновского осциллятора (ФФО) на основе ниобия осуществлен режим фазовой автоподстройки частоты вплоть до щелевой частоты ниобия; 2) при использовании ФФО на основе эпитаксиальных пленок нитрида ниобия (NbN-AlN-NbN) была впервые продемонстрирована полезная мощность, достаточная для оптимальной накачки СИС смесителя терагерцовых частот, 3) при исследовании двухслойных ФФО впервые получены экспериментальные данные, подтверждающие существование теоретически предсказанных фазированной и нефазированной мод движения флаксонов в многослойных ФФО, 4) при исследовании двухмерных цепочек сосредоточенных джозефсоновских нешунтированных переходов над сверхпроводящем экраном впервые экспериментально обнаружен и исследован эффект синхронной генерации, обладающий коэффициентом полезного действия более 30% и порогом возбуждения, характерным для систем со стимулированным излучением.
Разработан и испытан в диапазоне частот 70 - 350 ГГц новый тип сверхпроводникового прибора - электронно-управляемый аттенюатор, использующий зависимость импеданса тока квазичастиц от напряжения смещения на СИС переходе. Проведенные исследования зависимости импеданса тока квазичастиц от напряжения смещения хорошо согласуются с квантовой теорией СИС переходов.
-
Разработаны и испытаны микросхемы сверхпроводникового интегрального приемника с внутренним гетеродином для чувствительного приема в диапазоне частот 120-700 ГГц, содержащие малошумящий СИС смеситель и перестраиваемый джозсфсоновский осциллятор (ФФО) и имеющие шумовую температуру менее 1 К/ГГц.
-
На основе микросхемы сверхпроводникового интегрального приемника с внутренним гетеродином разработаны и испытаны оригинальные приемные системы на частоты в районе 500 ГГц:
-
матричный приемник для радиоастрономии, содержащий 9 пикселей, каждый из которых имеет собственный независимый источник гетеродина и шумовую температуру около 150 К,
-
компактный лабораторный зондовый приемник с шумовой температурой около 300 К для дистанционного исследования охлаждаемых осцилляторов в транспортном сосуде с жидким гелием.
9. Разработан и испытан ряд интегральных микросхем для
экспериментального исследования мощности генерации и спектра
сверхпроводниковых осцилляторов в диапазоне частот 50 - 950 ГГц, в
том числе для осуществления фазовой автоподстройки частоты флакс-
флоу осцилляторов. На основе этих исследований разработан и
испытан малошумящий сверхпроводниковый гетеродинный
спектрометр на частоту 330 ГТц с разрешением лучше 10 кГц,
экспериментально продемонстрирована возможность детектирования
атмосферных загрязнений низкой концентрации.
Хпробация результатов диссертационной работы
Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на научных семинарах ИРЭ РАН, МГУ, ИПФ РАН, Чалмерского технологического университета (Chalmers Universyty of Technology,
г. Ґетеборг, Швеция), Лаборатории космических исследований Нидерландов (SRON, г. Гронинген, Голландия), Лаборатории миллиметровых волн (Хельсинкский технологический университет, Г.Хельсинки, Финляндия), Университета штата Мэрилэнд (г. Вашингтон, США), Национального бюро стандартов (NIST, г. Боулдер, США), Института тонкопленочных технологий (ISI, г. Юлих, Германия), Университета Эрланген-Нюрнберг (г. Эрланген, Германия), Национального института промышленной науки и технологий (AIST, г. Цукуба, Япония). Основные положения и результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих научных конференциях:
Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости (European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS) в 1991 г. (г. Глазго, Шотландия), в 1993 г. (г. Геттинген, Германия), в 1995 г. (г. Эдинбург, Англия), в 1997 г. (г. Эйндховен, Нидерланды), в 1999 г. (г. Ситжес, Испания), в 2001 г. (г. Копенгаген, Дания);
Международная конференция по прикладной сверхпроводимости (Applied Superconductivity Conference, ASC) в 1990 г., 1992 г., 1994 г., 1996 г. (г. Питсбург, США), в 1998 г. (г. Палм Спрингз, США), в 2000 г. (г. Виржиния Бич, США), в 2002 г. (г. Хьюстон, США);
Международная конференция по сверхпроводниковой электронике (International eiioerconducting Electronics Conference, ISEC) в 1987 г. и в 1989 г. (г. Токио, Японии 1993 г. (г. Боулдер, США), в 1995 г., в 1997 г. (г. Берлин, Германия), в 1999 г. (г. БерХи^оША) 2001 гг.;
Международная конференция по миллиметровым и инфракрасным волнам (International Conference on Infrared ana Millimeter Waves), в 1994 г. (г. Сендай, Япония), в 1995 г. (г. Орландо, США), в 1999 г. (г. Монтерей, США);
X Трехсторонний Германо-Российско-Украинский семинар по высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), г. Н. Новгород (1997);
Симпозиумы Европейского., космического агентства (г. Нордвайк, Нидерланды) в 1996 и 1997 гг.
