СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ КВАНТОВАЯ РЕШЕТКА НА ОСНОВЕ СКИФ-СТРУКТУР

Область техники

Изобретение относится к криогенной радиоэлектронике, в том числе к активным широкополосным устройствам, и могут быть использованы в качестве детектора для приема и усиления электромагнитных сигналов в диапазоне частот от единиц герц до 10 ГГц.

Уровень техники

Устройства с джозефсоновскими контактами давно используются для детектирования магнитной компоненты сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных сигналов. Особенно активно для этих целей используются системы на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД), которые 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, позволяющие преобразовать приложенный магнитный сигнал в отклик напряжения.

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 (JP S60247311, Noguchi, 07.12.1985). Усилитель/преобразователь, использующий этот принцип, на частоте 100 МГц продемонстрировал коэффициент усиления порядка 20 дБ с шумовой температурой 1±0,4 К при использовании входного устройства, выполненного на коаксиальном кабеле (см. US 4585999, Hilbert et al., 29.04.1986). Принципы согласования входных и выходных цепей усилителя на СКВИД с нагрузкой подробно исследованы для диапазона до 0,1 ГГЦ (JP 60247311, Noguchi, on. 07.12.1985). В изобретении (JP 1245605, Takami et al., 29.09.1989) описан усилитель-преобразователь магнитного сигнала на СКВИДе постоянного тока, в котором для электрической подстройки согласования интерферометра с охлаждаемым предусилителем используется второй СКВИД как регулируемый индуктивный элемент согласующей цепи. Однако как рабочий диапазон частот, так и линейность преобразования для усилителей на одиночном низкотемпературном СКВИДе недостаточны для современных приложений.

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 (порядка 1…3 К). Во-первых, СКВИД-усилители являются особым видом параметрических усилителей, в которых усиление мощности сигнала на его частоте F_S происходит путем преобразования сигнала на частоту F_S+F_J, где F_J - 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:

Поэтому джозефсоновские переходы СКВИДа должны обладать высоким характеристическим напряжением - V_C, чтобы характерная частота джозефсоновской генерации

где Ф₀ - квант магнитного потока, равный 2,07×10^-15 Вб, была на несколько порядков выше частоты сигнала.

Для СКВИДов на основе Nb джозефсоновских контактов типичные значения V_C не превышают 100-200 мкВ, соответственно, значения F_C не превышают 50-100 ГГц. Типичные значения F_J в рабочей точке примерно на порядок меньше F_C 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 (порядка 20 дБ). Также без использования систем обратной связи для СКВИД-усилителей характерны малые значения динамического диапазона, то есть отношения максимального выходного сигнала Vmax к уровню шумов на выходе рассматриваемого устройства , задающему уровень минимального сигнала на выходе устройства:

Для решения указанных проблем 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.

Для увеличения линейности вольт-потокового преобразования систем на основе СКВИДов в изобретении KR 100774615 (Jin-Mok Kim et al., 2007.11.12, патент-аналог US 7453263) предложена специальная схема обратной связи, содержащая дополнительный джозефсоновский переход, однако предложенный метод увеличения линейности усилителя на основе СКВИДа существенно ограничивает максимальную рабочую частоту, так рабочая частота схемы обратной связи невелика.

В изобретениях US 2005231196 (Tarutani Y. et al., 20.10.2005) и US 7095227 (Tarutani Y. et al., 22.08.2006) описаны усилители на основе последовательной цепочки СКВИДов, представляющей собой простейшую сверхпроводящую квантовую решетку (СКР). Такие усилители позволяют использовать в качестве источника питания источник постоянного тока и занимают малую площадь. Однако такое устройство позволяет достичь лишь относительно малую линейность усиления сигнала (не более 20 дБ).

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 быстрой одноквантовой (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 увеличения динамического диапазона предлагалось перейти к усилителям, содержащим большое количество взаимосвязанных СКВИДов. Так, последовательная цепочка из регулярно расположенных одинаковых двухконтактных СКВИДов может быть использована в качестве основного элемента для усиления цифрового или аналогового сигнала, а также в качестве детектора магнитного поля. Нерегулярная цепочка СКВИДов, имеющих произвольные площади и ориентации интерферометров представляет собой так называемые сверхпроводящие квантовые интерференционные фильтры (СКИФ), которые также могут использоваться при построении СВЧ-усилителей. Особенность СКИФа вытекает из нерегулярности его структуры: он позволяет получить один центральный максимум вольт-полевого отклика в нуле внешнего магнитного поля.

Так, в изобретении (DE 3936686, Hoenig, 08.05.1991) описан усилитель на матрице СКВИДов, охлаждаемой жидким азотом, в тонкопленочном варианте, однако указывается, что он может работать до частот 100 МГц. В изобретении (US 6005380, Hubbell Stephen, 21.12.1999) описан усилитель для антенны с использованием магнито-связанных СКВИДов, образующих многоэлементную матрицу. Однако такое устройство предназначено для работы в существенно более узком диапазоне частот и характеризуется относительно низкой предельной рабочей частотой - 516 МГц.

Для создания усилителя тока с большими значениями выходного тока предлагалось использовать альтернативный вариант создания СКР - набор параллельно соединенных СКВИДов постоянного тока (JP 2003209299, Morooka et al., 25.07.2003). Данный усилитель обладает высокими значениями выходного тока, что позволяет использовать его в качестве входной цепи систем с прямой оцифровкой сигнала, однако, предложенное устройство не рассчитано на работу в гигагерцовом диапазоне частот.

В изобретении CN 101841077B (Y. Bian et al., 22.05.2013) описан перестраиваемый высокотемпературный сверхпроводящий (ВТСП) фильтр и способ его изготовления. Предложенный фильтр работает в высокочастотном диапазоне и, при необходимости, может характеризоваться широкой полосой пропускания. Однако задача реализации сверхпроводниковых электронных устройства для широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов на основе данного изобретения пока не решена.

Цепочку СКВИДов переменной площади (СКИФ) 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 (JPH 10028021, Takeda et al., 27.01.1998).

Описана структура с тремя джозефсоновскими контактами (US 8179133, Kornev et al., 15.05.2012; US 8933695, Kornev et al., 13.01.2015). 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 в данном случае влияние паразитных индуктивностей и емкостей затрудняет получение высоколинейного преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения. Аналогичное устройство, предназначенное для реализации на основе высокотемпературных сверхпроводников, описано в патенте RU 2544275 от 20.03.2015, однако пока не решена задача реализации требуемых сверхпроводниковых электронных устройств для широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов с использованием такой ячейки.

К наиболее важным непатентным публикациям, посвященным изложению новых теоретических подходов к анализу предельных характеристик, следует отнести следующие исследования:

- описание подходов к увеличению коэффициента усиления и уменьшения шумовой температуры в СВЧ СКВИД-усилителях (Archana Kamal, John Clarke, Michel Devoret. Gain, directionality and noise in microwave SQUID amplifiers: Input-output approach. Physical Review В - 2012, vol. 86, 144510);

- предложение прорывных решений для создания сверхпроводящих квантовых решеток (V. Kornev, I. Soloviev, A. Sharafiev, N. Klenov and О. Mukhanov. Active Electrically Small Antenna Based on Superconducting Quantum Array. IEEE Transactions on Applied Superconductivity - 2013, vol. 23(3), 1800405);

- описание методов сопряжения ВТСП СКВИД-усилителей со сверхпроводящими тонкопленочными фильтрами (Kalabukhov A.S., Tarasov М.А., Stepantsov Е.А., Gevorgian S., Deleniv A., Ivanov Z.G., Snigirev O.V., Vendik O.G., Mukhanov O.A. A high-Tc L-band SQUID amplifier combined with superconductive thin-film filters. Physica C: Superconductivity and its Applications - 2002, vol. 368, p. 171-175);

- исследование возможных подходов к созданию компактных двумерных структур на основе высоколинейных би-СКВИДов (S. Berggren, G. Prokopenko, P. Longhini, A. Palacios, O.A. Mukhanov, A. Leese de Escobar, B.J. Taylor, M.C. de Andrade, M. Nisenoff, R.L. Fagaly, T. Wong, E. Cho, E. Wong, V. In. Development of 2D Bi-SQUID Arrays with High Linearity. IEEE Transactions on Applied Superconductivity - 2013, vol. 23(3), 1400208).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является конструкция СВЧ-усилителя на основе последовательных цепочек СКВИДов постоянного тока, площади которых подобраны так, чтобы обеспечить 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 с заданной точностью параметров на сегодняшний день представляется чрезвычайно сложной технической задачей, что ограничивает величину достижимой в реальном эксперименте линейности преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения на уровне 50 дБ.

