Криогенный перестраиваемый генератор гетеродина субтерагерцового диапазона для интегральных приёмных систем
CRYOGENIC TUNABLE OSCILLATOR OF SUBTERAHERTZ RANGE HETERODYNE FOR INTEGRAL RECEIVING SYSTEMS

Изобретение относится к области разработки устройств для приема и генерации излучения в диапазоне частот 100 ГГц - 1 ТГц. Такие устройства особенно востребованы в радиоастрономии, системах безопасности, медицине, в исследованиях атмосферы Земли [1-3]. Например, в космическом пространстве большая часть электромагнитного излучения принадлежит области частот 100 ГГц - 30 ТГц. В том же диапазоне частот лежат линии излучения (колебательные и вращательные переходы) молекул. Высокое разрешение и чувствительность в данном диапазоне позволит более детально проводить исследования и получать наиболее полную информацию об объекте исследования. Эту роль на себя взяли сверхпроводящие гетеродинные приемники. Следует отметить, что для гетеродинного детектирования требуются малошумящие и легко перестраиваемые генераторы принимаемого диапазона. Наиболее перспективным представляется криогенный генератор гетеродина, который может быть интегрирован со смесителем, однако большинство современных приемников ТГц диапазона имеют в качестве гетеродина внешний источник.
Известен аналог предлагаемого технического решения - генератор субтерагерцового диапазона на основе лампы обратной волны (ЛОВ), состоящий из генераторной лампы обратной волны, помещенной в магнит с полем в зазоре порядка 1 Тл, высоковольтного блока питания и системы водяного охлаждения. ЛОВ перекрывают достаточно большой диапазон частот, например, выпускаемый фирмой MICROTECH Instruments Inc. США прибор QS1-710 ov80 обеспечивает мощность 5 мВт в диапазоне 530-710 ГГц [4]. Однако генераторы на основе ЛОВ являются весьма громоздкими и дорогими системами, поскольку для их работы требуется: а) магнитное поле 1.2 Тл (создается специальным магнитом весом 18-20 кг); б) напряжение до 6 кВ, которое обеспечивается высоковольтным блоком питания; в) водяное охлаждение ЛОВ. Кроме того, гарантируемый ресурс работы ЛОВ составляет не более 100 часов. Стоимость же такой системы составляет 30-40 тыс. долларов США. В России ЛОВ выпускало НПО ИСТОК, однако в настоящее время производство практически свернуто.
Имеются также системы на основе полупроводниковых умножителей частоты, однако для их работы требуются усилители мощности диапазона 100 ГГц с мощностью порядка 100 мВт, такие усилители производятся только фирмой TRW для специальных приложений и на рынке пока недоступны. Кроме того, такие системы обычно работают при комнатной температуре, обладают большим энергопотреблением и, следовательно, заметным тепловыделением, и не подходят для использования в качестве генератора гетеродина для интегральных приемных систем.
x
Известен также аналог [5], разработанный на основе туннельной структуры Nb - NbO - Pb. Сверхпроводниковый генератор гетеродина на основе распределенного туннельного джозефсоновского перехода (flux flow oscillator, FFO - «ФФО» в русской транскрипции) - это джозефсоновский переход с длиной, значительно большей джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля в переход, в котором под действием магнитного поля и транспортного тока движутся джозефсоновские вихри. При выходе из перехода каждого такого вихря генерируется импульс напряжения.
x
Сигнал от криогенного генератора детектировался туннельным переходом микронной площади; было продемонстрировано, что генератор работает в диапазоне частот 100-400 ГГц, величина излучаемой мощности может достигать 1 мкВт. Недостатком этой системы является ее ненадежность, обусловленная использованием туннельного слоя NbO с мягким верхним слоем из Pb. Существенным недостатком является недостаточно большой частотный диапазон, что, по-видимому, вызвано применением свинца в качестве верхнего электрода. Принципиальным является невозможность использования данного генератора в спектрометре с высоким частотным разрешением, так как не предусмотрена стабилизация его частоты и ее привязка по фазе к опорному генератору. Как известно, узкая и стабильная линия излучения и возможность ее привязки к опорному синтезатору являются основными требованиями к генератору гетеродина для спектрометра.