XXV Генеральная ассамблея УРСИ (г. Лилль, Франция) в 1996 г.
Международный (ежегодный) симпозиум по терагерцовым технологиям (США) в 1993,1995-2002 гг.
Мартовская конференция (March Meeting) американского физического общества (г. Лос Анжелес, США) в 1998 г. и др.
Основные результаты диссертации отражены в более чем 100 публикациях: более 60-ти статей в ведущих зарубежных и отечественных журналах, 3 препринта (ИРЭ РАН, ИПФ РАН, МГУ), более 50-ти тезисов в трудах международных, всесоюзных и российских конференций, а также одно изобретение.
Принципы построения СИС смесителей
Уникальные шумовые параметры СИС переходов подразумевают эффективную передачу сигнала от источника к чувствительному элементу. Рассмотрим ряд экспериментальных методов, применяемых для создания практических устройств на СИС переходах [272-282, 287-303]. Пионерские работы по исследованию СИС переходов в качестве смесителей миллиметровых волн были выполнены в начале 80-х годов на частотах 37-120 ГГц с использованием волноводов [53, 54, 80-82, 115-125] и СИС переходов на мягких материалах [7-10] площадью до 10 мкм . Схема эксперимента была во многом аналогична охлаждаемым полупроводниковым смесителям на диодах Шоттки. Однако были и существенные различия. Сверхпроводниковый смесительный элемент, изготовленный на кремниевой подложке-чипе методом тонких пленок, трудно подключить, используя пружинный контакт-и голку (вискер), как это делается с матрицей диодов Шоттки [126, 127]. На повестку дня встала задача разработки электродинамики подложки с интегральной структурой, которая включала в себя собственно СИС переход и его плёночные электроды. Чип устанавливался в центре волновода пониженной высоты поперек его широкой стенки, что позволяло понизить импеданс источника в точке подключения, а ёмкость между плёночными электродами структуры и стенками волновода обеспечивала бесконтактное подключение токов СВЧ [115]. Позади смесительного элемента находился настраиваемый волноводный замыкатель. Второй поршень в разрыве широкой стенки волновода устанавливался в полуволне от СИС перехода в сторону источника сигнала. Такая система из двух настроек позволяет обеспечить самый широкий диапазон согласования [199, 200]. Были разработаны специальные экспериментальные методики, включающие использование криогенных вакуумных нагрузок внутри криостата [91, 92], которые позволили измерить, в пересчете на смесительный элемент, рекордно низкие шумовые температуры на частотах около 100 ГГц [93]. Однако уже после первых экспериментов с такими СИС смесителями, стало ясно, что мгновенная полоса согласования много меньше предсказанной по (1.13), и настроенный импеданс, по-видимому, не совпадает с нормальным сопротивлением Rn [77]. Эффективная полоса, в отличие от предсказанной может определяться внешними по отношению к туннельному переходу реактивными цепями (цепями подключения), которые увеличивают нагруженную добротность системы. Как уже обсуждалось, для Г» 1 действительная часть импеданса СИС перехода очень мала (несколько процентов от R„). Импеданс пленочных электродов, через которые смесительный элемент подсоединяется к внешним СВЧ цепям (к волноводу), весьма велик («IOOJOM), И в точке подключения имеет индуктивный характер. Это делает полосу согласования узкой и требует чрезвычайно высокой механической стабильности и малых потерь в элементах настройки. Как известно, в волноводах с ростом частоты реализация резонансных элементов затруднена из-за возрастания омических потерь и повышения требований к точности изготовления. Это делает получение эффективного согласования с СИС структурой на су б миллиметровых волнах весьма проблематичным.
