СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СКВИДА С ЧЕТЫРЬМЯ ДЖОЗЕФСОНОВСКИМИ КОНТАКТАМИ
SHF-AMPLIFIER BASED ON HIGH-TEMPERATURE SQUID WITH FOUR JOSEPHSON CONTACTS

Область техники
Изобретение относится к криогенной электронике и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.
Уровень техники
Радиочастотные усилители на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД) имеют высокую чувствительность и обладают низкой шумовой температурой, совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами. СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо, содержащее один или два джозефсоновских контакта, имеет согласующие и измерительные устройства.
Описаны различные конструкции и схемотехнические решения сверхпроводниковых усилителей СВЧ-диапазона. В частности, описана схема согласованного усилителя на СКВИДе с нагрузкой для диапазона до 0,1 ГГц (JPS60247311, Noguchi, 07.12.1985). Однако как рабочий диапазон частот, так и линейность преобразования для усилителей на одиночном низкотемпературном СКВИДе недостаточны для современных приложений.
S
S
J
J
Существуют две проблемы, затрудняющие переход к более высоким частотам сигналов 1-10 ГГц при сохранении характерных для сверхпроводниковых устройств высоких показателей по усилению и шумовой температуре. Во-первых, СКВИД-усилители являются особым видом параметрических усилителей, в которых усиление мощности сигнала на его частоте F происходит путем преобразования сигнала на частоту F+F, где F - частота джозефсоновской генерации, и последующем преобразовании вниз, снова на частоту сигнала. Исходя из соотношений Мэнли-Роу, коэффициент усиления по мощности, G, такого усилителя не превышает:
<mrow><mi>G</mi><mo>≈</mo><mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mi>J</mi></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>F</mi><mi>S</mi></msub><mo>.</mo></mrow></mrow><mtext>                                    </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
C
Поэтому джозефсоновские переходы СКВИДа должны обладать высоким характеристическим напряжением - V, чтобы характерная частота джозефсоновской генерации
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>C</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>Ф</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext>                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mrow>
0
-15
где Ф - квант магнитного потока, равный 2,07×10 Вб, была на несколько порядков выше частоты сигнала.
C
C
J
C
Для СКВИДов на основе Nb джозефсоновских контактов типичные значения V не превышают 100-200 мкВ, соответственно, значения F не превышают 50-100 ГГц. Типичные значения F в рабочей точке примерно на порядок меньше F и, как видно из формулы (1), усиление исчезает для сигналов с частотой порядка 10 ГГц. Естественно ухудшаются и шумовые характеристики усилителя.
Второй проблемой для СВЧ-усилителей на основе классических СКВИДов с многовитковой входной катушкой в частотном диапазоне выше 0,01 ГГц является нелинейный вид отклика на задаваемое извне магнитное поле и невозможность линеаризации отклика с использованием традиционных систем обратной связи на таких высоких частотах, что ведет к невысокому уровню линейности усиления.
C
C
Решение первой проблемы - повышения характеристического напряжения V, лежит в использовании в СКВИДах высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) джозефсоновских контактов, которые демонстрируют значения V в милливольтовом диапазоне и могут обеспечить значительное усиление на частотах до 10 ГГц. Также для решения первой проблемы могут использоваться многоэлементные джозефсоновские структуры, в том числе состоящие из N последовательно или параллельно соединенных СКВИДов. Сложение откликов от составляющих такую цепочку СКВИДов как раз и позволяет достигнуть требуемого уровня усиления.
В изобретении (US 7095227, Tarutani et. al., 22.08.2006) описан усилитель на последовательной цепочке СКВИДов, позволяющий использовать в качестве источника питания источник постоянного тока и занимающий малую площадь. Однако такое устройство позволяет достичь лишь относительно малую линейность усиления сигнала.
Были предложены усилители-драйверы для гигагерцового диапазона (до десятков ГГц) на основе цепочек СКВИДов, разделенных на изолированные от земли пары, для уменьшения паразитных емкостей в системе (US 6486756, Tarutani, 26.11.2002), однако такие усилители пригодны лишь для цифровых применений и не могут быть использованы для усиления аналогового сигнала. Примером усилителя сигналов БОК-логики, преобразующего их на выходе в импульсы напряжения с величиной, достаточной для использования полупроводниковой электроники, является изобретение (US 6917216, Herr Quentin, 14.10.2004), использующее разделение и переотражение выходного БОК-импульса для получения достаточных значений выходных импульсов напряжения. Но это предложение опять же рассчитано исключительно на применения в цифровых устройствах.