Раскрытие изобретения

Заявляемая сверхпроводящая квантовая решетка на основе СКИФ-структур содержит две соединенные дифференциально последовательные цепочки (1 и 2) СКИФ-структур (3), включающих параллельно соединенные джозефсоновские контакты (4) и соединительные индуктивности; средство задания магнитного поля смещения (5), подключенное к сверхпроводящему трансформатору (6), соединенному индуктивным образом с каждой СКИФ-структурой; средства задания постоянного тока питания и измерения напряжения (7).

Устройство может характеризоваться тем, что число соединенных параллельно джозефсоновских контактов в каждой СКИФ-труктуре составляет по меньшей мере 30 единиц.

Устройство может характеризоваться тем, что число соединенных последовательно СКИФ-труктур в каждой цепочке составляет по меньшей мере 100 единиц.

Устройство может характеризоваться тем, что количество джозефсоновских контактов в каждой СКИФ-структуре должно быть одинаково для каждой из цепочек.

Устройство может характеризоваться тем, что количество СКИФ-структур должно быть одинаково для каждой из цепочек.

Устройство может характеризоваться тем, что джозефсоновские контакты выполнены в виде слоистых тонкопленочных структур, содержащих: нижний сверхпроводящий электрод, нанесенный на нижний сверхпроводящий электрод слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами, нанесенный на слой изолятора.

Устройство может характеризоваться тем, что в качестве материала нижнего и верхнего сверхпроводящего электрода, сверхпроводящего трансформатора, сверхпроводящих соединений и между джозефсоновскими контактами в СКИФ-труктуре, и между СКИФ-труктурами в цепочке использован ниобий, алюминий или сплав на основе этих металлов.

Устройство может характеризоваться еще и тем, что в качестве материала слоя изолятора использован оксид алюминия Al₂O₃.

Устройство может характеризоваться еще и тем, что толщина нижнего сверхпроводящего электрода и верхнего сверхпроводящего электрода составляет 50-500 нм.

Устройство может характеризоваться еще и тем, что толщина слоя изолятора составляет 1-20 нм.

Технический результат изобретения состоит в повышении уровня выходного сигнала и линейности преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения за счет использования многоэлементных джозефсоновских структур, состоящих из двух дифференциально соединенных последовательных цепочек СКИФ-структур.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемой сверхпроводящей квантовой решетки на основе СКИФ-структур, где I_M - ток, задающий магнитное поле смещения ±B_DC, Ib - ток питания, B_ext - внешнее поле, превращаемое посредством сверхпроводящего трансформатора в поле, действующее на СКИФ-структуры B_tr, V_out1,2 - напряжение, снимаемое с последовательных цепочек СКИФ-структур.

На фиг. 2 проиллюстрирован принцип построения элементарной квантовой ячейки сверхпроводящей квантовой решетки, состоящей из двух плеч в виде дифференциально соединенных СКИФ-структур, каждая из которых есть цепочка параллельно соединенных джозефсоновских контактов. Здесь Ф - магнитный поток, создаваемый действующим на СКИФ-структуру магнитным полем; ±δФ - магнитный поток, создаваемый полем смещения, I₁, I₂ - токи, затекающие в левое и правое плечо ячейки соответственно, I_b - ток питания, I_e - затекающий в нагрузку, Re - сопротивление нагрузки.

На фиг. 3 показаны отклики напряжения сверхпроводящей квантовой решетки, состоящей из двух СКИФ-структур, каждая из которых содержит 10 джозефсоновских контактов с нормированной величиной индуктивностей связи l=0.5: без нагрузки при «критическом» токе смещения Ib=I_C (кривая 8); при токе смещения Ib=1.06I_C (кривая 9); нагруженной на резистивный импеданс Re=10R_N при том же токе смещения Ib=1.06I_C (кривая 10), где R_N - нормальное сопротивление плеча ячейки, LA и RA - левое и правое плечи элементарной квантовой ячейки соответственно.

На фиг. 4 - рассчитанные зависимости линейности функции отклика напряжения сверхпроводящей квантовой решетки от величины магнитного потока смещения с нормированными индуктивностями связи джозефсоновских контактов l=0.5 при разных амплитудах входного гармонического сигнала, которые соответствуют размаху напряжения на выходе ячейки, составляющему 30%, 50%, 60%, 70% и 80% (границы областей линейности 11, 12, 13, 14 и 15 соответственно). Видно, что для предлагаемого технического решения достижимым уровнем линейности преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения является 60…80 дБ, что намного выше реально достижимых характеристик ближайшего аналога.

Позициями на чертежах обозначены: 1 и 2 - соединенные дифференциально последовательные цепочки СКИФ-структур; 3 - СКИФ-структуры, состоящие из параллельно соединенных джозефсоновских контактов; 4 - джозефсоновские контакты; 5 - средство задания магнитного поля смещения; 6 - сверхпроводящий трансформатор; 7 - редства задания постоянного тока питания и измерения напряжения.

Осуществление изобретения

Сверхпроводящая квантовая решетка на основе СКИФ-структур (см. фиг. 1 и 2) представляет собой соединенные дифференциально последовательные цепочки (1 и 2) СКИФ-структур (3). Каждая СКИФ-структура состоит из параллельно соединенных джозефсоновских контактов (4) в резистивном состоянии, включенных дифференциально и смещенных взаимно ротивоположно некоторым магнитным потоком δФ при помощи средства задания магнитного поля смещения (5). Полный ток питания для каждой цепочки, задаваемый через средства задания постоянного тока (7) превышает максимальную величину критического тока цепочки и, таким образом, обуславливает ее переход в резистивное состояние. Сверхпроводящий трансформатор (6) превращает внешнее магнитное поле в приложенный к СКИФ-структурам сигнал, формирующий для каждой из них отклик напряжения, складывающийся при последовательном соединении в отклик цепочки.

Заявляемая схема характеризуется тем, что при дифференциальном сложении откликов последовательных цепочек результирующее преобразование магнитного сигнала в отклик напряжения будет обладать высокой линейностью.

Цепочка соединенных дифференциально квантовых ячеек фактически представляет собой две дифференциально включенные последовательные цепочки правых и левых плеч квантовых ячеек (СКИФ-структур, включающих параллельно соединенные джозефсоновские контакты). Каждая из этих цепочек индуктивно связана с общим трансформатором магнитного потока. Все квантовые ячейки должны находиться в одинаковом резистивном состоянии, что достигается заданием одинакового тока смещения цепочек Ib, превышающего критический ток плеча квантовой ячейки. Ко всем элементам этих цепочек прикладывается одинаковый входной сигнал (магнитный поток). Ток магнитного смещения I_M протекает непосредственно по сторонам общего трансформатора, совпадая по направлению с круговым током входного сигнала в одной стороне трансформатора и имея противоположное сигнальному току направление в другой стороне трансформатора.

На фиг. 3 показан вид откликов напряжения сверхпроводящей квантовой решетки (т.е. среднее напряжение на сверхпроводящей квантовой решетке, величина которого зависит от величины магнитного потока, создаваемого действующим на СКИФ-структуру магнитным полем), состоящей из двух СКИФ-структур, каждая из которых содержит 10 джозефсоновских контактов с нормированной величиной индуктивностей связи l=0.5:

без нагрузки при «критическом» токе смещения Ib=I_C (кривая 8);

без нагрузки при токе смещения Ib=1.06I_C (кривая 9).

Наиболее оптимальным значением тока смещения является величина Ib=1.06I_C, позволяющая достигать линейности отклика до 100…105 дБ при магнитном смещении плеч ячейки 0.65…0.7 квантов магнитного потока Ф₀.

Для случая, когда сверхпроводящая квантовая решетка нагружена на резистивный импеданс Re=10R_N (R_N - нормальное сопротивление СКИФ-структуры) при том же токе смещения Ib=1.06I_C возникает отклонение реально питающих цепочки СКИФ-структур токов I₁ и I₂ от задаваемых значений. Рассчитанный отклик для этого случая представлен на кривой 10. Уменьшение тока питания позволяет в значительной степени скомпенсировать влияние нагрузки и получить отклик, близкий к отклику, показанному кривой 9, если соотношения между импедансами Re и R_N не менее 10.

На фиг. 4 продемонстрировано, как зависят линейности функции отклика напряжения сверхпроводящей квантовой решетки от величины магнитного потока смещения с нормированными индуктивностями связи джозефсоновских контактов l=0.5 при разных амплитудах входного гармонического сигнала, которые соответствуют размаху напряжения на выходе ячейки. При задании магнитного смещения 0.7 для достижения наилучшей линейности, составляющей 70…80 дБ и намного превосходящей линейность преобразования в прототипе изобретения, полный размах отклика простейшей сверхпроводящей квантовой решетки будет составлять примерно 1.4V_C.

Высокая линейность (70…80 дБ) характеристик активных устройств на основе сверхпроводящих квантовых решеток обеспечивается высокой линейностью отклика квантовой ячейки, состоящей из двух соединенных дифференциально и смещенных взаимно ротивоположно магнитным потоком δФ (величиной 0.65 Ф₀…0.7Ф₀) СКИФ-структур, а динамический диапазон может быть существенно увеличен с увеличением числа K квантовых ячеек в решетке. Если DR₁ - динамический диапазон одной элементарной квантовой ячейки, то динамический диапазон решетки, содержащей K квантовых ячеек, может достигать величины DR=DR₁K^1/2. Изменение соотношения между числом последовательно включенных квантовых ячеек и числом джозефсоновских контактов в СКИФ-структуре, включенных параллельно, позволяет изменять выходной импеданс сверхпроводящей квантовой решетки, добиваясь выполнения соотношения Re>10R_N. Оценки для радиуса взаимодействия между джозефсоновскими контактами на сигнальной (низкой) частоте позволяют определить оптимальное для максимизации динамического диапазона значение N как 30…40 единиц. Оценки для ожидаемой величины резистивного импеданса нагрузки Re (порядка 50 Ом) позволяют установить, что минимальное количество последовательно соединенных СКИФ-структур в цепочке K составляет 100 единиц.

Приведенные выше источники подтверждают обоснованность и актуальность подхода к реализации сверхпроводниковых детекторов. Технологическая применимость: для реализации заявляемого устройства, могут быть использованы материалы, применяемые в криоэлектронной технике и известные специалистам. В качестве подложки, на которой расположены все элементы сверхпроводящей квантовой решетки, могут быть использованы любые стандартные подложки (кремний, сапфир и пр.). В качестве материала для слоя изолятора - оксид алюминия. В качестве материала для сверхпроводящих элементов - ниобий, алюминий, а также нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец. Типичные толщины слоев для патентуемой структуры находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники.

Общая эффективность электрически малых антенн трансформаторного типа зависит от площади трансформатора, коэффициента трансформации потока в квантовые ячейки и числа ячеек в цепочке, которая может располагаться в основном по контуру трансформатора. При этом общее число квантовых ячеек увеличивается пропорционально увеличению периметра трансформатора. Поскольку индуктивность трансформатора (оптимальной квадратной формы) пропорциональна его периметру (стороне квадрата а), то магнитный поток, приложенный к одной квантовой ячейке, растет с увеличением стороны квадратного трансформатора как а. Как следствие, крутизна преобразования магнитной компоненты падающей электромагнитной волны в напряжение на последовательной цепочке квантовых ячеек увеличивается с увеличением стороны а квадратного трансформатора как а². При этом динамический диапазон такой антенны, увеличивающийся пропорционально корню квадратному из числа квантовых ячеек, будет увеличиваться с увеличением стороны а как а^0.5. При использовании одной из наиболее освоенных и широко используемых технологий изготовления сверхпроводниковых интегральных схем, которой является ниобиевая технология с плотностью критического тока туннельных джозефсоновских структур 4.5 кА/см², правила проектирования топологии сверхпроводниковых структур (http://www.hypres.com/wp-content/uploads/2010/11/DesignRules-4.pdf), в том числе доступные размеры составных элементов, позволяют сделать следующие оценки возможного количества квантовых ячеек в антенне. В случае использования чипа размером 5×5 мм², антенна трансформаторного типа может содержать до 100 дифференциальных ячеек, а на чипе размером 10×10 мм² - до 200 дифференциальных ячеек.