Поиск решения проблемы привёл к попыткам использования очень маленьких (доли мкм ), и, следовательно, высокоомных переходов [128-130], что в сочетании с высокими плотностями тока позволило получать разумные значения для действительной части входного импеданса (1.11). К сожалению, практика показывает, что субмикронные переходы более подвержены электрическим пробоям и необратимым механическим стрессам в процессе термоциклирования. Использование СИС переходов субмикронных размеров в сочетании с планарными антеннами (см. ниже) явилось шагом в сторону снижения требований к механическим элементам настройки и расширения рабочего диапазона СИС приемников. Повысить входной импеданс СИС смесителя можно, используя цепочку из N последовательно включенных СИС переходов. При близких параметрах на постоянном токе и токе СВЧ такая цепочка может иметь уровень насыщения в N раз выше, чем одиночный переход такого же сопротивления [131, 132]. Однако, неодинаковость размера отдельных переходов в цепочке может приводить к неодинаковости ВАХ и, как следствие, к неодинаковости напряжения на индивидуальных СИС переходах, что влечет за собой деградацию качества смесителя. Расчет показывает, что с помощью таких систем можно достигнуть разумных значений Re(Zsis) (111) в то время, как мнимая (емкостная) часть импеданса СИС переходов (112) может быть, в принципе, скомпенсирована правильно подобранной индуктивностью электродов. Теперь уместно вспомнить о возрастании выходного импеданса такой системы, что может стать серьезной практической проблемой. Ранее обсуждалось, что в основе высокой эффективности СИС смесителей лежит большое значение выходного импеданса Rj. Простая оценка показывает, что при согласовании по вышеописанной схеме, различия между входным импедансом смесительного элемента (1.11) и его выходным импедансом Rj могут достигать трех порядков.
Облегчить согласование СИС перехода по входу можно путем использования интегральных настроечных элементов, что явилось революционизирующим нововведением, позволившим резко расширить диапазон частот и снизить шумовую температуру СИС приемников [133-147]. Из общего правила согласования СВЧ цепей следует, что источник сигнала (волновод или антенна), подключаемый к нагрузке (СИС переходу), должен иметь комплексно-сопряженную проводимость (комплексно-сопряженный импеданс): Настроечным элементом для СИС перехода, теоретически, может служить любая электродинамическая система, обладающая индуктивным импедансом и настроенная в резонанс с собственной ёмкостью СИС перехода. Это может быть отрезок сверхпроводящей копланарной, щелевой или микрополосковой линии. Принципиальное преимущество такого решения состоит в отсутствии дополнительных потерь в настроечном контуре. Если интегральный компенсатор отсутствует, всегда остается «небольшое» сопротивление потерь, которое в силу условия (1.11) при Г»1 рассеивает значительную долю сигнала. Наиболее распространенные схемы таких резонансных систем представлены на рис. 1.6. Параллельное подключение сосредоточенной индуктивности непосредственно к СИС переходу невозможно, так как это вызовет закорачивание перехода по постоянному току. Поэтому практические варианты используют распределенные структуры на основе микрополосковых или копланарных шлейфов, которые эквивалентны цепи, состоящей из индуктивности и блокирующего конденсатора (рис. 1.6 а). Здесь следует отметить, что упомянутая выше как паразитный фактор
Распределенные туннельные переходы