Для создания усилителя тока с большими значениями выходного тока предлагалось использовать набор параллельно соединенных СКВИДов постоянного тока (JP 2003209299, MOROOKA et al., 25.07.2003). Однако это предложение не рассчитано на работу в гигагерцовом диапазоне.
Цепочку СКВИДов переменной площади предлагали использовать в качестве высокочувствительного магнетометра (WO 01/25805, Schopohl et al., 12.04.2001; US 7369093, Oppenlander et al., 06.05.2008), однако описанные структуры не дают необходимой линейности усиления сигнала. Не дают достаточной линейности преобразования входного магнитного сигнала в выходное напряжение и неоднородные параллельные цепочки контактов (US 7369093), не позволяющие ко всему прочему добиться значительных значений выходного сигнала.
Известен сверхпроводящий широкополосный СВЧ усилитель, содержащий подключенную к входной и выходной сверхпроводящим линиям последовательную цепочку двухконтактных СКВИДов, связанных со средствами задания рабочих режимов тока и магнитного поля (JPH10028021, Takeda et al., 27.01.1998). Описана конструкция СВЧ-усилителя на линейных цепочках СКВИДов постоянного тока, имеющего повышенный коэффициент усиления и высокую линейность в полосе частот 1-10 ГГц (RU 2353051, Корнев и др., 06.06.2007). Однако реализация требуемых цепочек СКВИДов на основе ВТСП технологически не решена, что ограничивает область перспективных применений усилителя.
Описана структура с тремя джозефсоновскими контактами (US 8179133, Kornev et al, 15.05.2012; S. Berggren, G. Prokopenko et al, "Development of 2D Bi-SQUID Arrays with High Linearity", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.23, Iss.3, p.1400208, 2013). В этом элементе параллельно основной индуктивности двухконтактного сквида предложено включить третий джозефсоновский переход, который находится всегда в сверхпроводящем состоянии и играет роль нелинейной индуктивности. Подключение джозефсоновского контакта параллельно индуктивности СКВИДа образует двойной СКВИД, далее именуемый как би-СКВИД. Такая ячейка позволяет добиться достаточно высокой линейности преобразования входного сигнала в выходное напряжение усилителя, однако и в данном случае реализовать предложенную структуру на основе высокотемпературных бикристаллических джозефсоновских контактов не представляется возможным.
Наиболее близким к патентуемому усилителю является сверхпроводящий СВЧ-усилитель на высокотемпературном СКВИДе (RU 2325004, Калабухов, Снигирев, 20.05.2008 - прототип). СВЧ-усилитель содержит двухконтактный квантовый интерферометр на основе слоистой структуры (ВТСП)/изолятор/нормальный металл, сформированной на изолирующей бикристаллической подложке, связанный с входной и выходной линиями передачи, средства электрического согласования. Линии передачи выполнены в виде копланарных линий, установленных соосно интерферометру и имеющих протяженный центральный электрод, образованный в слое ВТСП на поверхности подложки, и размещенную с зазором по обе стороны от центрального электрода по меньшей мере одну пару внешних электродов, образованных в слое нормального металла, выполняющих функцию обкладок конденсаторов средств электрического согласования. Однако преобразование магнитного сигнала в напряжение в интерферометре такого усилителя по-прежнему остается нелинейным.
Раскрытие изобретения
Предметом настоящего изобретения является конструкция СВЧ-усилителя на основе высокотемпературного СКВИДа постоянного тока, имеющего повышенную линейность преобразования приложенного магнитного сигнала в отклик напряжения.
Патентуемый СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа включает параллельно соединенные первый и второй джозефсоновские контакты, образованные в слое высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) в форме петли и размещенные вдоль бикристаллической границы подложки, и входной индуктивный элемент, включенный между смежными токоподводами упомянутых джозефсоновских контактов.
Отличие состоит в том, что дополнительно введены третий и четвертый джозефсоновские контакты, причем критический ток первого и второго джозефсоновских контактов совпадает, третьего - меньше величины критического тока первого и второго переходов, а четвертого контакта - превышает эту величину.
