Сверхпроводящий источник высокочастотного шума
SUPERCONDUCTING SOURCE OF HIGH-FREQUENCY NOISE

Изобретение относится к измерительным приборам с использованием переключения из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние или наоборот и может применяться в технике низких и сверхнизких температур.
Известна СВЧ нагрузка в интегральном исполнении (Савенков Г.Г. Сверхширокополосная микрополосковая нагрузка / Савенков Г.Г. // Сборник научных трудов конференции «Современные проблемы радиоэлектроники». - Сибирский Федеральный университет, Красноярск, 2018. - С. 297-299; Савенков Г.Г., Разинкин В.П., Хрусталев В.А. Широкополосные СВЧ-нагрузки на ступенчато-неоднородных линиях с потерями // Вопросы радиоэлектроники 2018. - № 4. - С. 68-72), представляющая собой источник термодинамического излучения (шумящий резистор) и имеющая мощность шума, зависящую от физической температуры в интервале частот согласования. Уровень шума термодинамического источника регулируется путем изменения его температуры, что позволяет получить уровни шума, необходимые для последующей калибровки шумов электронных устройств (Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. – М.: Мир, 1986. - 399 с., ил.).
Недостатком термодинамического аналога изобретения в виде СВЧ нагрузки является затруднение в задании и измерении локальной температуры шумящего резистора, которая определяет уровень шума. В связи с этим для получения шумового сигнала применяют разогрев всего устройства целиком. Это требует значительных тепловых мощностей, что приводит к тепловым нагрузкам и нежелательным потокам тепла внутри системы охлаждения, а также ухудшает скорость и, как следствие, точность установки температуры в виду возникающей температурной инерции такого излучателя.
Известен источник дробового шума на основе туннельного перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник, шум которого мало зависит от физической температуры источника и определяется протекающим током (Hirofuni Inoue, Takashi Noguchi and Korato Kohno. SIS junction as a microwave noise source // Journal of Physics: Conference Series -2010 - V. 234 042014 - P. 1-7). Уровень шума источника дробового шума регулируется путем изменения значения пропускаемого тока, что также позволяет получить уровни шума, необходимые для последующей калибровки шумов электронных устройств (Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. - М.: Мир, 1986. - 399 с., ил.).
Недостатком аналога в виде источника дробового шума на основе сверхпроводящего туннельного перехода является ограничение полосы рабочих частот, вызванная большой собственной емкостью сверхпроводящего туннельного перехода: типичная полоса согласования не превышает 40 ГГц, и такой источник шума не эффективен на терагерцовых частотах. При калибровке детекторов с очень малым уровнем насыщения недостатком источника дробового шума на сверхпроводящем туннельном переходе является существование минимального значения тока нормального участка его вольтамперной характеристики, что не позволяет получать шум ниже определенного уровня (например, ниже 2 К для туннельных переходов на основе алюминия), даже если физическая температура лежит в области милликельвин.
Общим недостатком указанных выше источников дробового и термодинамического шума является типовой метод подключения согласованной нагрузки и туннельного перехода с помощью волноведущих цепей (например, коаксиальных кабелей), что не позволяет использовать эти источники для тестирования субтерагерцовых и терагерцовых устройств.
Наиболее близким аналогом изобретения является болометрический детектор, состоящий из сосредоточенного тонкопленочного поглотителя, интегрированного в планарную антенну. Одним из практических примеров такой системы является наноболометр на горячих электронах с поглотителем из нормального металла, который является естественным источником термодинамического шума, который измерялся в работе (Normal Metal Hot-Electron Nanobolometer with Johnson Noise Thermometry Readout. B.S. Karasik, C.B. McKitterick, T.J. Reck, D.E. Prober, https://arxiv.org/abs/1411.11180) на низких (гигагерцовых) частотах. В данном аналоге выходной шум наноболометра на горячих электронах регистрировался чувствительным усилителем и был представлен низкочастотной частью термодинамического спектра, описываемого формулой Планка (Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел - М.: Наука, 1964. - 225 с., ил.). Мощность такого шумового сигнала представляет собой отклик на разогрев внешним излучением, который улавливается планарной антенной, превращается в тепло и увеличивает температуру электронного газа. Эта мощность может быть определена косвенным методом – путем сравнения с мощностью разогрева болометра постоянным током, вызывающую шумовой сигнал того же уровня и регистрируемая внешним (референсным) измерителем мощности (усилителя). С точки зрения метрологии, такое сравнение мощностей является грубой оценкой и не предполагает калибровку эквивалентной температуры шума.
Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в уменьшении тепловыделения в измерительную систему, повышении производительности устройства в процессе измерений, а также в совершенствовании схемы и улучшении точности измерения шумовых характеристик термодинамического источника шума.
Технический результат достигается в изобретении следующим образом.
Сверхпроводящий источник высокочастотного шума содержит источник широкополосного дробового шума в виде сверхпроводящего туннельного перехода и источник широкополосного термодинамического шума в виде СВЧ нагрузки, которые смонтированы на диэлектрической подложке совместно с общей планарной линией передачи СВЧ, по электродам которой сверхпроводящий туннельный переход и СВЧ нагрузка включены в нее последовательно и согласованы с ней на гигагерцовых частотах. Один выход общей планарной линии передачи СВЧ заземлен через полосно-пропускающий фильтр, смонтированный на диэлектрической подложке, а ее второй выход подключен через стандартный волновод к низкочастотному выходу устройства,. Туннельный переход и СВЧ нагрузка подключены посредством полосно-заграждающих фильтров к измерительным цепям с возможностью независимой подачи на них постоянного тока и их поочередного прямого и обратного перевода из сверхпроводящего в нормальное состояние. Согласованная СВЧ нагрузка выполнена в виде пленки микронного размера из сверхпроводящего материала и рабочая температура диэлектрической подложки лежит ниже температур сверхпроводящего перехода материалов туннельного перехода и СВЧ нагрузки.
При этом на подложке смонтирована планарная антенна терагерцовых частот, фидером которой является СВЧ нагрузка
Также измерительные цепи сверхпроводящего туннельного перехода и СВЧ нагрузки состоят из источников тока, вольтметров и референсного измерителя мощности, подключенных посредством полосно-заграждающих фильтров, смонтированных на диэлектрической подложке.
Кроме того, низкочастотный выход устройства подсоединен ко входу референсного измерителя мощности или входу тестируемого устройства.
Изобретение поясняется чертежом, где представлены: на фиг. 1 – эквивалентная схема включения сверхпроводящего источника высокочастотного шума в измерительную цепь на гигагерцовых частотах, на фиг. 2 – эквивалентная схема включения сверхпроводящего источника высокочастотного шума в измерительную цепь с антенной терагерцового диапазона, на фиг. 3 – упрощенная топология сверхпроводящего источника высокочастотного шума с использованием двухщелевой планарной антенны и измерительную цепь, на фиг. 4 – топология сверхпроводящего источника высокочастотного шума с использованием дипольной планарной антенны, на фиг. 5 – топология сверхпроводящего источника высокочастотного шума с использованием спиральной планарной антенны.
Сверхпроводящий источник высокочастотного шума включает следующие элементы: сверхпроводящий туннельный переход 1, согласованную СВЧ нагрузку 2, измерительную цепь, состоящую из измерителя 3 мощности, источников 4, 5 тока, вольтметров 6, 7, полосно-заграждающих фильтров 8, 9, 10, полосно-пропускающий фильтр 11, излучающую антенну 12 терагерцового диапазона, полосно-заграждающие фильтры 13, 14 терагерцовой антенны, диэлектрическую подложку 15, коаксиальный кабель 16, металлические электроды 17, 18, 19, 20.
Работа сверхпроводящего источника термодинамического шума осуществляется следующим образом.
Фиг. 1 иллюстрирует эквивалентную схему сверхпроводящего источника высокочастотного шума для применения на гигагерцовых частотах ниже или порядка 40 ГГц. На вход референсного измерителя мощности 3 с волноведущим (кабельным) разъемом в последовательную цель включены СВЧ нагрузка 2 в виде сверхпроводящего мостика и туннельный переход 1 на основе структуры сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник. Полосно-заграждающие фильтры 8, 9, 10, изображенные в виде LC-фильтров, служат для подключения к цепи источников 4, 5 тока и вольтметров 6, 7. Последовательная цепь из туннельного перехода 1, СВЧ нагрузки 2, референсного измерителя мощности 3 заземлена через полосно-пропускающий LC-фильтр 11. После взаимной калибровки элементов 1 и 2 с помощью референсного измерителя 3 мощности, последний заменяется на тестируемое устройство.
Фиг. 2 иллюстрирует эквивалентную схему сверхпроводящего источника высокочастотного шума для применения с антенной терагерцового диапазона 12, излучающей термодинамический шумовой сигнал в свободное пространство аналогично черному телу. Полосно-заграждающие фильтры 13, 14 терагерцовой антенны являются прозрачными для низкочастотных сигналов на гигагерцовых частотах и не меняют характер передачи сигналов от СВЧ нагрузки 2 и сверхпроводящего туннельного перехода 1 на референсный измеритель мощности 3. Такая схема обладает всеми свойствами схемы на фиг. 1.
Фиг. 3 иллюстрирует упрощенную топологию сверхпроводящего источника высокочастотного шума и измерительную периферию, представленные на фиг. 2. На диэлектрической подложке 15 расположена интегральная планарная структура, включающая СВЧ нагрузку 2 и сверхпроводящий туннельный переход 1 с электродами 17, 18, 19, 20, предназначенными для подключения источников тока 4, 5, вольтметров 6, 7, референсного измерителя 3 мощности (элементы 3, 4, 5, 6, 7 не является частью топологии). Области металлизации диэлектрической подложки заштрихованы. Шумовой сигнал передается на измеритель 3 или на тестируемое устройство по компланарному волноводу, согласованному с коаксиальным кабелем 16. Терагерцовая планарная антенна 12 – это стандартная двухщелевая антенна с компланарным фидером (Merenkov Α.V., Shitov S.V., Chichkov V.I., Ermakov А.В., Kim Т.M., Ustinov Α.V. A Superconducting Resonator with a Hafnium Microbridge at Temperatures of 50-350 mK. - Technical Physics Letters, 2018 Vol. 44, No. 7, pp. 581-584).
Фиг. 4 иллюстрирует возможный вариант использования дипольной антенны в качестве планарной антенны 12 в топологии сверхпроводящего источника высокочастотного шума.
Фиг. 5 иллюстрирует другой возможный вариант использования спиральной антенны в качестве планарной антенны 12 в топологии сверхпроводящего источника высокочастотного шума.
В процессе работы сверхпроводящего источника высокочастотного шума, переводя источник термодинамического шума в виде СВЧ нагрузки 2 в планарном исполнении в сверхпроводящее состояние, измеряют мощность дробового шума сверхпроводящего туннельного перехода 1, зависящую от значения задаваемого постоянного тока. По формуле (3) вычисляют эквивалентную температуру дробового шума. Переведя сверхпроводящий туннельный переход 1 в сверхпроводящее состояние, а СВЧ нагрузку 2 в пленочном исполнении в нормальное состояние, сравнивают мощность термодинамического шума СВЧ нагрузки 2 и измеренную ранее мощность дробового шума сверхпроводящего туннельного перехода 1 и вычисляют эквивалентную температура термодинамического шума СВЧ нагрузки 2.
Полученная мощность дробового шума сверхпроводящего туннельного перехода 1 позволяет вычислить его эквивалентную шумовую температуру и, сопоставив мощность термодинамического шума термодинамического источника в виде СВЧ нагрузки 2 в пленочном исполнении, вычислить эквивалентную шумовую температуру термодинамического шума. Диапазон частот, в котором происходит калибровка дробовым шумом, является гигагерцовым, однако широкополосность термодинамического источника позволяет расширить диапазон частот термодинамического излучения до терагерцового и использовать излучающие антенны для передачи сигнала по свободному пространству.
Включение и выключение каждого из источников достигают переводом пленки СВЧ нагрузки 2 и/или сверхпроводящего туннельного перехода 1 из сверхпроводящего состояния, в котором они находятся при нулевом токе и физической температуре криостатирования, в нормальное состояние и обратно при помощи дополнительных цепей смещения, по которым подают постоянный ток. Независимость измерения шумовой мощности одного из источников обеспечивается сверхпроводящим состоянием другого, нерабочего источника, что эквивалентно короткому замыканию его выхода и соответствует оптимальному согласованию работающего источника с измерителем мощности.
Установка и калибровка мощности шума (эквивалентной температуры шума) каждого из источников достигается установкой тока: для дробового источника – на нормальном участке вольтамперной характеристики, для термодинамического источника – после его перевода в нормальное состояние. Температура разогрева СВЧ нагрузки 2 зависит от теплопроводности между ее пленкой и подложкой 15. В области интерполяции теплопроводность считается постоянной в рабочем диапазоне температур. При подаче электрической мощности температура пленки растет пропорционально мощности, то есть квадрату подаваемого тока. Калибровка термодинамического шума, достигается вычислением мощности дробового шума при условии, что термодинамический шум равен дробовому. Это определяется с помощью референсного измерителя 3 мощности. При этом эквивалентная термодинамическая температура СВЧ нагрузки 2 принимается равной эквивалентной шумовой температуре дробового шума.
Использование термодинамического излучения в нескольких диапазонах возможно за счет использования простых частотных фильтров. Частотным фильтром терагерцовых частот служит антенна 12 совместно с полосно-заграждающими фильтрами 8, 9, 10, не позволяющими утекать терагерцовым токам в общую линию. При последовательном включении антенны 12 в компланарную линию уровень шумовой мощности на выходе устройства вне полосы антенны 12 остается без изменений. В полосе антенны 12 устройство превращается в чернотельный излучатель с рассчитанной выше шумовой температурой.
Мощность термодинамического шума сверхпроводящего поглотителя в диапазоне частот Δƒ регистрирующего детектора подчиняется известной формуле Планка. В предельном случае больших температур и низких частот мощность излучения из формулы Планка может быть преобразована в следующую приближенную форму:
где Ρ – мощность термодинамического шума сверхпроводящего поглотителя;
В
k – постоянная Планка;
Т – шумовая температура сверхпроводящего поглотителя;
Δƒ – полоса частот излучения сверхпроводящего поглотителя.
shot
n
Мощность дробового шума сверхпроводящего туннельного перехода P, передаваемая в согласованную нагрузку, определяется подаваемым через него током I в диапазоне его рабочих частот и сопротивлением в нормальном состоянии R:
shot
где P – мощность дробового шума сверхпроводящего туннельного перехода;
е – заряд электрона;
I – подаваемый на сверхпроводящий туннельный переход ток;
n
R – нормальное сопротивление сверхпроводящего туннельного перехода;
Δƒ – полоса рабочих частот сверхпроводящего туннельного перехода.
На основе формул (1) и (2) можно определить эквивалентную шумовую температуру туннельного перехода:
shot
где T – эквивалентная температура дробового шума сверхпроводящего туннельного перехода;
SIS
F – напряжение на сверхпроводящем туннельном переходе в нормальном состоянии.
Изобретение может быть реализовано стандартными методами, применяемыми для микросхем СВЧ: расчет деталей топологии и выбор материалов производится с помощью одного из известных методов электромагнитного моделирования (Cadence AWR Microwave Office https://www.awr.com/awr-software/products/awr-design-environment, Ansys HFSS https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss и др.), исходя из желаемой полосы частот; изготовление и корпусирование микросхемы – с использованием стандартных методов тонкопленочных технологий (Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - М.: Высш. шк., 1986. - 368 с., ил.) и стандартных методов металлообработки. На диэлектрическую подложку 15, обладающую чистой и гладкой поверхностью, осаждаются пленки материалов поглотителя СВЧ нагрузки 2, туннельного перехода 1 и линий передач с металлическими электродами 17, 18, 19, 20. Осаждение пленок сверхпроводящего материала может быть осуществлено одним из известных методов: термическим испарением, магнетронным или электронно-лучевым осаждением в вакууме. Структурирование осажденных пленок выполняется методами литографии в условиях чистой зоны: с помощью процессов обратной "взрывной" литографии lift-off, плазмохимического или жидкостного травления с использованием полимерных масок, полученных методом оптической или электронно-лучевой литографии. Материал пленки поглотителя для СВЧ нагрузки 2 подбирается таким образом, чтобы его рабочий интервал температур лежал ниже критических температур материалов сверхпроводящего туннельного перехода 1 и подводящих электродов 17, 18, 19, 20.
Преимуществами изобретения являются возможность получения высокочастотного (терагерцового) термодинамического шума сверхмалого уровня и его последующая калибровка, не зависимая от референсного измерителя 3 мощности. Для этого в единую схему интегрируются два источника шума, подключаемые независимо на вход произвольного (достаточно чувствительного) измерителя мощности, в роли которого могут выступать, например, малошумящий усилитель, детектор или микрокалориметр. Как описано выше, туннельный сверхпроводящий переход 1 обладает сравнительно узкой рабочей полосой, но имеет уровень шума, определяемый его током и не зависящий от физической температуры. СВЧ нагрузка 2 является широкополосным источником шума и имеет принципиально более широкую полосу частот, чем источник дробового шума на основе сверхпроводящего туннельного перехода 1, то есть они имеют общую полосу частот. В общей полосе частот производится сравнение мощности двух источников шума, и по формуле Планка определяется температура микроволновой СВЧ нагрузки 2. В этом случае температура нагрузки 2 может отличаться от температуры подложки 15. Для заданной температуры подложки 15 возможно построение калибровочной кривой – зависимости температуры СВЧ нагрузки 2 от ее нагрева электрическим током. Использование такой кривой предполагает экстраполяцию физической температуры и позволяет получать калиброванные уровни мощности меньшие, чем минимальный уровень дробового источника, например, сигналы одноквантового уровня.
Важным преимуществом предлагаемого термодинамического источника является также его одновременное независимое согласование с планарной антенной 12 в области терагерцовых частот. Такая СВЧ нагрузка 2 с калиброванной физической температурой, согласованная с излучающей антенной 12 в терагерцовом диапазоне частот, имеет свойства чернотельного излучателя, а также уникальные свойства: 1) сверхмалое тепловыделение, которое зависит от физического размера пленки металла, используемого в СВЧ нагрузке, и, как следствие, 2) возможность интеграции в составе более сложных микросхем.