Длинный СИС переход с эффектом Джозефсона может быть использован как генератор СВЧ без всякого дополнительного шунтирования. В такую систему может проникать магнитное поле, но, как и в двухсвязном сверхпроводнике, оно квантуется, разбиваясь на элементарные вихри, содержащие квант магнитного потока Фо h 2е (рис. 1.34). Эти вихри носят название джозефсоновских и могут как входить, так и покидать объем длинного перехода, а также двигаться под действием силы Лоренца, вызываемой транспортным током поперек перехода. Каждый вихрь представлен кольцевым током с плотность /с, и его движение есть перемещение пучности тока. Таким образом, сталкиваясь с краем длинного перехода такой поток вихрей производит периодические импульсы тока, частота которых пропорциональна плотности вихрей (напряженности магнитного поля). При ненулевом напряжении в переходе возникают активные потери, которые выполняют роль сил трения. Поэтому скорость движения вихрей зависит от силы Лоренца (от величины тока смещения). Название такого осциллятора -флакс-флоу осциллятор - является буквально описанием процесса (осциллятор на течении вихрей). ФФО генерирует частоту в соответствие с соотношением Джозефсона, поскольку при изменении захваченного сверхпроводником потока на один квант фаза его состояния (волновая функция) также меняется на период. Уравнение движения джозефсоновской фазы ср в одномерном распределенном осцилляторе характеризуется нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка [221]: магнитного потока (слева), цепочка которых движется под действием тока смещения (силы Лоренца). Вольтамперная характеристика ФФО (справа) демонстрирует особенности, вызванные геометрическими резонансами в объеме перехода, а также плавно перестраиваемый флакс-флоу пик на напряжении VJI , соответствующий согласованию по скорости движения вихрей [221-223]. В (1.45) индексы означают дифференцирование по соответствующим переменным (времени или координате), коэффициент а характеризует нормированное затухание, ft - реактивную нагрузку (емкость), а у -задаваемый ток. Уравнение (1.45) описывает движение солитона -уединенной волны, аналогом которой является вихрь магнитного поля. ФФО может работать в двух качественно разных режимах. В резонансном режиме, который характеризуется дискретным спектром и наличием на В АХ ступеней Фиске [222], и в режиме непрерывной перестройки в условиях значительного затухания.
Следуя порядку изложения материала, можно сказать, что это похоже на СИС смеситель на основе длинного перехода, который обсуждался выше. Для обоих приборов, также как и для линейного резонатора (!), качественный переход определяется сочетанием длины и уровнем удельных потерь а. В резонансном режиме собственные частоты ФФО определяются, как и в любом другом джозефсоновском осцилляторе, резонансом емкости с внешней электродинамической системой (в том числе геометрическими резонансами). В отсутствие таких резонансов (при высоком демпфировании) частота генерации определяется пространственным синхронизмом решетки магнитного поля и скорости флаксона в переходе (скоростью Свихарта [156]). При этом на В АХ ФФО появляется пик Эка [223] (флакс-флоу пик), который плавно перестраивается магнитным полем в широком диапазоне частот вплоть до щелевой частоты. Значительное число работ было посвящено исследованию динамики флаксонов в ФФО и объяснению особенностей его ВАХ [224-236]. В последнее время активизировались также исследования джозефсоновских осцилляторов на дискретных цепочках контактов для практических применений вплоть до частот 1 ТГц, как было описано