СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО КРИОГЕННОГО ГЕНЕРАТОРА
FREQUENCY STABILISATION SYSTEM FOR TUNABLE CRYOGENERATOR

Изобретение относится к системам стабилизации частоты (ССЧ) и может быть использовано для стабилизации частоты перестраиваемого генератора (ПГ) путем фазовой синхронизации к высокостабильному опорному синтезатору.
Известен аналог предлагаемого технического решения - ССЧ для терагерцового квантового каскадного лазера [1]. Квантовый каскадный лазер (ККЛ) является криогенным перестраиваемым генератором (КПГ) терагерцового излучения частоты порядка 2.7536 ТГц. ССЧ для ККЛ используется для устранения флуктуации частоты генерации, а также для уменьшения фазовых шумов. Синхронизация сигнала ККЛ к внешнему СВЧ-сигналу происходит следующим образом - на смесительный элемент, представляющий собой болометр на холодных электронах, подаются излучение лазера и сигнал опорного синтезатора, с помощью умножителей повышенный до частоты 2.7535 ТГц. Сигнал промежуточной частоты (ПЧ) порядка 1 ГГц усиливается и понижается до 100 МГц. Затем сигнал ПЧ подается на электронный блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Блок ФАПЧ сравнивает фазу сигнала ПЧ с фазой опорного сигнала и вырабатывает сигнал ошибки, который подается на квантовый каскадный лазер, изменяя его мгновенную частоту.
Недостатком аналога является низкая эффективность фазовой синхронизации, а именно узкая полоса синхронизации (менее 1 МГц) и малый процент синхронизированной мощности излучения лазера (около 13%). Полоса синхронизации ограничена временной задержкой сигнала в ССЧ, обусловленной физической длиной петли обратной связи. Значительная длина петли является следствием того, что квантовый каскадный лазер и болометр находятся в разных криообъемах, а блок ФАПЧ находится вне криостатов при комнатной температуре.
Прототипом предлагаемого технического решения служит широкополосная система фазовой автоподстройки частоты для криогенного генератора (патент РФ №2319300) [2]. Данное устройство используется для стабилизации частоты генератора на основе длинного джозефсоновского перехода (ДДП) и является широкополосной системой ФАПЧ, имеющей полосу синхронизации около 20 МГц. Блок-схема устройства-прототипа показана на Фиг.1. Оно содержит ДДП 1, гармонический смеситель 2, петлевой LC-фильтр нижних частот 3 (до 100 МГц), опорный синтезатор диапазона частот 18-21 ГГц 4, два НЕМТ усилителя диапазона 0.1-1 ГГц 5 и 6; криогенный фазовый детектор 7, основанный на туннельном переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС-переход) [3], опорный синтезатор частоты 400 МГц 8; спектроанализатор 9 для наблюдения пониженного по частоте спектра ДДП; блоки питания элементов системы. Из представленной схемы видно, что все элементы петли ФАПЧ (1, 2, 3, 5, 6, 7 и соединительные провода) расположены внутри криостата 11, обозначенного двойной пунктирной линией.
Устройство-прототип работает следующим образом: сигнал ДДП 1, который с помощью гармонического смесителя 2 и синтезатора 4 понижен по частоте с сотен гигагерц до промежуточной частоты диапазона 0.1-1 ГГц, поступает на НЕМТ усилитель 5, а затем на НЕМТ усилитель 6. Коэффициент усиления усилителя 6 варьируется от 0 до 20 дБ в зависимости от управляющего напряжения. Это позволяет регулировать мощность сигнала и общий коэффициент усиления в петле. Усиленный сигнал и опорный сигнал синтезатора приходят на криогенный фазовый детектор. В зависимости от рассогласования фаз входных сигналов на детекторе вырабатывается выходной сигнал. Этот сигнал идет через фильтр нижних частот, основная функция которого - предотвратить проникновение сигнала промежуточной частоты диапазона 0.1-1 ГГц с детектора на ДДП. Выходной сигнал фазового детектора создает корректирующее напряжение на ДДП, которое меняет мгновенную частоту и фазу генератора [4].
Основным недостатком прототипа является необходимость использования НЕМТ усилителей в петле обратной связи, которые имеют значительное тепловыделение (до 50 мВт), что увеличивает физическую длину петли обратной связи и не позволяет разместить всю систему ФАПЧ предельно компактно. Длина петли системы-прототипа, равная 1.6 м, является причиной дополнительной задержки сигнала обратной связи, тем самым ограничивая ширину полосы синхронизации (20 МГц). Спектр генерации ДДП, синхронизированного устройством-прототипом, представлен на Фиг.2. Наличие НЕМТ усилителей также приводит к появлению дополнительных фазовых шумов в системе ФАПЧ.
Цель предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности синхронизации криогенного генератора путем расширения полосы синхронизации ССЧ за счет уменьшения времени задержки сигнала в петле ССЧ и снижения тепловыделения данной системы.
