СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ КЛЮЧ
HIGH-SPEED SUPERCONDUCTING SWITCH

Изобретение относится к области высокочастотной техники, в частности к устройствам для коммутации сигналов сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (микроволновым устройствам).
Известно устройство-аналог: волноводный полупроводниковый СВЧ переключатель на основе p-i-n диода [1], который представляет собой комбинацию полупроводникового диода и волноводных элементов. Недостатками аналога являются возрастание прямых потерь и уменьшение глубины модуляции с ростом частоты выше 100 ГГц.
Известно устройство-аналог: переключатель СВЧ механический [2] на основе электромеханического привода, статора с коммутируемыми каналами и подвижного ротора с коммутирующим каналом. Недостатками аналога являются высокие потери на частотах выше 100 ГГц и малое быстродействие на уровне десятков Гц.
Известно устройство-аналог: электрооптический модулятор СВЧ [3], содержащий волновод с фоточувствительным вкладышем и модулирующий лазер. Недостатками аналога являются необходимость использовать дополнительное устройство - лазер, а также значительные потери в фоточувствительном элементе на СВЧ и невысокая глубина модуляции.
Известно устройство-аналог: ферритовый переключатель СВЧ поляризации [4], содержащий волновод, ферритовую секцию и управляющую катушку. Недостатками аналога являются возрастание потерь на частотах выше 100 ГГц и малое быстродействие порядка 1 кГц.
Известно устройство-прототип: управляемый напряжением сверхпроводниковый микроволновый ключ и метод его управления [5]. Ключ выполнен в виде сверхпроводящей пленки, размещенной на диэлектрической подложке и включенной вдоль микроволновой линии передачи. Ключ снабжен подводящими электродами для подачи напряжения переключения. Недостатками прототипа являются ограничение по частоте сигнала, определяемое инерционностью ключа на частотах выше 100 ГГц, а также невысокое быстродействие, связанное с гистерезисной переключающей характеристикой, невысокая глубина модуляции, связанная с рассогласованием импеданса в открытом и закрытом положениях, высокие значения управляющих токов.
Целью предлагаемого изобретения является: повышение рабочей частоты сигнала модулятора до единиц гигагерц, увеличение глубины модуляции более 90%, снижение прямых потерь менее 1 дБ, повышение частоты модуляции (переключения) до сотен мегагерц.
Поставленные цели достигаются тем, что:
- в известном сверхпроводящем микроволновом ключе, содержащем сверхпроводящую пленку на диэлектрической подложке и подводящие электроды, сверхпроводящий переключающий элемент включен поперек микроволновой линии передачи, и переключающий элемент выполнен в виде наномостика сверхпроводника с импедансом в открытом состоянии много больше импеданса линии и импедансом в закрытом состоянии много меньше импеданса линии в, и этот сверхпроводящий переключающий элемент включен в поперечном направлении к микроволновой линии передачи, так что он закорачивает линию в закрытом состоянии и не создает потерь в открытом состоянии. Размер наномостика выбирается из расчета получения импеданса в открытом состоянии порядка 1 кОм, что много больше характеристического импеданса линии передачи, а в закрытом состоянии менее 10 Ом, т.е. много меньше сопротивления линии.
- Переключающий элемент включен поперек планарной линии передачи, в частности копланарной, микрополосковой, щелевой, двухпроводной.
- Переключающий элемент включен поперек волноводной линии передачи.
- Переключающий элемент включен поперек квазиоптической линии передачи.
- Переключающий элемент включен поперек коаксиальной линии передачи.
- Для улучшения согласования импедансов на частотах порядка и менее 100 ГГц наномостик подключен к электродам планарной линии передачи через интегральные резонансные емкости.
Согласно изобретению:
- на поверхности диэлектрической подложки нанесен мостик в виде узкой тонкой пленки сверхпроводника с высоким удельным сопротивлением в нормальном состоянии типа нитрида ниобия или ВТСП материала типа YBaCuO.
- Мостик сформирован длиной порядка и меньше микрона и шириной порядка 100 нм и меньше при толщине порядка десяти нанометров и меньше.
- На подложку нанесены несверхпроводящие электроды в виде планарной линии передачи (щелевой, копланарной, микрополосковой).
- Мостик включен в линию передачи в поперечном направлении так, что он
закорачивает линию и препятствует прохождению сигнала в закрытом состоянии и не создает потерь в открытом состоянии.
