Интегральные устройства на сверхпроводниковых туннельных переходах для приемников миллиметровых и субмиллиметровых волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ШИТОВ Сергей Витальевич

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДАХ ДЛЯ ПРИЕМНИКОВ МИЛЛИМЕТРОВЫХ И СУБМИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА-2003

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники Российской академии наук, г. Москва.

Официальные оппоненты: Андронов А.А., чя.-корр. РАН, Институт физики микроструктур РАН,

г. Нижний Новгород; Гольцман Г.Н., д.ф.-м.н., профессор Московского педагогического государственного университета, г. Москва; Снигирев О.В., д.ф.-м.н., профессор Московского государственного университета им. Ломоносова, г. Москва;.

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород."

Защита состоится « 25 » апреля 2003 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.231.03 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 125009, ГСП-9, г. Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института радиотехники и электроники РАН.

Автореферат разослан « 25 » марта 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.231.03

к.ф.-м.н.

728/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Туннельные переходы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС переходы) являются уникальными приборами, значение которых для сверхпроводниковой электроники сегодня можно приравнять к значению полупроводниковых диодов и транзисторов в микроэлектронике. СИС переходы сочетают в себе два относительно независимых вида нелинейности, которые носят фундаментальный характер. Это макроскопический квантовый эффект Джозефсона, отражающий процесс туннелирования сверхпроводящих носителей, и нелинейный туннельный ток нормальных электронов. Эффект Джозефсона применяется на практике для создания стандартов напряжения и преобразования частоты; в медицинских исследованиях сердца и мозга используются сверхпроводниковые квантовые интерферЬметрыУ (сквиды), являющиеся рекордсменами по чувствительности к магнитному' полю. Нелинейность квазичастичного тока позволяет детектировать СВЧ сигналы с рекордно низкими шумами, близкими к квантовому пределу. Такие приборы применяются в сверхмалошумящих гетеродинных приемниках в радиоастрономии, а также для мониторинга окружающей среды. Продолжаются разработки в направлении создания" практических усилителей и генераторов микроволн на основе эффекта Джозефсона, а также цифровых устройств на принципах быстрой одноквантовой логики, обладающих

уникальным быстродействием и чрезвычайно низким Энерговыделением.

Проведенный анализ состояния в данной области науки и технологии

сверхпроводниковой электроники на качественно новый уровень — от специализации к комплексной интеграции. При этом становятся актуальными знания о возможностях объединения многообразных физических процессов в

позволяет заключить, что в настоящее время созрели условия для перехода

сверхпроводниках. Данная работа

экспериментальным исследованиям в области комплексной интеграции сверхпроводниковых устройств с целью более полной реализации уникальных свойств СИС структур для приема и обработки информации.

Главной целью диссертационной работы являлась экспериментальная демонстрация перспектив сверхпроводниковой микроэлектроники в области гетеродинного радиоприема на сверхвысоких частотах. Основные цели исследования могут быть сформулированы так:

1. Оптимизация электродинамических структур для приема слабых СВЧ сигналов, содержащих СИС переходы; разработка принципов их построения для реализации смесителей миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн с квантовой чувствительностью.

2. • Моделирование электрофизических и СВЧ свойств СИС переходов на

основе стабильных тугоплавких материалов для создания методов анализа смесителей миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

3. Получение джозефсоновской генерации из структур на основе СИС переходов для применения в приемных устройствах в качестве сигнала гетеродина.

4. Изучение совместимости генерирующих и детектирующих СИС структур в составе единой интегральной микросхемы.

5. Исследование возможности электронного управления мощностью гетеродина в составе приемных интегральных микросхем.

6. Исследование возможности создания сверхпроводникового гетеродинного спектрометра на СИС переходах с интегрированным гетеродином на эффекте Джозефсона.

Научная новизна результатов диссертационной работы может быть сформулирована следующим образом:

1. Разработан принцип оптимального построения СИС смесметелей, работающих в квантовом режиме.

2. Обнаружены и изучены особенности гетеродинного преобразования частоты на СИС переходах с коленообразной особенностью ВАХ,

•г II

вызванной эффектом близости.

3. Разработан ряд методов для многопараметрического моделирования вольтамперных характеристик СИС переходов, конструирования и управления работой сверхпроводниковых интегральных микросхем.

4. Экспериментально исследована зависимость; импеданса' тока квазичастиц СИС перехода в квантовом режиме. ■

5. Экспериментально исследованы и сформулированы принципы физической совместимости и электродинамического согласования джозефсойовских осцилляторов и СИС детекторов.

6. В результате последовательного применения разработанных методов был получен ряд уникальных данных о процессах в распределенных джозефсоновских осцилляторах, а также в двухмерных цепочках сосредоточенных осцилляторов.

» *«к ► "

7. Экспериментально продемонстрирована реализуемость чувствительного спектрометра субмиллиметровых волн с разрешением лучше 10"7на основе джозефсоновского осциллятора.

Научная и практическая значимость результатов диссертации состоит в развитии и обобщении физических принципов использования СИС переходов на СВЧ, в создании ряда новых экспериментальных и численных методов, в разработке и демонстрации ряда уникальных интегральных приборов на сверхпроводниках.