Прототипом предлагаемого технического решения служит перестраиваемый криогенный генератор гетеродина субтерагерцового диапазона на основе распределенного туннельного перехода для интегральных приемных систем [6], изготовленный на подложке из кристаллического изолирующего материала, причем обратная сторона подложки выполнена шероховатой, с размерами неоднородностей, соизмеримыми с длиной звуковой волны терагерцового диапазона в кристаллической подложке.
x
x
Туннельные переходы, лежащие в основе генераторов, состоят из трехслойных джозефсоновских структур Nb/Al-A1O/Nb или Nb/AlN/NbN, которые изготавливаются в едином вакуумном цикле на подложке из монокристаллического кремния. Методами тонкопленочных технологий формируется геометрия самого генератора, смесительного элемента, СВЧ-тракта, подводящих электродов и дополнительных устройств, входящих в состав интегральной приемной системы. Длина генераторного перехода (порядка 500 мкм) во много раз превосходит глубину проникновения поля в туннельный барьер, именно поэтому такой переход называется распределенным джозефсоновским переходом (РДП). Сверхпроводниковые генераторы на основе РДП Nb/Al-A1O/Nb были успешно испытаны в качестве интегрального источника гетеродина в диапазоне частот от 100 до 700 ГГц, обеспечивая достаточную мощность для накачки СИС - смесителя (туннельного сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник перехода). Мощность излучения составила порядка 1 мкВт на частоте 500 ГГц. Как частота, так и мощность сверхпроводникового генератора гетеродина (СГГ) могут меняться в широких пределах без каких-либо механических перестроек. В силу соотношения Джозефсона напряжению V однозначно соответствует частота:
где е - заряд электрона, h - постоянная Планка.
Однако существует одна важная проблема, осложняющая работу СГГ в области частот 300-500 ГГц, - это наличие ступеней Фиске на вольт-амперной характеристике (ВАХ) РДП в резонансном режиме работы генератора (фиг. 1), в отличие от режима работы flux-flow, где кривые имеют гладкую структуру. Этот эффект затрудняет получение генерации во всем частотном диапазоне из-за невозможности плавной перестройки. Плавная перестройка частоты РДП-генератора в резонансном режиме работы возможна только на ступенях Фиске.
Возникают также случаи, когда невозможно найти устойчивую рабочую точку с достаточным уровнем накачки. При малых значениях тока смещения генератора излучаемой мощности недостаточно для смесителя, при этом уровень накачки достаточно слаб.
В итоге, возможность в данном диапазоне напряжений осуществлять непрерывную перестройку зависит от расстояния между ступенями и их крутизны и, как следствие, от перекрывания ступеней по напряжению. На фиг. 2 показана ситуация, при которой невозможно получать генерацию на указанных стрелками частотах для токов больше 10 мА, где обеспечивается требуемая накачка, что является существенным недостатком прототипа.
Цель предлагаемого изобретения заключается в обеспечении плавной перестройки генератора и сохранения оптимальной ширины линии генерации во всем диапазоне частот для реализации системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Поставленная цель достигается тем, что в криогенный перестраиваемый генератор гетеродина субтерагерцового диапазона для интегральных приемных систем на основе РДП, изготовленный на подложке из кристаллического изолирующего материала, обратная сторона которой выполнена шероховатой с размерами неоднородностей, соизмеримыми с длиной звуковой волны субтерагерцового диапазона в кристаллической подложке, согласно изобретению введены поглощающие резисторы, изготовленные из материала с удельным сопротивлением в диапазоне 2-50 мкОм⋅см, расположенные в микрополосковой линии вокруг генератора, позволяющие увеличить параметр затухания α в РДП, что обеспечивает дополнительное поглощение и тем самым подавление ступеней Фиске в резонансном режиме работы.
Поставленная цель достигается также тем, что в криогенном перестраиваемом генераторе поглощающие резисторы имеют вытянутую форму и расположены в микрополосковой линии вдоль РДП.
Поставленная цель достигается также тем, что в криогенном перестраиваемом генераторе резисторы расположены в микрополосковой линии и частично закрывают один из краев РДП.
Поставленная цель достигается также тем, что в качестве материала поглощающих резисторов выбран молибден.
Поставленная цель достигается также тем, что поглощающие резисторы также расположены на обоих краях перехода в микрополосковой линии.
Поставленная цель достигается также тем, что в криогенном перестраиваемом генераторе поглощающий резистор расположен на неизлучающем краю перехода, что обеспечивает получение максимально возможной мощности излучения генератора.