выше. Была продемонстрирована передача мощности из одного лабораторного криостата в другой с использованием квазиоптических антенн [237]. Плавная перестройка по частоте является одной из наиболее привлекательных черт ФФО для практических приложений, например, в качестве гетеродина СИС приемника. Первые экспериментальные структуры для получения СВЧ мощности из ФФО использовали магнитную связь, как было предложено в работе [238]. Пленка верхнего электрода ФФО выбиралась достаточно тонкой, чтобы за счет проникновения электромагнитного поля возбудить микрополосок созданный между вторым и третьим слоем металлизации (см. рис. 1.35). Такое решение позволяет получить широкополосную связь, но использование тонких слоев (тоньше лондоновской глубины) затрудняют точное определение погонной индуктивности сверхпроводниковой линии, что затрудняет реализацию точных параметров схемы. Детектирующие СИС переходы включались последовательно в эту линию, как показано на рис. 1.36. Мощность определялась по изменению В АХ детектора. В работах [240, 241] эффективность магнитной связи была значительно улучшена, и накачка СИС детектора составила более 100 мкА на частоте выше 500 ГГц при использовании ФФО типа NbCxNi.x/MgO/ NbCxN].x. Однако динамическое сопротивление Rj на плавно перестраиваемом пике Эка много больше, чем на резонансах Фиске, что в соответствие с теорией шумов в джозефсоновских контактах [220] может означать увеличение ширины линии излучения. Частотное разрешение приемника (наряду с шумовой температурой и диаграммой направленности антенны) - один из основных параметров в спектральной радиоастрономии. Разрешение, которое определяется как мгновенной шириной линии
Преобразование с усилением
Как было показано в работах [А4, А11], коленообразная особенность (КО) ВАХ СИС переходов Nb-A10x-Nb, вызванная эффектом близости [52], играет позитивную роль на низких частотах, при которых происходит зарождение квантового режима, увеличивая эффективность преобразования и уменьшая шумовую температуру приемника. Это связано с тем, что КО часто имеет более высокую степень нелинейности, чем скачок тока на щели и, являясь током квазичастиц, подчиняется соотношению Тьен-Гордона (1.3)-(1.5), делая квантовые ступени более резкими. На высоких частотах, когда имеет место чистый квантовый режим преобразования, репликация коленообразной особенности на фотонных ступенях ВАХ СИС смесителя может приводить к появлению отрицательного динамического сопротивления, которое вызвано вовсе не рассогласованием источника гетеродина, как описано в Главе 1, а изначальной формой ВАХ. На рис. 2.17 приведены экспериментальные данные по исследованию приемника с СИС смесителем на компенсированной паре-прототипе (рис. 2.1 (а)) в диапазоне длин волн 2 мм. Аналогичная структура применялась в волноводном интегральном приемнике (см. главу 7). Шумовая системы составила менее 40 К, причем имело место преобразование с усилением около +3 дБ. На автономной ВАХ (а) в районе напряжения 3 мВ, а также на первой подщелевой ступени (б) отчетливо видны участки отрицательного динамического сопротивления. Было экспериментально обнаружено, что в таком смесителе возможно возникновение избыточных шумов (осцилляции), регистрируемых в канале ПЧ, как показано на рис. 2.18. Заметим, что появление внеполосных сигналов не похоже на самовозбуждение усилителя ПЧ, так как процесс не сопровождался насыщением смесителя или усилителя, который устойчив вне полосы циркулятора, и не происходило существенной потери чувствительности приемника.
