ДЖОЗЕФСОНОВСКИЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ НА ОСНОВЕ БИ-СКВИДОВ
JOSEPHSON PARAMETRIC TRAVELING WAVE AMPLIFIER BASED ON bi-SQUIDS

Изобретение относится к криогенной радиотехнике и может быть использовано в системах обработки сигналов и вычислительной технике.
Известно, что джозефсоновские параметрические усилители бегущей волны (ДПУБВ) с предельно низким уровнем внутренних шумов в настоящее время рассматриваются как чрезвычайно перспективные устройства для использования в области прецизионных квантовых измерений, включая области однофотонных детекторов, квантовых средств связи и квантовых вычислений. В силу отсутствия резонаторов в рассматриваемых усилителях, устраняется существование необходимого компромисса между величиной коэффициента усиления и частотной полосой, ширина которой в усилителях бегущей волны может быть сравнима по порядку величины с частотой накачки.
Разработка наиболее оптимальной конструкции ДПУБВ должна быть направлена на совмещение предельно высокой чувствительности с достаточно большим динамическим диапазоном, свободным от нелинейных искажений. В основе архитектуры ДПУБВ лежит использование искусственной микроволновой линии на основе цепочки последовательно включенных звеньев в виде одиночных джозефсоновских переходов или одно- или двух-контактных сквидов (см. А. В. Zorin, "Josephson Traveling-Wave Parametric Amplifier with Three-Wave Mixing," Phys. Rev. Appl., vol. 6, 2016, Art no.034006; A. Miano, O. Mukhanov, "Symmetric traveling-wave parametric amplfier," IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 29, 2019, Art no. 1501706; A. B. Zorin, "Flux-driven Josephson traveling-wave parametric amplifier," Phys. Rev. Appl, vol. 12, no. 4, 2019, Art no. 044051; A. B. Zorin, "Quasi-phasematching in a poled Josephson traveling-wave parametric amplifier with three-wave mixing," Applied Physics Letters vol. 118, no. 22, 2021, Art no. 222601).
Для устранений ограничения на мощность сигнала накачки в единой, общей для накачки и сигнала, джозефсоновской линии параметрического усилителя и, как следствие, эффекта быстрого «истощению» сигнала накачки, была предложена конструкция усилителя с отдельной линией для сигнала накачки, создающего волну магнитного потока, воздействующего на джозефсоновскую линию, по которой распространяются сигнал.
c
Нелинейные искажения в таком усилителе возникают по мере приближения амплитуды суммарного тока усиливаемого сигнала и «холостой» компоненты к величине критического тока джозефсоновских переходов I. Увеличения критического тока используемых джозефсоновских переходов не может быть приемлемым решением, так как приводит к увеличению внутренних шумов джозефсоновских переходов и усилителя и, следовательно, снижению его чувствительности (Ya. М. Blanter, М. Buttiker, "Shot noise in mesoscopic conductors," Phys. Reports, vol. 336, pp. 1-166, 2000; D. Rogovin, D. E. Scalapino, "Fluctuation phenomena in tunnel junctions," Annals of Physics, vol. 86, pp. 1-90, 1974).
Ранее би-СКВИДы были описаны как элементы квантовых фильтров, для чего их предлагалось объединять в цепочки или решетки. Двумерный массив би-СКВИДов, его характеристики и способы изготовления описаны, например в патенте US 9097751 (В1), US NAVY; 04.08.2015.
В патенте RU 2353051 С2, Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 20.04.2009, описан сверхпроводящий широкополосный СВЧ-усилитель, который содержит последовательную цепочку сегментов из двухконтактных (ПТ) СКВИДов формирования периодического треугольного отклика напряжения от величины магнитного поля смещения. Сегменты состоят из групп СКВИДов с одинаковыми эффективными площадями. Ток смещения выбран из условия обеспечения синусоидального отклика напряжения единичного ПТ СКВИДа от величины магнитного поля смещения. Недостаток состоит в том, что синусоидальный отклик напряжения единичного ПТ СКВИДа от величины магнитного поля смещения вызывает нелинейные эффекты, что уменьшает свободный от паразитных составляющих динамический диапазон (SFDR).
В заявке US2021265964 (A1), SEEQC INC., 26.08.2021 описаны ДПУБВ с улучшенным управлением и характеристиками. В предпочтительном варианте усилитель содержит интегрированную матрицу симметричных ВЧ-СКВИДов в структуре линии передачи. Устройство изготовлено с использованием ниобиевых сверхпроводящих интегральных схем и подтвердило предсказанные характеристики с максимальным усилением до 17 дБ и полосой пропускания 4 ГГц. Подобное устройство может быть использовано в качестве малошумящего микроволнового усилителя с малым рассеянием для выхода сверхпроводящего квантового компьютера, или в качестве предусилителя, переключателя или преобразователя частоты для чувствительного микроволнового приемника, или в качестве выходного усилителя для частотного преобразователя, мультиплексная сверхпроводящая детекторная матрица. Недостаток - синусоидальный отклик напряжения единичного ВЧ СКВИДа от величины магнитного поля смещения вызывает нелинейные эффекты, что уменьшает свободный от паразитных составляющих динамический диапазон (SFDR).
Наиболее близким по назначению является ДПУБВ, описанный в заявке US2022311400 (A1) GOOGLE LLC, 29.09.2022 - прототип. Копланарный волновод включает по меньшей мере один джозефсоновский переход, прерывающий центральную дорожку копланарного волновода; и по меньшей мере один шунтирующий конденсатор, соединенный с копланарным волноводом. Каждый шунтирующий конденсатор включает в себя соответствующую сверхпроводниковую дорожку, проходящую по верхней поверхности центральной дорожки копланарного волновода, и в котором зазор отделяет сверхпроводниковую дорожку от верхней поверхности центральной дорожки, и в котором копланарный волновод, включающий по меньшей мере один джозефсоновский переход и шунтирующий конденсатор, обеспечивает заданный общий импеданс для параметрического усилителя бегущей волны.
Отклик напряжения ДП от величины магнитного поля смещения сильно нелинейный, что вызывает нелинейность коэффициента усиления и уменьшает свободный от паразитных составляющих динамический диапазон (SFDR).
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы расширения свободного от паразитных составляющих динамического диапазона (SFDR) ДПУБВ, что и является техническим результатом изобретения.
Патентуемый параметрический усилитель бегущей волны содержит размещенные на подложке копланарный волновод, и связанные с ним сверхпроводящие квантовые интерферометры на основе джозефсоновских переходов (СКВИД),
Отличие состоит в следующем.
Сверхпроводящие квантовые интерферометры представляют собой структуры, содержащие два контура и три джозефсоновских перехода (би-СКВИД), при этом каждый би-СКВИД содержит плоские нижний и верхний сверхпроводящие слои, каждый из которых имеет первый элемент Г-образной формы (имеющий горизонтальную полку и соединенную с ней с одного конца стойку) и второй элемент прямоугольной формы, причем первые элементы установлены встречно под углом и в вершинах их полок указанные слои соединены.
В месте пересечения стоек первых элементов размещен один джозефсоновский переход, а два других джозефсоновских перехода установлены на концах стоек первых элементов и соединены с элементами прямоугольной формы по одну сторону их концов, а по другую сторону указанные сверхпроводящие слои соединены с образованием соответственно первого и второго контуров би-СКВИДов.
Би-СКВИДы соединены последовательно и подключены в разрыв к центральному проводнику копланарного волновода в областях первого контура би-СКВИДов, а также к земляным пластинам копланарного волновода через слои диэлектрика, параметры которых выбраны из условия заданного импеданса формируемого параметрического усилителя бегущей волны.
Параметрический усилитель может характеризоваться тем, что соединение би-СКВИДов с центральным проводником копланарного волновода выполнено посредством коммутирующих электродов в форме полос, расположенных перпендикулярно земляным пластинам копланарного волновода, при этом концы полос связаны с поверхностью земляных пластин через слои диэлектрика.
Технический результат обеспечивается за счет использования в линии усилителя структуры последовательно соединенных би-СКВИДов. Предложенная конструкция ДПУБВ содержит последовательную цепочку из би-СКВИДов, встроенную в копланарную СВЧ линию для формирования периодического треугольного отклика напряжения от величины магнитного поля смещения. При использовании би-СКВИДа улучшение линейности достигается за счет влияния третьего джозефсоновского перехода, ток через который увеличивается с увеличением абсолютной величины суммарного тока сигнальной и холостой волн и изменения распределения токов между основными джозефсоновскими переходами. Это приводит к уменьшению переходного тока, протекающего через тот переход Джозефсона, в котором реализуется наиболее нелинейная зависимость между током и фазой.
Дополнительный технический результат состоит в обеспечении компактности усилителя за счет плотного размещения би-СКВИДов между земляными электродами копланарной линии.
Существо изобретения поясняется на фигурах.
Фиг. 1 - электрическая эквивалентная схема линии ДПУБВ с би-СКВИДами.
Фиг. 2 - вариант топологии единичного би-СКВИДа с тремя джозефсоновскими переходами.
Фиг. 3 - конструкция единичного би-СКВИДа, что на фиг. 2, сечение по А-А.
0
Фиг. 4 - топология линии ДПУБВ со встроенной цепочкой би-СКВИДов и шунтирующими емкостями (С), образованными наложением верхнего и нижнего слоя металла.
Фиг. 5 - то же, что на фиг. 6, разрез по В-В.
b
dc
c3
Фиг. 6 - Зависимость тока через переход J3 би-СКВИДа от тока смещения I через би-СКВИД, к которому приложен постоянный магнитный поток ϕ=2π/3; 1=0.5, i=2.
c3
b
c
е
е
0
Фиг. 7 - Зависимость падение фазы Δϕ на двухконтактном СКВИДе и аналогичном би-СКВИДе с i=2 от тока смещения I/I в случае, когда приложен постоянный магнитный поток ϕ=2πΦ/Φ=2π/32, при 1=0.25.
c3
b
c
е
е
0
Фиг. 8 - Зависимость падение фазы Δϕ на двухконтактном СКВИДе и аналогичном би-СКВИДе с i=2 от тока смещения I/I в случае, когда приложен постоянный магнитный поток ϕ=2πΦ/Φ=2π/32, при 1=0.5.
c
c3
0
1
Электрическая эквивалентная схема линии ДПУБВ с би-СКВИДами представлена на фиг.1, где: L - геометрическая индуктивность, J1 и J2 - основные джозефсоновские переходы с одинаковым критическим током I, J3 - дополнительный джозефсоновский переход с критическим током I. С - шунтирующая емкость, обеспечивающая вместе с геометрической индуктивностью необходимый импеданс линии ДПУБВ. Копланарная линия с индуктивность L 1 и емкостями C индуктивно связана с би-СКВИДАми, коэффициент взаимоиндукции М.
m
Волна накачки, распространяющаяся по сопряженной сверхпроводниковой линии и создающая волну магнитного потока, обуславливает периодическую модуляцию величины максимального сверхпроводящего тока би-сквидов I и, следовательно, периодическую модуляцию эффективной индуктивности звеньев основной линии, по которой распространяются волна сигнала и «холостая» волна. Анализ характеристик усилителя, в котором используются СКВИДы постоянного тока для случая достаточно малой нормированной индуктивности двухконтактного СКВИДа описан ранее.
когда , где  - соответственно геометрическая индуктивность симметричного СКВИДа, критический ток джозефсоновских переходов и квант магнитного потока. В этом случае двухконтактный СКВИД ведет себя как джозефсоновский переход с критическим током.
где  - нормированная величина приложенного магнитного потока . Волна приложенного потока накачки модулирующая величину, обуславливает периодическую модуляцию эффективной индуктивности звеньев волноводной линии
dc
где ϕ - приложенный постоянный поток смещения. В случае, когда , это выражение принимает вид
соответствующий нормированной величине эффективной индуктивности звена волноводной линии
Волна магнитного потока накачки модулирует периодически (с частотой сигнала накачки) величину эффективной джозефсоновской индуктивности звена, задаваемой приложением постоянного магнитного потока.
b
b
b
b
Ток смещения I, который создается волной сигнала и «холостой» волной, обуславливает сдвиг по синусоиде в сторону одновременного увеличения (при I>0) или уменьшения (при I<0) фаз джозефсоновских переходов. При этом появляется падение фазы Δϕ на СКВИДе. За нелинейную связь тока смещения I с падением фазы Δϕ на СКВИДе отвечает или первый джозефсоновский переход при положительном токе смещения, или второй переход при обратном направлении тока смещения. В случае реального устройства, в котором , эффективная величина индуктивности звена волноводной линии формируется не только за счет джозефсоновской индуктивности, как в формулах (4), (5), но и за счет геометрической индуктивности СКВИДа. Увеличение вклада геометрической (линейной) индуктивности СКВИДа в индуктивность звена линии и, следовательно, понижение доли вклада джозефсоновской (нелинейной) индуктивности, уменьшает степень нелинейности ток-фазовой характеристики, но одновременно существенно уменьшает и глубину модуляции индуктивности звена линии.
Действительно, глубина модуляции  уменьшается как за счет увеличения эффективной индуктивности L, так и за счет уменьшения абсолютной величины ΔL вследствие уменьшения модуляции максимального сверхпроводящего тока СКИВДа с ростом нормированной величины индуктивности СКВИДа.
При использовании би-СКВИДа улучшение линейности достигается за счет влияния третьего джозефсоновского перехода, ток через который увеличивается с увеличением абсолютной величины тока смещения  Этот дополнительный ток через 3-й джозефсоновский переход создает некоторое перераспределение токов через основные джозефсоновские переходы, уменьшая ток через тот джозефсоновский элемент, в котором реализуется нелинейная связь между приращениями тока и фазы. При этом следует отметить, что такое перераспределение тока делается невозможным при , однако вполне достаточным является значение нормированной геометрической индуктивности l0.25÷1 Эффект улучшения линейности возрастает с увеличением критического тока  третьего джозефсоновского перехода и становится вполне достаточным при
Принцип выполнения единичного би-СКВИДа с тремя джозефсоновскими переходами J1, J2 и J3 показан на фиг. 2.
х
1
2
Позициями обозначены: 1 - нижний сверхпроводящий слой; 2 - верхний сверхпроводящий слой, 3 - основная петля би-СКВИДа; 4 - дополнительная петля би-СКВИДа; 5 - технологические токоподводы к нижнему слою (впоследствии удаляются); 6 - зоны соединения верхнего 2 и нижнего 1 сверхпроводящих слоев; 7 -разрыв в нижнем слое 1. Такая модификация СКВИДа постоянного тока превращает его в би-СКВИДа. Дополнительно включенный джозефсоновский переход J3 и основная геометрическая индуктивность L образуют одноконтактный СКВИД, осуществляющий нелинейное преобразование магнитного потока Φ входного сигнала в разность фаз джозефсоновских переходов ϕ - ϕ двухконтактного СКВИДАа.
Конструкция единичного би-СКВИДа показана на фиг. 3 в сечении по А-А (увеличено). Позициями обозначены: 10 - кремниевая подложка, 12 - изоляция, разделяющая нижний 1 и верхний 2 сверхпроводниковые слои; 13 - область джозефсоновского перехода J3; 15, 16 - зона контакта верхнего 2 и нижнего 1 сверхпроводящих слоев.
0
Топология участка линии ДПУБВ со встроенной цепочкой из двух би-СКВИДов и шунтирующими емкостями (С), образованными наложением верхнего 2 и нижнего 1 слоя металла показана на фиг. 4, 5. Указанная цепочка может содержать тысячи би-СКВИД. И их число определяется удлинением отдельной ячейки и общим необходимым коэффициентом усиления.
Позициями обозначены: 20, 21 - би-СКВИДы, 30, 31 - внешние заземленные электроды копланарной СВЧ линии, 32 - центральный проводник копланарной линии; 33 - коммутирующие электроды для последовательного соединения би-СКВИДов с центральным проводником 32 и подключения шунтирующих емкостей 34; 35 - области соединений отдельных би-СКВИДов, через прямой контакт верхнего и нижнего сверхпроводящих слоев 1 и 2. Диэлектрический слой 36, размещенный между концами электродов 33 и электродами 30 и 31, предназначен для образования шунтирующих емкостей 34.
После охлаждения до рабочих температур усилителя полезный СВЧ сигнал подается в копланарную линию и распространяется последовательно по би-СКВИДам (20, 21..n), где n - число ячеек усилителя. Сигнал накачки подается по внешним электродам 30, 31 копланарной линии. Сигнал накачки создает волну магнитного потока, воздействующего на цепочку би-СКВИДов (20, 21), по которой распространяются сигнал, при этом в контурах би-СКВИДов (20,21) создается синфазный магнитный поток, модулирующий параметры этой СВЧ линии. При перемножении на этой нелинейности полезного сигнала и сигнала накачки происходит увеличении амплитуды полезного сигнала.
Достижение технического результата обосновывается приведенными расчетами.
b
dc
c3
b
Зависимость тока через переход J3 би-СКВИДа от тока смещения I через би-СКВИД, к которому приложен постоянный магнитный поток ϕ=2π/3; l=0.5, i=2, показана на фиг. 6. При использовании би-СКВИДа улучшение линейности достигается за счет влияния J3 перехода, ток через который увеличивается с увеличением абсолютной величины тока смещения |I|.
Этот дополнительный ток через переход J3 создает перераспределение токов через основные джозефсоновские переходы, уменьшая ток через тот джозефсоновский элемент, в котором реализуется нелинейная связь между приращениями тока и фазы.
c3
b
c
е
е
0
Зависимость падения фазы Δϕ на двухконтактном СКВИДе и аналогичном би-СКВИДе с i=2 от тока смещения I/I в случае, когда приложен постоянный магнитный поток ϕ=2πΦ/Φ=2π/32, при l=0,25 показана на Фиг. 7.
c3
b
c
е
е
0
b
c
Зависимость падения фазы Δϕ на двухконтактном СКВИДе и аналогичном би-СКВИДе с i=2 от тока смещения I/I в случае, когда приложен постоянный магнитный поток ϕ=2πΦ/Φ=2π/32, l=0,5, показана на Фиг. 8. Видно, что использование би-СКВИДа позволяет увеличить линейную область до амплитуды тока смещения |I|I.
В то же время следует отметить, что улучшение линейности за счет использования би-СКВИДов сопровождается некоторым уменьшением глубины модуляции эффективной индуктивности би-СКВИДа под действием магнитного потока волны накачки, поскольку экранирующий фактор контура возрастает за счет возможности протекания дополнительного сверхпроводящего тока через переход.
b
c
Таким образом, патентуемое конструктивное выполнение параметрического усилителя на би-СКВИДах позволяет увеличить рабочий динамический диапазон свободный от нелинейных искажений до токов смещения |I|I, что и дает расширение свободного от паразитных составляющих динамического диапазона (SFDR) ДПУБВ.