Поставленная цель достигается функциональным объединением фазового детектора и гармонического смесителя в одном СИС-переходе. Кроме того, из петли синхронизации исключены НЕМТ усилители, имеющие большое тепловыделение. Эти изменения позволяют разместить все элементы системы стабилизации на одной микросхеме с КПГ либо в непосредственной близости от нее. Компактное расположение элементов системы стабилизации позволяет в несколько раз, по сравнению с устройством-прототипом, сократить длину петли обратной связи и существенно увеличить ширину полосы синхронизации.
Принципиально новым в представленном техническом решении, по сравнению с известным, является то, что
- фазовый детектор функционально объединен с гармоническим смесителем в едином элементе, основанном на туннельном СИС-переходе;
- все элементы петли системы синхронизации частоты либо интегрированы на одной микросхеме с КПГ, либо размещены в непосредственной близости от нее;
- все элементы петли системы выполнены из пассивных элементов, не вызывающих тепловыделение, влияющее на работу КПГ;
- техническое решение обладает уникальной совокупностью признаков: ССЧ является криогенной и интегрированной с КПГ.
Перечень фигур и графических изображений
Фиг.1. Схема устройства-прототипа. 1 - генератор диапазона 100-700 ГГц (ДДП), 2 - гармонический СИС-смеситель, 3 - петлевой LC-фильтр нижних частот до 100 МГц (задержка 2 нс), 4 - опорный синтезатор диапазона 19-20 ГГц, 5 - охлаждаемый НЕМТ усилитель (30 дБ), 6 - охлаждаемый НЕМТ усилитель (20 дБ), 7 - криогенный фазовый детектор на СИС-переходе, 8 - опорный синтезатор диапазона 0.1-1 ГГц, 9 - спектроанализатор, 10 - микрочип, 11 - криостат.
Фиг.2. Пониженные по частоте спектры ДДП, синхронизированные устройством-прототипом. 1 - автономная линия излучения ДДП шириной 5.5 МГц; 2 - ДДП синхронизирован устройством-прототипом (синхронизировано 70% мощности излучения ДДП).
Фиг.3. Схема предлагаемого технического решения. 1 - КПГ (является ДДП в лабораторном макете), 2 - криогенный гармонический фазовый детектор (КГФД), 3 - петлевой RLC-фильтр нижних частот, 4 - опорный синтезатор диапазона 18-28 ГГц, 5 - микрочип, 6 - криостат.
Фиг.4. Зависимость мощности выходного сигнала фазового детектора от напряжения смещения и мощности сигнала опорного синтезатора. В кружке крестом показана рабочая точка фазового детектора.
Фиг.5. Спектры генерации ДДП, пониженные по частоте. 1 - автономная линия генерации ДДП, 2 - линия генерации ДДП, синхронизированная предлагаемым техническим решением.
Предлагаемое техническое решение содержит следующие основные элементы (Фиг.3): криогенный гармонический фазовый детектор (КГФД) 2, выполнений на туннельном СИС-переходе; петлевой RLC-фильтр нижних частот 3; опорный синтезатор 4, работающий в диапазоне частот 18-28 ГГц. При этом вход КГФД 2 соединен с выходом КПГ 1 и выходом опорного синтезатора 4, а выход КГФД 2 через петлевой RLC-фильтр нижних частот 3 соединен со входом КПГ 1. Из представленной схемы видно, что все элементы петли системы стабилизации частоты (2, 3 и структуры для их электрического соединения) могут быть расположены на одной микросхеме 5 с КПГ либо в непосредственной близости от нее внутри криостата 6, обозначенного двойной пунктирной линией.
Предлагаемое устройство работает следующим образом: часть сигнала КПГ 1 подается на КГФД 2, который представляет собой смеситель на основе туннельного СИС-перехода. КГФД выполняет две функции: во-первых, на нем, как на нелинейном элементе, происходит генерация гармоники частоты, кратной частоте опорного синтезатора 4. Во-вторых, на КГФД происходит сравнение фазы сигнала КПГ с фазой этой гармоники. Выходной сигнал, пропорциональный разности фаз данных сигналов, проходит через фильтр нижних частот 3 и служит сигналом обратной связи для стабилизации частоты КПГ. Основная функция фильтра нижних частот - предотвратить проникновение сигналов комбинационных частот с детектора на КПГ. Выходной сигнал фазового детектора корректирует мгновенную частоту КПГ, синхронизируя его с определенной гармоникой опорного синтезатора.