Описываемый процесс скорее напоминает регенерацию (усиление) шумов на избранных (случайных) частотах распределенной системы. Результаты исследования устойчивости СИС приемника суммированы в Таблице 1. Уменьшение уровня накачки приводило к увеличению модуля сопротивления на квантовой ступени и к уменьшению степени регенерации. При этом падал коэффициент преобразования, и увеличивались шумы приемника. Использование специального фильтра, обеспечивающего резистивную нагрузку выхода смесителя вне полосы ПЧ с потерями около 1 дБ, привели к заметному подавлению шумов, но не устранили эффект полностью. Устранить шумы удалось с применением широкополосного аттенюатора 3 дБ. На основе экспериментальных данных можно сделать вывод, что устранить регенерацию шумов можно, по крайней мере, несколькими способами: 1) уменьшая уровень накачки, 2) демпфируя канал ПЧ вне полосы циркулятора, 3) с помощью широкополосного аттенюатора в канале ПЧ (« 3 дБ). Оказалось, что последний способ наилучшим образом подходит для решения данной проблемы. При устойчивой работе СИС смесителя с высоким коэффициентом усиления, вплоть до +10 дБ, возросшая доля шумов канала ПЧ компенсируется высокой эффективностью преобразования смесителя, обеспечивая более низкую шумовую температуру приемника. На рис. 2.19 приведены сводные данные шумовой температуры приемников с волноводными СИС смесителями в миллиметровом диапазоне длин волн. Видно, что в диапазонах длин волн от 2 до 8 мм возможно получение двухполосной шумовой температуры на уровне 20 К. Сводный график минимальной шумовой температуры экспериментальных приемников миллиметрового диапазона на основе волноводных смесителей с оптимизированными цепочками СИС переходов. Данные получены на основе тестирования более десятка структур различной конфигурации, содержащих от 2 до 10 СИС переходов и измеренных в различных экспериментальных установках [А 17-А 19, А21-АЗО].
В результате проведенных исследований была разработана концепция оптимального построения систем СИС переходов для смесителей миллиметровых и субмиллиметровых волн, работающих в квантовом режиме, в основе которой лежит способ последовательно-параллельного включения элементов. Такое включение позволяет не только кардинально снизить влияние разброса параметров, характерное для последовательных цепочек СИС переходов, но и получить желаемый импеданс системы как по входному СВЧ сигналу, так и по выходному сигналу для широкого диапазона импедансов источника СВЧ сигнала и нагрузки ПЧ. Численный анализ процесса насыщения СИС смесителей в квантовом режиме позволяет правильнее оценить пределы их применимости и учесть это при разработке широкополосных приемных устройств, а также способов их калибровки для прецизионных измерений слабых сигналов. Экспериментальное исследование смесителей на СИС переходах с коленообразной особенностью В АХ, вызванной эффектом близости, показало, что наряду с возможностью получать преобразование со значительным, вплоть до +10 дБ, усилением, эта особенность может приводить к неустойчивой работе приемной системы из-за нежелательной регенерации на паразитных частотах. На основе оптимизированных систем СИС переходов был создан ряд практических малошумящих приемников для радиоастрономии, которые были успешно испытаны на радиотелескопах обсерватории Онсала (Onsala, Швеция) в 1993 году, НИРФИ (РТ-25х2) и КрАО (РТ-22) в 1995-1998 годах. Таким образом, разработанные принципы могут быть рекомендованы к использованию при создании практических приемных систем на СИС переходах.
Аппроксимация ВАХ СИС перехода
Для точного расчета параметров устройства на СИС переходах, а также для сопоставления расчетных и экспериментальных данных необходимо использовать ВАХ реального перехода. Однако, экспериментальные данные всегда содержат шумы, источником которых могут быть усилители постоянного тока, точность АЦП и/или интерференция (наводки) в измерительной системе. Общий результат всех этих факторов проявляется в том, что результат дифференцирования экспериментальной ВАХ приводит к неприемлемо большим флуктуациям расчетных данных. Избежать подобных трудностей можно, применяя аппроксимацию ВАХ с помощью гладких функций, имеющих необходимое число производных, например, используя сочетание экспоненциальных и линейных зависимостей. Ниже приводится метод аппроксимации ВАХ СИС перехода, реализованный на персональном компьютере (вычисления ведутся по индексу сетки напряжений). Ток утечки СИС перехода, l_LEAK, вообще говоря, нельзя аппроксимировать прямой линией, выходящей из начала координат. С физической точки зрения, это насыщенный ток тепловых возбуждений с довольно высоким динамическим сопротивлением (полочка): Область токов утечки описывается с учетом эффекта отрицательного избыточного тока туннельного перехода [45, 46], характеризуемого точкой пересечения линии нормального сопротивления с осью напряжения Vexcess, а также динамическим сопротивлением R2 (рис. 1.3): Для определения поглощенной мощности накачанного СИС перехода и импеданса источника сигнала применялся метод подгонки модельной В АХ к имеющимся экспериментальным данным. Поглощенную мощность можно определить по теории Такера [49, 50, 67], используя амплитуды напряжения и тока СВЧ (1.3)-(1.8) на зажимах нелинейного резистора, которым можно характеризовать ток квазичастиц. Для этого удобно использовать модельную ВАХ (3.35). Для устранения трудностей при подгонке, джозефсоновская компонента тока экспериментального образца должна быть надежно подавлена магнитным полем. В противном случае (на частотах выше 200 ГГц) может происходить смешение двух эффектов - ступеней Шапиро и ступеней тока квазичастиц, которые иногда трудно разделить.