1. Разработана, физически обоснована и экспериментально апробирована концепция полного согласования СИС смесителей в квантовом режиме

на основе интеграции необходимого числа элементов в единую схему с последовательным включением по току СВЧ и параллельным включением по постоянному току и току выходного сигнала. В

диапазоне частот 40 - 1000 ГГц реализован ряд приемных устройств с

ч.

рекордными параметрами и шумовой температурой менее 1 К/ГГц для нескольких проектов наземной и космической радиоастрономии.

2. Впервые систематически изучены особенности гетеродинного преобразования частоты, вызванные особенностями вольтамперных характеристик СИС переходов на основе тугоплавких металлов. Было показано что коленообразная особенность существенно влияет на характеристики СИС смесителей, а ее эффект варьируется от позитивного в области переходных частот от классического режима преобразования к квантовому, до негативного на субмиллиметровых волнах, где отрицательное дифференциальное сопротивление может вызвать нестабильность смесителя и возрастание шумов на его выходе.

3. Разработаны физические принципы объединения малошумящих СИС смесителей и джозефсоновских осцилляторов в единую сверхпроводниковую микросхему с внутренним гетеродином. В таких схемах впервые реализованы условия для независимой настройки режимов работы всех ее частей, что достигается за счет применения целого ряда специальных согласующих и развязывающих элементов СВЧ, а также за счет использования интегрированных источников локального магнитного поля.

4. Создан и апробирован ряд компьютерных программ по расчету и анализу параметров сверхпроводниковых микрополосковых линий, в которых учтены особенности технологии тонких пленок и эффекты сверхпроводимости. Разработаны алгоритмы управления микросхемой сверхпроводникового интегрального приемника, к которым следует

отнести автоматическую установку заданной частоты и уровня мощности гетеродина, а также возможность автоматического поиска в заданном диапазоне частот режимов приемника с минимальной шумовой температурой.

5. При использовании интегральных схем с СИС переходами, разработанных автором, был получен ряд важных физических результатов: 1) для джозефсоновского осциллятора (ФФО) на основе

• ниобия осуществлен режим фазовой автоподстройки частоты вплоть

до щелевой частоты ниобия; 2) при использовании ФФО на основе ^ эпитаксиальных пленок нитрида ниобия (ЫЬМ-АПМ-МЬЫ) была впервые

продемонстрирована полезная мощность, достаточная для оптимальной накачки СИС смесителя терагерцовых частот, 3) при исследовании двухслойных ФФО впервые получены экспериментальные данные, подтверждающие существование теоретически предсказанных фазированной и нефазированной мод движения флаксонов в многослойных ФФО, 4) при исследовании двухмерных цепочек сосредоточенных джозефсоновских нешунтированных переходов над сверхпроводящем экраном впервые экспериментально обнаружен и исследован эффект синхронной , генерации, обладающий коэффициентом полезного действия более

30% и порогом возбуждения, характерным для систем со стимулированным излучением.

6. Разработан и испытан в диапазоне частот 70 - 350 ГГц новый тип сверхпроводникового прибора - электронно-управляемый аттенюатор, использующий зависимость импеданса тока квазичастиц от напряжения смещения на СИС переходе. Проведенные исследования зависимости импеданса тока квазичастиц от напряжения смещения хорошо согласуются с квантовой теорией СИС переходов.

7. Разработаны и испытаны микросхемы сверхпроводникового интегрального приемника с внутренним гетеродином для чувствительного приема в диапазоне частот 120-700 ГГц, содержащие малошумящий СИС смеситель и перестраиваемый джозефсоновский осциллятор (ФФО) и имеющие шумовую температуру менее 1 К/ГГц.

8. На основе микросхемы сверхпроводникового интегрального приемника с внутренним гетеродином разработаны и испытаны оригинальные приемные системы на частоты в районе 500 ГГц: <

1) матричный приемник для радиоастрономии, содержащий 9 пикселей, каждый из которых имеет собственный независимый ( источник гетеродина и шумовую температуру около 150 К,

2) компактный лабораторный зондовый приемник с шумовой температурой около 300 К для дистанционного исследования охлаждаемых осцилляторов в транспортном сосуде с жидким гелием.

9. Разработан и испытан ряд интегральных микросхем для экспериментального исследования мощности генерации и спектра сверхпроводниковых осцилляторов в диапазоне частот 50 - 950 ГГц, в том числе для осуществления фазовой автоподстройки частоты флакс-флоу осцилляторов. На основе этих исследований разработан и испытан малошумящий сверхпроводниковый гетеродинный i спектрометр на частоту 330 ГГц с разрешением лучше 10 кГц, экспериментально продемонстрирована возможность детектирования атмосферных загрязнений низкой концентрации.