Принципиально новым в представленном техническом решении является введение в конструкцию РДП генератора дополнительных поглощающих слоев для реализации возможности плавной перестройки генератора во всем доступном диапазоне частот.
Перечень фигур и графических изображений
Фиг. 1. Типичное семейство ВАХ РДП, измеренное при различных магнитных полях с постоянным шагом. На графике отмечены два режима работы генератора. На увеличенной области показана ступенчатая структура, затрудняющая плавную перестройку частоты.
Фиг. 2. Семейство ВАХ РДП в диапазоне напряжений, где реализуется резонансный режим работы генератора. Рабочие точки для генерации расположены только в областях, на которые указывают стрелки (ступени Фиске). Так как на малых токах генератора не может обеспечиваться требуемая накачка, плавная перестройка возможна только в случае более крутого наклона зависимости, обеспечивая перекрытие ступеней по напряжению. Вертикальная штриховая линия, пересекая ступень в рабочей точке, не имеет общих точек с соседней ступенью вплоть до малых токов генератора.
d
d
Фиг. 3. График зависимости дифференциального сопротивления R от напряжения генератора. Всплески R на краях ступеней Фиске соответствуют резкому уширению линии излучения.
Фиг. 4 Схематическое изображение изготовленных структур для исследования воздействия поглощающих слоев на работу генератора. На схеме «А» представлена схема генератора без поглощающих резисторов. На схеме «Б» резисторы расположены вдоль РДП с обоих сторон. На схеме «В» дополнительно введены резисторы на обоих краях. На схеме «Г» поглощающий слой расположен только с одного края.
Фиг. 5. Семейство ВАХ РДП, оснащенного поглощающими резисторами со стороны неизлучающего края. На увеличенной области видна гладкая структура без ступеней.
d
Фиг. 6. Графики зависимостей дифференциального сопротивления R от напряжения генератора для РДП-генератора без поглощающих резисторов (серая кривая) и генератора, оснащенного поглощающими резисторами (черная кривая).
Фиг. 7. Графики преобразованных вниз по частоте спектров излучения в одной из рабочих точек. Серая кривая - режим частотной стабилизации, черная кривая - режим ФАПЧ.
Фиг. 8. График зависимости ширины линии излучения генератора от частоты перестройки в узком диапазоне (около 350 ГГц), при токе смещения 17 мА. Черная кривая (огибающая) представлена для наглядности.
Изготовление рабочих микросхем производилось стандартными методами тонкопленочных технологий [7, 8]. В качестве подложек для рабочих структур использовался монокристаллический высокоомный кремний, полированный с одной стороны. Для осаждения тонких пленок металлов и изоляторов использовалась сверхвысоковакуумная напылительная установка фирмы Leybold Heraeus L-560 UV. Формирование геометрии каждого слоя выполнялось при помощи фотолитографии. Плазмохимическое травление металлических Nb слоев производилось в установке реактивного ионно-плазменного травления March Jupiter II.
x
2
3
2
Структура Nb/Al-AlO/Nb осаждалась послойно на кремниевую подложку в едином вакуумном цикле, покрытую защитным (буферным) слоем AlO. Далее методами фотолитографии и плазмохимического травления на поверхности заготовки формировались рабочие зоны СИС-переходов. В процессе изготовления структура проходит этап изоляции. Он включает в себя анодирование торцов токонесущих шин и магнетронное распыление диэлектрического SiO. Это позволяет снизить до минимума вероятность появления токов утечки для данных многослойных структур. Следующим этапом производится формирование поглощающих резисторов методами магнетронного распыления металла Мо. Пленка Nb, являющаяся верхним электродом с контактными площадками, наносится методами магнетронного распыления.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
bias
Через РДП задается постоянный ток смещения I и прикладывается внешнее магнитное поле (параллельное плоскости перехода), которое задается током через линию управления. Магнитное поле способствует проникновению кванта магнитного потока внутрь перехода на одном из краев контакта - джозефсоновская фаза ϕ(х) вдоль перехода меняется с образованием вихря, несущего квант магнитного потока:
J
L
L
где h - постоянная Планка, е - заряд электрона. Ток смещения заставляет этот квант двигаться, и в результате в переходе возникает однонаправленный поток джозефсоновских вихрей, каждый из которых имеет длину 2λ вдоль плоскости перехода и 2λ в направлении, перпендикулярном плоскости перехода, где λ - лондоновская глубина проникновения поля в переход. Флаксоны, двигаясь вдоль перехода под действием силы Лоренца, отталкиваются друг от друга, образуют цепочку. При пересечении противоположного края перехода движущимся флаксоном возникает всплеск напряжения V, интеграл которого по времени равен величине «вышедшего» кванта магнитного потока:
bias
CL
gap
JSC
Скорость и плотность этой флаксонной цепи, а следовательно, мощность и частота электромагнитного излучения, возникающего при переходе квантов через границу, можно настраивать путем изменения тока смещения I и тока через линию управления магнитным полем I. После столкновения кванта с границей внутри перехода возникает отраженная электромагнитная волна и при малом α (параметр, характеризующий затухание в переходе) она может достигнуть противоположной границы перехода. На определенных частотах может возникать стоячая волна, которая будет способствовать вхождению вихрей в переход на этой частоте, в результате чего ВАХ в области малых α имеет ярко выраженную резонансную структуру. Чем меньше α, тем более крутые ступени тока появляются на ВАХ. На более высоких рабочих частотах параметр α испытывает скачкообразное увеличение из-за эффекта джозефсоновской самонакачки и реализуется безрезонансный режим движения плотного потока цепочки вихрей. Граница раздела двух режимов работы РДП четко видна на ВАХ (фиг. 1) при напряжениях , где V - щелевое напряжение. Ступенчатообразная структура резко переходит в плавную. Этот эффект наблюдается на всех джозефсоновских туннельных переходах с высокой плотностью тока и носит название - эффект самонакачки перехода V (Josephson Self - Coupling) [9, 10].
РДП
d
Для успешной работы интегральной приемной системы необходима непрерывная перестройка частоты генерации СГГ во всем доступном частотном диапазоне прибора. Однако, как указывалось выше, на ВАХ РДП в резонансном режиме работы есть промежутки, где бывает невозможно найти устойчивую рабочую точку с достаточным уровнем накачки. Даже в тех точках, где возможна генерация, происходит сильное увеличение ширины линии излучения. Известно, что ширина линии генерации РДП δf зависит от дифференциального сопротивления перехода R, определяемого как:
РДП
bias
где V - напряжение генератора, I - ток смещения.
d
ПЧ
РДП
OC
На практике, наиболее точные измерения R производятся при помощи спектральных измерений линии излучения РДП. Измерительная методика описана в работе [11]. Исследуемый генератор в составе микросхемы интегрального приемника монтируется внутри заливного гелиевого криостата с необходимой электроникой для измерений по постоянному току и СВЧ. На гармонический смеситель, находящийся на том же чипе с генератором, через микрополосковую линию приходит исследуемый сигнал и сигнал от опорного синтезатора (находящегося при комнатной температуре). На выходе смесителя появляется сигнал на промежуточной частоте (ПЧ) ƒ, равной разности частот генерации РДП ƒ и n-й гармоники опорного синтезатора f
Далее сигнал поступает на криогенный НЕМТ-усилитель (High electron mobility transistor), затем на теплые усилители ПЧ, находящиеся при комнатной температуре. Таким образом формируется преобразованный вниз по частоте сигнал от сверхпроводящего генератора, регистрируемый спектроанализатором. Для частотной и фазовой стабилизации линии излучения генератора используется система ФАПЧ, для успешной работы которой ширина линии излучения должна быть не больше 15 МГц.
d
Для типичного РДП генератора, работающего в резонансном режиме (при малых α), зависимость дифференциального сопротивления R от напряжения генератора V выглядит следующим образом (см. фиг. 3). На краях ступеней возникают области резкого увеличения дифференциального сопротивления, соответствующего уширению линии. Для «сглаживания» зависимости необходимо было увеличить параметр затухания α, что способствовало бы диссипации отраженной электромагнитной волны внутри перехода. Это было реализовано введением дополнительного резистивного слоя в конструкцию РДП. Для экспериментального исследования эффекта подавления резонансов было изготовлено несколько версий тестовых генераторов со слоем поглотителя, имеющего толщину порядка 100 нм, частично покрывающим РДП и расположенным либо вдоль всего перехода, либо только на одном из его краев. Для прямого сравнения вида ВАХ с резонансным режимом была изготовлена микросхема с аналогичным генератором, но без поглотителя, которая также позволяла измерять уровень накачки смесителя без поглощения. На фиг. 4 представлены схематические изображения структур с расположением поглощающих резисторов.
Расположение резистивных слоев вдоль РДП по его бокам позволяет подавить геометрические резонансы не до конца. На ВАХ в резонансном режиме еще остаются слабо выраженные области с характерной ступенчатой структурой. Включение дополнительных резисторов еще и по обоим краям генератора позволяет полностью подавить резонансы, но приводит к сильным потерям, так как до смесителя доходит только часть мощности (особенно на высоких частотах). Расположение резисторов только на неизлучающем краю (в который входят флаксоны) способствуют хорошему подавлению резонансов и не ухудшают, а на некоторых частотах даже увеличивают накачку по сравнению с тестовым генератором без поглотителя.
d
На фиг. 5 показана ВАХ генератора, оснащенного поглощающими резисторами со стороны неизлучающего края. Видно, что в резонансном режиме работы РДП зависимость стала гладкой с большим наклоном. В цикле измерений ширины линии излучения генераторов с дополнительным резистивным слоем в заливном криостате был измерен график зависимости R генератора от напряжения (черная кривая на фиг. 6) и наложен на график той же зависимости, но для генератора без поглощающих слоев (серая кривая на фиг. 6). Хорошо видно, что график стал более гладким без резких скачков и, следовательно, появилась возможность плавной перестройки частоты РДП генератора с сохранением достаточно узкой ширины линии. Это подтверждается прямыми измерениями ширины линии в одной из рабочих точек. На фиг. 7 показаны преобразованные вниз по частоте спектры излучения, измеренные с помощью специально разработанной методики с использованием интегрального гармонического смесителя [12]. Ширина линии в режиме частотной стабилизации составила 4,56 МГц. График зависимости ширины линии генерации от частоты представлен на фиг. 8. Поскольку ширина линии на этой зависимости не превышает 10 МГц во всех рабочих точках, можно реализовать режим ФАПЧ.
Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении плавной перестройки генератора и сохранения оптимальной ширины линии генерации во всем диапазоне частот для реализации системы ФАПЧ.
Литература
1. Проект SMA - Submillimeter Array. // Сайт в сети Интернет - http://www.cfa.harvard.edu/sma/, 2011.
2. Проект SOFIA - Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. // Сайт в сети Интернет - http://www.sofia.usra.edu/, 2011.
3. Проект HERSCHEL. // Сайт в сети Интернет - http://www.esa.int/science/herschel, 2011.
4. Система QS1-710 ov80 на основе ЛОВ фирмы MICROTECH Instruments Inc. США; http://www.mtinstruments.com/thzsources/index.htm,
5. Т. Nagatsuma, K. Enpuku, F. Irie, and K. Yoshida, "Flux-flow type Josephson oscillator for mm and submm wave region," J. Appl. Phys., vol. 54, p. 3302, 1983.
6. Патент на изобретение №2522711 «Перестраиваемый криогенный генератор гетеродина субтерагерцового диапазона на основе распределенного туннельного перехода для интегральных приемных систем», авторы: Кошелец В.П., Филиппенко Л.В., Дмитриев П.Н., БИ №20, 2014 г.
7. V. Koshelets, S. Kovtonyuk, I.L. Serpuchenko, L. Filippenko, and A. Shchukin, IEEE Trans. Magn. 27, 3141 (1991).
8. P. Dmitriev, I. Lapitskaya, L. Filippenko, A. Ermakov, S. Shitov, G. Prokopenko, S. Kovtonyuk, and V. Koshelets, IEEE Trans. Appl. Supercond. 13, 107 (2003).
9. L.E. Hasselberg, M.T. Levinsen, and M.R. Samuelsen, Phys. Rev. В 9, 3757 (1974)
10. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, A.V. Shchukin, L.V. Filippenko, J. Mygind, A.V. Ustinov. "Self-Pumping Effects and Radiation Linewidth of Josephson Flux Flow Oscillators", Phys. Rev. В 56, 5572-5577 (1997)
11. M. Paramonov, M. Yu. Fominsky, V.P. Koshelets, B. Neumeier, D. Koelle, R. Kleiner, and E. Goldobin, «Radiation power and linewidth of a semiuxon-based Josephson oscillator», Applied Physics Letters, 104, 062603 (2014)
12.V.P. Koshelets and S.V. Shitov, Supercond. Sci. Technol. 13, R53 (2000).