Петля в слое ВТСП замкнута дорожкой, которая дважды пересекает бикристаллическую границу и образует замкнутый контур с упомянутым индуктивным элементом, расположенным по одну сторону бикристаллической границы.
Третий и четвертый джозефсоновские контакты размещены в местах пересечений упомянутой дорожки с бикристаллической границей, а ширина дорожки в месте размещения четвертого джозефсоновского контакта превышает одноименную для третьего джозефсоновского контакта.
Усилитель может характеризоваться тем, что отношение критического тока упомянутого четвертого джозефсоновского контакта к критическому току остальных джозефсоновских контактов более 4.
2
3
7-x
2
Усилитель может характеризоваться и тем, что бикристаллическая подложка выполнена из сапфира с углом разориентации границы 24°, а также тем, что слой ВТСП представляет собой соединение общей формулы YBaCuO и образован на подслое из CeO.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении повышенной линейности отклика без использования цепей обратной связи в гигагерцовом диапазоне частот.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена блок-схема СВЧ-усилителя;
На фиг.2 представлена принципиальная схема двухконтактного СКВИДа с дополнительно введенными двумя джозефсоновскими контактами;
На фиг.3 представлена схематическая топология слоя ВТСП на изолирующей бикристаллической подложке с двумя идентичными джозефсоновскими контактами и дополнительным нелинейным джозефсоновским шунтированием индуктивного элемента;
На фиг.4 представлен расчетный вид вольт-потоковой зависимости би-СКВИДа с четырьмя джозефсоновскими контактами в сравнении с вольт-потоковой зависимостью двухконтактного СКВИДа;
C
C
На фиг.5 представлены отклики напряжения последовательно соединенных би-СКВИДов в случае номинальной величины критического тока I джозефсоновских переходов и в случае ±2%-го отклонения I от номинального значения.
Осуществление изобретения
В основе изобретения лежит оптимизация конструкции устройства сверхпроводящего высокотемпературного СВЧ-усилителя на СКВИД: параллельно основной индуктивности двухконтактного СКВИДа подключены два последовательно соединенных джозефсоновских контакта, которые находятся всегда в сверхпроводящем состоянии и играют роль нелинейной индуктивности. Введение дополнительного нелинейного шунтирования индуктивного элемента посредством джозефсоновских контактов обеспечивает нелинейное преобразование входного магнитного сигнала в джозефсоновскую фазу двухконтактного интерферометра, что обеспечивает при надлежащем подборе параметров линейную зависимость выходного напряжения от величины приложенного потока.
i
B
СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа (фиг.1, 2) содержит входную линию 1, би-СКВИД 2 с четырьмя джозефсоновскими контактами 21, 22, 23 и 24. Входная линия 1 характеризуется внутренним импедансом Z (поз.3) и индуктивным элементом 4, задающим магнитный поток Ф через индуктивный элемент би-СКВИДа 2. Схема включает линию 5 задания рабочей точки би-СКВИДа, причем величина протекающего через эту линию тока равна I, и выходную линию 6.
Би-СКВИД с четырьмя джозефсоновскими контактами представляет (фиг.3) структуру, размещенную на сапфировой бикристаллической подложке 7 с бикристаллической границей 8. Кристаллофизические параметры подложки и технология образования слоистой структуры (условно обозначена поз.9) в данном описании не приводятся и известны из уровня техники (см., например, E. Stepantsov et al., THz Josephson properties of grain boundary YBaCuO junctions on symmetric, tilted bicrystal sapphire substrates, J. Appl. Phys., v.96, N 6, pp.3357-3361, 2004).
СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного би-СКВИДа 2 включает идентичные и параллельно соединенные первый 21 и второй 22 джозефсоновские контакты, образованные в слое 10 высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) в форме петли и размещенные вдоль бикристаллической границы 8 подложки 7.
C(24)
C(21,22)
C(23)
Высокотемпературный би-СКВИД 2 содержит индуктивный элемент 11, включенный между смежными токоподводами джозефсоновских контактов 21 и 22, который также образован в слое 10. Введены третий 23 и четвертый 24 джозефсоновские контакты, причем критический ток первого и второго контактов 21 и 22 совпадает, третьего контакта - меньше этой величины, а четвертого контакта - превышает эту величину, т.е. I>I>I.
Слой 10 ВТСП в форме петли соединен с дорожкой 12, которая дважды пересекает бикристаллическую границу 8 и образует замкнутый контур с индуктивным элементом 11, расположенным по одну сторону 13 бикристаллической границы 8. По другую сторону 14 границы 8 размещены части 15, 16 слоя ВТСП.
a
a
a
Третий и четвертый джозефсоновские контакты 23, 24 размещены в местах пересечений упомянутой дорожки 12 с бикристаллической границей 8. Ширина b дорожки 12 в месте 17 размещения четвертого джозефсоновского контакта 24 превышает одноименную  для третьего джозефсоновского контакта, таким образом, что <0,2b (снизу величина  ограничена возможностями современной технологии). Это необходимо для того, чтобы обеспечить надлежащий вид преобразования входного магнитного сигнала в джозефсоновскую фазу двухконтактного интерферометра и упомянутой джозефсоновской фазы интерферометра - в выходной отклик напряжения.
C(23)
C(21,22)
Отношение критического тока джозефсоновского контакта 24 к критическому току джозефсоновских контактов 21, 22 более четырех. Это условие выбрано из соображений оптимизации линейности отклика напряжения и его амплитуды. Отношение нормированной индуктивности l индуктивного элемента 11 к нормированной индуктивности дорожки 12 более 10. Принципы подбора оптимального значения l в данном описании не приводятся и известны из уровня техники (см., например, Kornev V., Soloviev I., Klenov N., Mukhanov O., "Bi-SQUID: a novel linearization method for dc SQUID voltage response", Supercond. Sci. Technol., vol.22, p.114011, 2009). Отношение критического тока джозефсоновского контакта 23 к критическому току джозефсоновских контактов 21, 22 может находиться в диапазоне 0,5-1, т.е. I=(0,5-1)I и выбрано так, чтобы обеспечить надлежащий вид преобразования входного магнитного сигнала в джозефсоновскую фазу двухконтактного интерферометра и упомянутой джозефсоновской фазы интерферометра - в выходной отклик напряжения.
2
2
3
7-x
2
2
2
2
C
Структура непосредственно самого высокотемпературного би-СКВИДа 2 имеет два слоя: по всей плоскости подложка 7 покрывается подслоем оксида церия CeO, поверх которого без разрыва вакуума наносится пленка ВТСП - соединение YBaCuO. Далее при необходимости для формирования входных и выходных линий на подложку со сформированной литографией в слоях CeO/YBCO структурой наносится слой изолятора - SiO, и в нем литографией формируют часть элементов согласования. Затем наносится слой золота, в котором формируют остальные элементы СВЧ-усилителя. Толщины пленок составляют: подслой CeO - 30 нм, слой ВТСП (YBCO) - 250 нм, слой SiO - 400 нм, слой золота - 200 нм. Бикристаллические сапфировые подложки с углом разориентации 24° обеспечивают получение значений характерного джозефсоновского напряжения V на уровне 0,2 мВ при 77 K (A. Kalabukhov, et al., "Design, fabrication and experimental investigation of high-Tc dc SQUID RF amplifier with a slot-line input circuit" - in Extended Abstract of International Superconductive Electronics Conference (ISEC'05), Noordwijkerhout, The Netherlands, September 5-9, 2005, Report P-H 23).
C
C
На фиг.4 представлен расчетный вид вольт-потоковой зависимости би-СКВИДа с четырьмя джозефсоновскими контактами в сравнении с вольт-потоковой зависимостью двухконтактного СКВИДа. Из сравнения представленных результатов видно, что при величине нормированной индуктивности l=0,5 двухконтактного интерферометра и отношении критического тока I контакта 24 к критическому току I контактов 21(22), равному 4, отклик напряжения V би-СКВИДа на магнитный сигнал Ф существенно линеаризуется, обеспечивая достижение технического результата. Для достижения технического результата необходимо также чтобы отношение нормированной индуктивности l индуктивного элемента 11 к нормированной индуктивности дорожки 12 было более 10.
C
На фиг.5 представлены отклики напряжения V последовательно соединенных би-СКВИДов в случае номинальной величины критического тока I джозефсоновских контактов и в случае ±2%-го отклонения критического тока от номинального значения. Видно, что отклонение критического тока от номинального значения приводит в основном к изменению амплитуды откликов, практически не изменяя при этом линейности и формы откликов.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата в гигагерцовом диапазоне частот в части повышения линейности отклика без использования цепей обратной связи.