В общем случае СВЧ напряжение на СИС переходе зависит от напряжения смещения, как обсуждалось в Главе 1. Для нахождения самосогласованного решения a(V) запускался итерационный процесс по индексу q, нулевое (грубое) приближение которого было основано на зависимости импеданса СИС перехода RRFlow от напряжения смещения при фиксированном значении a = al: Начальное значение мощности P_DETIow легко подобрать вручную, подгоняя высоту первой подщелевой степени (J02). СВЧ ток через СИС переход, I_rf1, записывается по теории Такера (1.7): Здесь учтена зависимость импеданса певозмущеипого СИС перехода от напряжения. Ток I_rf1 используется для получения следующего приближения а2, основанного на балансе СВЧ токов. В уравнении баланса максимальная согласованная мощность P_AVhi преобразуется в заданный ток СВЧ в соответствие с импедансом источника Z SOURCEhi: и так далее. На рис. 3.10 представлены данные, демонстрирующие сходимость такого процесса, а на рис. 3.11 - результат подгонки модельной и возмущенной В АХ на частоте 160 ГГц, при которой свободные параметры Z_SOURCEhi и P_AVhi были подобраны для наилучшего совпадения. В описанном методе значение импеданса источника Rs и падающая мощность Р являются свободными параметрами, которые варьируются вручную с целью получения наилучшего (визуального) совпадения кривых. Заметим, что существует множество пар значений «мощность-импеданс», при которых можно удовлетворить значению тока накачки в одной точке. Именно использование нескольких точек подгонки (на нескольких ступенях) ВАХ ограничивает решение узким интервалом значений Р и Rs. Этот метод был использован для определения параметров схемы согласования и мощности излучения джозефсоновских осцилляторов на двухмерных цепочках (решетках) нешунтированных СИС переходов, описанных в Для анализа согласования ФФО он может быть рассмотрен как джозефсоновская передающая линия (JTL) [230], по которой движется электромагнитная волна, энергия которой происходит из работы силы Лоренца над решеткой флаксонов. В свою очередь кванты магнитного потока являясь нелинейными волнами обмениваются энергией с линейными электромагнитными волнами в длинном переходе. Рассчитаем импеданс ФФО для (высокой) плотности тока /с = 8 кА/см , которая диктуется планами интеграции ФФО с широкополосными СИС смесителями, изготовленными из той же трехслойки Nb/A10x/Nb. Используя приближение микрополосковой линии с потерями, вызванными туннелированием квазичастиц, можно получить соотношения для комплексного характеристического импеданса и постоянной распространения электромагнитной волны вдоль ФФО. Туннельное сопротивление RA (активный ток утечки) можно записать так (рис. 3.12): Это удельное (на единицу площади) сопротивление СВЧ тока квазичастиц. В соответствие с теорией Такера [49, 50] это соотношение отражает простой факт, что при перестройке д.жозефсоновской частоты напряжение на туннельном барьере ФФО меняется, и меняются условия поглощения СВЧ мощности для квазичастиц. Резкий рост СВЧ потерь при напряжениях смещения выше Vg 3 легко понять, оценив, находится ли рабочая точка ФФО в области высокой проводимости по СВЧ или нет: Условие малых потерь:
