Исследование возможности усиления радиочастотного сигнала

УДК 537.312.62; 621.385.68 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УСИЛЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА СВЕРХПРОВОДЯЩИМ КВАНТОВЫМ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМ ФИЛЬТРОМ © 2008 г. , , , Д. Винклер, , Поступила в редакцию 15.05.2007 г. Спроектирован, изготовлен и протестирован лабораторный макет усилителя радиочастотных сигналов в диапазоне 1…10 ГГц на основе высокотемпературных сверхпроводящих квантовых интерференционных фильтров (СКИФов) с использованием технологии бикристаллических подложек. Приведены результаты численного моделирования и измерений основных характеристик макета СКИФ-усилителя. ВВЕДЕНИЕ Криогенные усилители радиочастотного диапазона на основе низкотемпературных (НТСП) сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов) обладают рекордными значениями шумовой температуры T ш = 50 ± 10 мК на частоте 0.5 ГГц при температуре устройства 0.1 К . Эти значения шумовой температуры примерно в 40 раз меньше, чем достигаемые в настоящее время на этих частотах с использованием охлаждаемых полупроводниковых усилителей с высокой подвижностью носителей . Типичные значения коэффициента усиления НТСП СКВИД-усилителей порядка 20 дБ на частотах ниже 1 ГГц и 10…12 дБ на частотах 1…4 ГГц . При этом энергопотребление СКВИД-усилителя на несколько порядков меньше, чем у полупроводниковых аналогов. Основным недостатком СКВИД-усилителя является низкий динамический диапазон, ограниченный небольшим линейным участком на синусоидальной вольт-полевой характеристике (ВПХ) СКВИДа. Применение отрицательной обратной связи, широко используемой на низких частотах (до 10 МГц), на высоких частотах становится проблематичным . При этом размах ВПХ и, следовательно, динамический диапазон усилителя, определяются только значением характеристического напряжения джозефсоновских переходов V хар . Характеристическое напряжение также определяет максимальные усиление и рабочую частоту СКВИДа. С радиофизической точки зрения СКВИД можно представить как частный случай параметрического усилителя, в котором частотой накачки является собственная джозефсоновская частота колебаний F дж = 2piV хар /? 0 , где ? 0 = = 2 ? 10 -15 Вб — один квант потока. В таком случае максимальное усиление СКВИДа определяется отношением между джозефсоновской частотой и частотой сигнала F с : G ? F дж /F с = 2piV хар /? 0 F с . (1) Эта формула объясняет наблюдаемое уменьшение усиления НТСП СКВИДов при увеличении частоты сигнала от 1 до 8 ГГц: измеренный коэффициент усиления СКВИДа снижается с 20 до 5 дБ . Характеристическое напряжение переходов определяется только материалом сверхпроводника и рабочей температурой СКВИДа. Для используемых в НТСП СКВИДах трехслойных Nb-AlO x -Nb джозефсоновских переходов эта величина не превышает 100…200 мкВ. В высокотемпературных (ВТСП) СКВИДах при T = 4 К характеристическое напряжение может быть как минимум на порядок выше, чем в НТСП. Поэтому представляет интерес реализовать радиочастотный усилитель на ВТСП СКВИДах, в которых размах ВПХ и крутизна преобразования сигнала V ? (V ? = ?V/?? ? V хар /? 0 ) могут быть на порядок выше . Еще больший выигрыш в величине динамического диапазона и V ? может быть получен при использовании сверхпроводящего квантового интерференционного фильтра (СКИФа) . В простейшем виде СКИФ представляет собой одномерную цепочку СКВИДов (последовательную или параллельную). При условии, что площади контуров квантования отдельных интерферометров не подчиняются общему закону (т.е. распределены случайным образом), ВПХ СКИФа состоит из одиночного пика при нулевом магнитном поле. Высота пика в последовательном СКИФе растет при увеличении числа интерферометров . Это дает несомненное преимущество СВЧ-усилителю на основе СКИФа перед обычным СКВИДом: значительно больший размах ВПХ определяет максимальный коэффициент усиления и динамический диапазон. Очевидным недостат (а) 1 50 (б) Рис. 1. Шаблонная маска структуры СКИФа (а), участок массива СКИФа с изображением положения щелевой линии (б); пунктирная линия — положение бикристаллического шва. ком СКИФа является то, что линейный размер цепочки значительно превышает размер одиночного СКВИДа, и это усложняет задачу его согласования с внешним источником сигнала на высокой частоте. Цель данной работы — изучение возможности реализации лабораторного макета усилителя радиочастотных сигналов в диапазоне 1…10 ГГц на основе последовательного ВТСП СКИФа. На первом этапе были разработаны общая схема и дизайн последовательного ВТСП СКИФа на бикристаллической подложке. Затем решалась проблема согласования последовательной цепочки интерферометров с источником сигнала 50 Ом в диапазоне частот 0.1…10 ГГц. В работе приведены результаты численного моделирования СВЧусилителя на основе СКИФа, изложены основные этапы изготовления устройства, обсуждаются результаты измерений характеристик СКИФ-усилителя на постоянном токе и в СВЧ-диапазоне. 1. ТОПОЛОГИЯ УСИЛИТЕЛЯ Основные элементы усилителя на основе СКИФа размещались в разных слоях тонкопленочной интегральной структуры. В нижнем слое ВТСП (YBCO) была размещена структура СКИФа с необходимыми контактными площадками. Антенна, передающая сигнал в СКИФ, была размещена в верхнем слое нормального металла (Au), отделенного от ВТСП-пленки слоем диэлектрика (SiO 2 ). При проектировании усилителя учитывалось, что на частоте 5 ГГц длина электромагнитной волны составляет 6 см, соответственно длина электромагнитной волны в SiO 2 (? ? 3.8) составляет ? ? 3 см, поэтому длина массива СКВИДов не должна превышать ?/8 ? 3.5 мм, чтобы структуру усилителя можно было рассматривать как сосредоточенную. Вольт-полевая характеристика СКИФа имеет один ярко выраженный пик при количестве СКВИДов N ? 30 , при этом при увеличении числа СКВИДов N растут значения крутизны преобразования и динамического диапазона и, естественно, длины структуры при фиксированном минимально технологическом дискрете (в нашем случае 3 мкм). В первых экспериментах значение N было выбрано равным 50, что представляется разумным компромиссом между технологическими и электродинамическими требованиями. Кроме того, с увеличением N также увеличивается и динамическое сопротивление R д СКИФа, который должен обладать импедансом, близким к импедансу нагрузки 50 Ом. При типичных ВТСП, для которых R д одиночного СКВИДа равно 1…2 Ом, сопротивление последовательно включенных N = 50 интерферометров будет лежать в диапазоне 50…100 Ом. По этой причине мы использовали последовательный вариант СКИФа, который, однако, более чувствителен к разбросу параметров джозефсоновских переходов, чем параллельный . На рис. 1 изображена шаблонная маска структуры последовательного СКИФа, состоящего из 50 интерферометров со случайным образом распределенными площадями приемных контуров в интервале 40…400 мкм 2 . Каждый отдельный контур интерферометра представляет собой щель в ВТСП-пленке с фиксированной шириной 4 мкм. Ширина джозефсоновских переходов составляет 3 мкм. Для возможности измерения характеристик отдельных интерферометров в структуру СКИФа были заложены дополнительные контактные площадки и разводка от них к семи парциальным интерферометрам СКИФа. Для заведения внешнего ВЧ-сигнала проектировалась щелевая линия, сформированная в слое нормального металла (золотая пленка толщиной 200 нм, изготовленная методом магнетронного распыления). Щелевая линия изолировалась от ВТСП-пленки слоем двуокиси кремния (SiO 2 ) толщиной 400 нм, также изготовленной методом магнетронного распыления. В простейшем случае геометрия щелевой линии шириной 10 мкм представляла собой меандр, расположенный над структурой СКИФа и огибающий каждый отдельный интерферометр для обеспечения максимальной связи по магнитному потоку (см. рис. 1б). Линия S 11 , S 12 , S 22 , дБ -5 S 11 -10 S 22 -15 S 12 f, ГГц -20 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 S 11 , S 21 , дБ 0 S 11 -10 -20 -30 -40 S 21 Рис. 2. Результаты расчета S-параметров в диапазоне 1…8 ГГц для входной антенны, изображенной на рис. 1б. 12 3 4 5 67 89 f, ГГц -50 замыкалась в конечной части структуры СКИФа, так что щелевая линия могла рассматриваться как замкнутая катушка на низких частотах. Общая длина щелевой линии составила 2.5 мм. 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В рамках классического подхода при M i ? L коэффициент усиления по мощности G одиночного интерферометра дается следующим выражением : GM i V ? () 2 1 R д R i ———— ? M i L ——?? ?? 2 R д R i —— n 2 L,?= (2) где M i — взаимная индуктивность между контуром интерферометра и входной катушкой, L — собственная индуктивность петли интерферометра, R д — динамическое сопротивление СКВИДа, R i представляет диссипацию во входном контуре и может быть определено из значения добротности входного контура. В случае использования СКИФа с N интерферометрами эффективная взаимная индуктивность M эф имеет порядок NM i . Высокое значение коэффициента усиления G требует наличия высоких значений кругового тока, протекающего в контуре СКВИДа на частоте сигнала. Эти значения будут обеспечивать параметрическое преобразование в переходах СКВИДа и, как следствие, усиление сигнала. Важную роль в расчете взаимной индуктивности щелевой линии и СКИФа играет значение входного динамического импеданса отдельных СКВИДов. Значения входного импеданса известны на частотах порядка 1 кГц и 100 МГц . В интересующем нас частотном диапазоне данных о величине импеданса нет. В первом приближении можно считать, что импеданс каждого парциального интерферометра для кругового тока на высокой частоте сигнала, сравнимой с характеристической джозефсоновской частотой, будет близок 2R, где Рис. 3. Результаты расчета S-параметров более сложного контура входной антенны. R — нормальное сопротивление джозефсоновского перехода . Для моделирования процессов в структуре СКИФ-усилителя использовалось программное обеспечение Agilent RF Design Environment 2003C (RFDE Momentum) . Вход щелевой линии в схеме расчета был подключен к генератору сигнала с им едансом 50 Ом, выход СКИФа — к нагрузке 50 Ом. В проводимых расчетах значение R составляло от 1 до 10 Ом. На рис. 2 представлены результаты расчетов S-параметров в диапазоне 1…8 ГГц для входного контура, изображенного на рис. 1б. На рис. 3а изображены результаты расчета S-параметров в диапазоне 1…8 ГГц для более сложной входной цепи. Отражение входного сигнала несущественно (S 11 = -15 дБ), и, следовательно, входная мощность поглощается в щелевой линии, индуктивно связанной с массивом интерферометров СКИФа. Для того чтобы оценить величину усиления по мощности СКИФ-усилителя, в первую очередь необходимо найти значение взаимной индуктивности, M i , между щелевой линией и отдельным интерферометром (см. (2)). Для этого вместо джозефсоновских переходов в одном из интерферометров программным образом включали измерители тока и находили значение кольцевого тока I к при возбуждении щелевой линии сигналом мощностью P = 0 дБм (1 мВт). При этом внешний поток в петле интерферометра будет M i ? I e , где I e — ток, протекающий в согласованной 50-омной щелевой линии, равный I e = (8P/ReZ) 1/2 = 13 мA. (3) Если величина нормальной индуктивности ? L больше единицы, то внешний поток почти полностью компенсируется потоком самоиндукции интерферометра LI к , создаваемым круговым током I к . Пользуясь для оценки геометрической индуктивности интерферометра (размеры внутреннего контура 4 ? 50 мкм) стандартной формулой , можно получить непосредственную оценку для взаимной индуктивности M i : M i = L?I к /?I e ? 5 пГн. (4) С помощью выражений (2) и (4) можно определить величину максимального коэффициента усиления по мощности. Для того чтобы достичь коэффициента усиления по мощности больше чем единица в случае выбранного способа заведения сигнала с помощью щелевой линии минимальное значение передаточной функции СКИФа должно быть, по меньшей мере, 1 мВ на квант потока. 3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТА СКИФ-УСИЛИТЕЛЯ Было изготовлено три образца, содержащих тестовые структуры СКИФов без входной щелевой линии, и одна цепочка из 50 одинаковых СКВИДов с площадью, соответствующей максимальной площади интерферометра СКИФа. Все устройства были изготовлены на бикристаллических подложках YSZ (Y-ZrO 2 ) с углами разориентации 24° (12°/12°). Для изготовления структур применялись оптическая фотолитография и сухое травление в пучке ионов аргона. Тонкие пленки Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 (YBCO) толщиной 200…250 нм осаждались методом лазерного напыления. Сначала напыляли буферный слой двуокиси церия (СеО 2 ) при температуре подложки T подл = 790°С и давлении кислорода 0.2 мбар для обеспечения более качественного роста ВТСП-пленки в области бикристаллической границы. Затем напыляли YBCOпленки при T подл = 780°С и давлении кислорода 0.7 мбар без разрыва вакуума. Процессы осаждения как для буферного CeO 2 слоя, так и для YBCO-пленки предварительно оптимизировали на монокристаллических подложках YSZ, чтобы получить высокие критические параметры пленок, в частности, низкие значения шероховатости поверхности, высокие значения критической температуры и плотности критического тока. Исследования кристаллической структуры пленки с использованием рентгеноструктурного анализа показали отсутствие a-b ориентированных фаз. Поворот CeO 2 -пленки по отношению к подложке составил 45°, что соответствует оптимальному росту пленки CeO 2 с минимальным расхождением параметров решетки. Поверхность пленки тестировалась с помощью атомно-силового микроскопа. Типичные значения шероховатости пленок R a не превышали величины 5 нм, достаточной для предотвращения контакта ВТСП-пленки с верхним слоем золота через диэлектрик. Критические температуры YBCO-пленок составляли 87…89 K с ?T < 1 K. Плотность критического тока пленки составила J кр = 2 ? 10 6 A/см 2 . 4. ИЗМЕРЕНИЯ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ Технологический разброс параметров джозефсоновских переходов может привести к некогерентному взаимодействию интерферометров в структуре СКИФа, результатом чего будет отсутствие одиночного пика на ВПХ. Чтобы протестировать полученные СКИФы, был измерен низкочастотный отклик по магнитному полю изготовленных образцов в диапазоне температур 4…77 К. Вначале для всех структур были определены критические и нормальные значения T кр , I кр и R н как СКИФА (рис. 4), так и семи отдельных СКВИДов. Отклик на прикладываемое магнитное поле измеряли с помощью внешней катушки подмагничивания с коэффициентом преобразования 22 мкТл/мА. Измерения выполняли с использованием пермаллоевых экранов, что позволяло существенно подавить магнитное поле Земли и другие внешние наводки. Проведенные измерения показали присутствие не одного пика СКИФа, а ряда острых максимумов (рис. 4в). Для выяснения этого факта на двух СКИФах был измерен разброс критических токов и нормального сопротивления для доступных отдельных СКВИДов. Отношение квадратичного отклонения измеренных критических токов к среднему значению оказалось близко к 30%. Возможны три наиболее вероятные причины такого большого разброса критических токов переходов. Первая - технологический разброс ширин переходов в процессе изготовления. Это должно в свою очередь привести к различным эффективным пло