1
f1
1
2
f2
2
ПЧ
1
2
f1
f2
1
2
ПЧ
1
2
1
2
Рассмотрим физические принципы, определяющие работу ССЧ. Основным элементом системы является криогенный гармонический фазовый детектор, основанный на туннельном СИС-переходе. СИС-переход представляет из себя нелинейный элемент, поэтому при приложении к нему двух периодических сигналов V=Vcos(2πft) и V=Vcos(2πft) на переходе возникают сигналы всех комбинационных частот f=lf+mf. Здесь V и V - амплитуды напряжения на переходе, f и f - частоты сигналов на переходе, t - время, l и m - целые числа. На интересующей нас промежуточной частоте f=f-m·f, f≈m·f выходной сигнал определяется выражением:
ПЧ
1
2
ПЧ
I(t)=Isin(2π(f-nf)t+φ), где I - амплитуда сигнала ПЧ, φ - постоянный сдвиг фаз. Отсюда видно, что гармонический смеситель работает как синусоидальный фазовый детектор.
Амплитуда выходного сигнала фазового детектора определяет эффективность работы системы стабилизации частоты. Иными словами, для увеличения доли синхронизированной мощности сигнала КПГ необходимо максимизировать амплитуду выходного сигнала фазового детектора. Этот сигнал сложным образом зависит от напряжения смещения фазового детектора и параметров приложенных сигналов [5]:
,
j
dc
KK
dc
где , J(x) - функция Бесселя порядка j, I(V) - зависимость квазичастичного туннельного тока от постоянного напряжения на переходе (для расчета используется экспериментальная зависимость), I(V) - функция, полученная с помощью преобразования Крамерса-Кронига от функции I, e - заряд электрона, h - постоянная Планка, V - постоянное напряжение смещения на переходе, n и k - индексы суммирования, суммирование ведется по всем целым n и k. Характерная зависимость мощности выходного сигнала КГФД от напряжения смещения и мощности сигнала опорного синтезатора показана на Фиг.4, где также указана рабочая точка КГФД с максимальной мощностью выходного сигнала.
x
В предложенном техническом решении устранена проблема минимальной допустимой длины кабелей. Это достигается тем, что количество элементов петли уменьшено за счет функционального объединения гармонического смесителя и фазового детектора в одном элементе. При этом из петли синхронизации исключены НЕМТ усилители, имевшие большое тепловыделение. Все это позволяет разместить все элементы петли предельно компактно, в частности интегрировать на одном чипе с генератором. Реализовать представленную схему позволило то, что в качестве криогенного гармонического фазового детектора впервые предложен и апробирован смеситель, основанный на туннельном СИС-переходе. Изолятор в СИС-переходе может быть выполнен из AlO, при этом один электрод выполняется из Nb, а второй из Nb, NbN либо NbTiN. Также изолятор в СИС-переходе может быть выполнен из AlN или MgO, при этом оба сверхпроводника могут быть выполнены из Nb, либо один из них выполнен из Nb, второй - из NbN или NbTiN; либо оба сверхпроводника выполнены из NbN; либо один из них выполнен из NbN, второй - из NbTiN; либо оба сверхпроводника выполнены из NbTiN.
x
Используемый в лабораторном макете СИС-переход выполнен в виде джозефсоновского туннельного перехода Nb-AlO-Nb, изготовленного литографическим способом на кремниевой подложке. Выбор именно такого туннельного перехода обусловлен отлаженностью методики создания переходов с изолятором на основе оксида алюминия.
В качестве КПГ в лабораторном макете, так же как и в устройстве-прототипе, используется ДДП.
Лабораторный макет системы синхронизации частоты имеет ширину полосы синхронизации 70 МГц, что при ширине линии генерации ДДП 8 МГц позволяет синхронизировать 93% мощности его излучения (Фиг.5.), в то время как система-прототип, имеющая полосу синхронизации 20 МГц, способна синхронизировать не более 50% мощности излучения при такой же ширине автономной линии генерации. Полоса синхронизации предлагаемого устройства расширена в 3.5 раза по сравнению с устройством-прототипом.
Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения заключается в значительном расширении полосы синхронизации и, соответственно, в повышении эффективности синхронизации КПГ.
Источники информации
1. Р.Khosropanah, A.Baryshev, W.Zhang, W.Jellema, J.N.Hovenier, J.R.Gao, T.M.Klapwijk, D.G.Paveliev, B.S.Williams, S.Kumar, Q. Hu, J.L.Reno, B.Klein and J.L.Hesler, "Phase locking of a 2.7 THz quantum cascade laser to a microwave reference", Optics Letters, Vol.34, No.19, p.2958, 2009.
2. «Широкополосная система фазовой автоподстройки частоты для криогенного генератора», авторы: Кошелец В.П., Худченко А.В., Дмитриев П.Н. Патент на изобретение №2319300, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской федерации 10 марта 2008 года.
3. Лихарев К.К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. - M.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985.
4. A.V.Khudchenko, V.P.Koshelets, P.N.Dmitriev, А.В.Ermakov, P.A.Yagoubov and O.M.Pylypenko, "Cryogenic Phase Locking Loop System for Superconducting Integrated Receiver", Superconductor Science and Technology, 22, 085012 (4 pages), 2009.
5. Калашников К.В., Худченко А.В. Теоретическое описание гармонического смесителя на туннельном переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник, Нелинейный мир, т.8, №2, 2010.