- Мостик подключен к электродам планарной линии передачи через интегральные резонансные емкости.
Перечень фигур графических изображений
Фигура 1. Схематическое изображение сверхпроводникового переключателя, где 1 - диэлектрическая подложка, 2 - пленка сверхпроводника, образующая мостик в центре, 3 - пленка нормального несверхпроводящего металла, формирующая контактные площадки.
Фигура 2. Вольт-амперная характеристика мостика шириной 800 нм сопротивлением 200 Ом и критическим током 300 мкА.
Фигура 3. Переключающие характеристики мостика. Линия I -заданный ток, линия V - измеренное напряжение в зависимости от времени.
Фигура 4. Вольт-амперные характеристики джозефсоновского детектора, кривая 1 - источник излучения выключен, кривая 2 - закрытый ключ, кривая 3 - ключ открыт.
-4
Предложен сверхпроводниковый микроволновый быстродействующий ключ на основе тонкой сверхпроводящей пленки (фиг.1). Ключ позволяет модулировать микроволновый сигнал или переключать его между двумя ветвями цепи с малыми потерями и большой скоростью. Его применение позволяет избавиться от массивных и медленных механических модуляторов и повысить точность измерений. Многие измерения в микроволновом диапазоне частот ограничены возможностями волноводных механических переключателей и модуляторов. К таким ограничениям относятся: скорость переключения не выше десятков герц, прямые потери на уровне нескольких децибел, нестабильность переключения, большие размеры устройства и невозможность их интегрирования с криогенными детекторами. Применение как механических, так и магнитных переключателей на эффекте Фарадея в ферритовых стержнях не позволяет получить требуемой точности измерений до 10. Применение для модуляции p-i-n диодов также не обеспечивает требований малых потерь на этих частотах.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
off
g
k
Электромагнитная волна распространяется вдоль линии передачи, поперек которой включен сверхпроводящий наномостик. Переключатель в открытом состоянии пропускает сигнал без потерь и вызывает полное отражение в закрытом состоянии. Это достигается, поскольку переключающий элемент имеет импеданс много больше импеданса линии в открытом состоянии и много меньше импеданса линии в закрытом состоянии. В закрытом состоянии импеданс сверхпроводящего наномостика Z складывается из геометрической индуктивности L и кинетической индуктивности L сверхпроводящего тока:
off
g
k
Z=iω(L+L).
on
n
А в открытом состоянии к импедансу Z добавляется нормальное сопротивление R, но исчезает кинетическая индуктивность:
on
n
g
Z=R+iωL,
g
n
и в итоге преобладает нормальное сопротивление полоски. Выбор материала и геометрии делается исходя из максимального отличия ωL<<R. Для полоски нитрида ниобия длиной 5 мкм, шириной 500 нм и толщиной 20 нм и удельного сопротивления 200 мкOм·см получим сопротивление мостика 1 кОм и геометрическую индуктивность 3 пГн.
0
0
-6
Кинетическая индуктивность тонкой пленки рассчитана по формуле  где µ=1.25·10 Гн/м - магнитная постоянная, λ=200 нм - лондоновская глубина проникновения, l - длина, w - ширина, t - толщина полоски. Для полоски нитрида ниобия получим значение кинетической индуктивности 13 пГн. В итоге на частоте 225 ГГц полное индуктивное сопротивление составляет 22 Ом, что приводит к частичному пропусканию в закрытом состоянии линии Z=70 Ом с коэффициентом рассогласования  В случае волновода полного сечения или линии с волновым сопротивлением 300 Ом коэффициент рассогласования составляет уже 0.25 в закрытом состоянии. Однако для этого случая рассогласование в открытом состоянии составляет 0.7, т.е. прямые потери сигнала составят 70%.
off
g
k
2
Для увеличения ослабления в закрытом состоянии дополнительно используется емкостное согласование. В этом случае сверхпроводящий наномостик подключается к линии передачи через конденсаторы, образующие резонансный контур с индуктивностями мостика. Импеданс в закрытом состоянии Z=iω(L+L)+2/iωC=(2-ωLC)/iωC.
На резонансной частоте может быть близок к нулю и вызывать полное отражение. В нашем случае на частоте 225 ГГц емкости должны составлять по 65 фФ. Полоса согласования по уровню -15 дБ составит около 50 ГГц. Рабочая полоса переключателя с резонансными емкостями определяется добротностью резонансного контура и может достигать 30%. Укорочение полоски менее 1 мкм приводит к сокращению значения индуктивностей в 5 раз и увеличению значения глубины модуляции даже применения согласующих емкостей. Удобно воспользоваться простым соотношением для отношения импедансов в открытом и закрытом состояниях:
которое не зависит от геометрии полоски.
2
n
Существенным преимуществом предлагаемого устройства является малое энергопотребление ключа Р=V/R. Рассеиваемая мощность составляет около 2 мкВт и может быть легко снижена уменьшением объема мостика.
Примеры реализации
0
4
В качестве тестовой структуры использована щелевая линия Z=70 Ом с плавными переходами до полной высоты волновода основного сечения. Структура сформирована на кварцевой подложке толщиной 200 мкм. Пленка нитрида ниобия нанесена методом магнетронного распыления ниобиевого катода в плазме в смеси аргона и азота на нагретую подложку. Поверх контактных областей термическим напылением нанесена 50 нм пленка золота с подслоем хрома для лучшей адгезии. Мостик вытравливали реактивным ионным травлением в плазме CF. После изготовления образцы тестировали на постоянном токе при температуре жидкого гелия. Вольт-амперные характеристики приведены на фиг.2, переключающие характеристики - на фиг.3. На частотах до 100 кГц наблюдается лишь незначительное запаздывание на уровне около 0.5 мкс, связанное с постоянной времени измерительной цепи. Образцы испытаны в волноводном блоке с сечением волновода 0.55×1.1 мм на частотах в районе 230 ГГц. Прошедший сигнал измерен с помощью джозефсоновского детектора. Измерение вольт-амперной характеристики джозефсоновского перехода позволяет определить уровни сигналов на выходе ключа. На фиг.4 приведены ВАХ в отсутствии сигнала, при включенном генераторе и закрытом ключе и при открытом ключе. Видно, что в закрытом положении имеется небольшое пропускание сигнала, а в открытом положении уровень возрастает в 5 раз, т.е. на 13 дБ.
0
-12
-3
В волноводной конструкции роль настроечных конденсаторов играют емкости, образованные краями щелевой линии, заходящими в канавку в волноводе (неизлучающую щель). Величина этой емкости определяется диэлектрической постоянной подложки ε=4, длиной 1=4 мм, шириной w=0.2 мм и толщиной t=0.2 мм, что дает значение C=εεlw/t=4·8.85·10·4·10=140 Ф. В зависимости от требований к конкретному переключателю возможно либо его укорочение с увеличением сопротивления (снижением толщины), либо увеличение волнового сопротивления линии, либо применение интегральных настроечных емкостей, либо использование других материалов, в т.ч. высокотемпературных сверхпроводников. Предельное быстродействие такого ключа может быть сравнимо с оценками, сделанными для похожей топологии в болометре на горячих электронах, и составляющее менее 36 пс или до 16 ГГц [6].
Устройство также может быть выполнено поперечным включением сверхпроводящего наномостика в любой планарной линии передачи типа копланарной, микрополосковой, щелевой, двухпроводной, а также включением в квазиоптическую либо коаксиальную линию передачи.
Таким образом достигнут технический результат предложенного устройства: достигнуто переключение на частоте сигнала 230 ГГц с частотой модуляции до 100 кГц и глубиной модуляции более 13 дБ.
Литература
1. Б.В.Василегин, В.Л.Аронов, Л.Ш.Кравцов, СВЧ-переключатель, RU 93028872/09 от 1993.05.27.
2. С.М.Бондаренко, В.И.Лавров, СВЧ-переключатель, RU 2001117356/9 от 2001.06.20.
3. А.Н.Поспелов, Модулятор СВЧ, RU 4886013/09 от 1990.10.15.
4. Ю.Н.Елизаров, Н.П.Милевский, О.В.Треховицкий, В.В.Филатов, СВЧ ферритовый переключатель поляризации, RU 92005744/09 от 1992.10.29.
5. F.A.Hegmann, S.H.Mofatt, J.S.Preston, D.G.Poulin, Voltage controlled superconducting microwave switch and method of operation thereof, US 005841342A от 1998.11.24.
6. K.S.Il'in, M.Lindgren, M.Currie, A.D.Semenov, G.N.Gol'tsman, R.Sobolevsky, S.I.Cherednichenko, E.M.Gershenzon, Picoseconds hot-electron energy relaxation in NbN superconducting photodetectors, APL, vol. 76, 19, (2000), p.2752.