Хпробация результатов диссертационной работы

.Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на научных семинарах ИРЭ РАН, МГУ, ИПФ РАН, Чалмерского технологического университета (Chalmers Universyty of Technology,

г. Гетеборг, Швеция), Лаборатории космических исследований Нидерландов (SRON, г. Гронинген, Голландия), Лаборатории миллиметровых волн (Хельсинкский технологический университет, г. Хельсинки, Финляндия), Университета штата Мэрилэнд (г. Вашингтон, США), Национального бюро стандартов (NIST, г. Боулдер, США), Института тонкопленочных технологий (ISI, г. Юлих, Германия), Университета Эрланген-Нюрнберг (г. Эрланген, Германия), Национального института промышленной науки и технологий (AIST, г. Цукуба, Япония). Основные положения и результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих научных конференциях:

- Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости (European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS) в 1991 г. (г. Глазго, Шотландия), в 1993 г. (г. Геттинген, Германия), в 1995 г. (г. Эдинбург, Англия), в 1997 г. (г. Эйндховен, Нидерланды), в 1999 г. (г. Сиггжес, Испания), в 2001 г. (г. Копенгаген, Дания);

- Международная конференция по прикладной сверхпроводимости (Applied Superconductivity Conference, ASC) в 1990 г., 1992 г., 1994 г., 1996 г. (г. Питсбург, США), в 1998 г. (г. Палм Спрингз, США), в 2000 г. (г. Виржиния Бич, США), в 2002 г. (г. Хьюстон, США);

- Международная конференция по сверхпроводниковой электронике (International Knoerconducting Electronics Conference, ISEC) в 1987 г. и в 1989 г. (г. Токио, Японии 1993 г. (г. Боулдер, США), в 1995 г., в 1997 г. (г. Берлин, Германия), в 1999 г. (г. Берх,«», США) 2001 гг.;

- Международная конференция по миллиметровым и инфракрасным волнам (International Conference on Infrared ana Millimeter Waves), в 1994 г. (г. Сендай, Япония), в 1995 г. (г.Орландо, США), в 1990 г. (г. Монтерей, США);

- X Трехсторонний Германо-Российско-Украинский семинар по высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), г. Н. Новгород (1997);

- Симпозиумы Европейского., космического агентства (г. Нордвайк, Нидерланды) в 1996 и 1997 гг.

- XXV Генеральная ассамблея УРСИ (г. Лилль, Франция) в 1996 г.

- Международный (ежегодный) симпозиум по терагерцовым технологиям (США) в 1993,1995-2002 гг.

- Мартовская конференция (March Meeting) американского физического общества (г. JIoc Анжелес, США) в 1998 г. и др.

Основные результаты диссертации отражены в более чем 100 публикациях: более 60-ти статей в ведущих зарубежных и отечественных журналах, 3 препринта (ИРЭ РАН, ИПФ РАН, МГУ), более 50-ти тезисов в трудах международных, всесоюзных и российских конференций, а также одно изобретение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из Введения, восьми глав и Заключения. Во Введении обоснован выбор темы диссертации, сформулированы ее цели и описана структура работы; здесь же рассмотрен вопрос авторства.

Глава 1 посвящена обзору перспективных направлений и актуальных проблем использования СВЧ приборов на сверхпроводниковых туннельных переходах типа СИС (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник). Обзор сфокусирован на низкотемпературных сверхпроводниках, используемых в диапазоне температур 2 - 5 К.

Глава состоит из трех разделов. В первом разделе приводятся общие введения о СИС переходах в качестве детекторов СВЧ. Обсуждаются электрофизические свойства и критерии качества, а также наиболее важные параметры СИС переходов на высоких частотах: импеданс, полоса частот, эффективность преобразования и шумы.

Во втором разделе описаны принципы построения СИС смесителей; рассмотрены способы и проблемы СВЧ согласования. Особое внимание уделено цепочкам СИС переходов и интегральным настроечным элементам, анализ которых базируется на знании свойств линий передач из сверхпроводников. Приводятся типичные решения, применяемые при конструировании волноводных и квазиоптических СИС смесителей, в том числе матричных. Отдельное место уделено эффективному эмпирическому методу исследования - масштабному моделированию.

В третьем разделе рассмотрены сверхпроводниковые осцилляторы на эффекте Джозефсона, в которых используются СИС переходы. Проводится сравнение цепочек джозефсоновских переходов и осцилляторов на распределенных переходах (флакс-флоу осцилляторов, ФФО), а также существующие методы их согласования.

В заключении к Главе 1 делается вывод, что процесс развития сверхпроводниковой электроники в области гетеродинного радиоприема имеет тенденцию к увеличению степени интеграции СИС переходов и созданию сверхпроводниковых интегральных микросхем, в том числе содержащих законченные функциональные узлы, что подтверждает актуальность темы диссертации.

Глава 2 посвящена решению проблемы согласования СИС смесителей, работающих в квантовом режиме, для которого входной и выходной импеданс могут различаться в десятки раз [1]-[6]. В первом разделе обсуждаются теоретические аспекты последовательно-параллельного включения СИС переходов. Показано, что для заданной электродинамической системы можно так выбрать параметры туннельного барьера, размер одиночного СИС перехода и число переходов в системе, что при объединении в единую интегральную схему с последовательным включением по току СВЧ и параллельным включением по постоянному току и току выходного сигнала, можно реализовать идеальное согласование по

входу и выходу и, как следствие, квантовую чувствительность СИС смесителя. Показано, что оптимальное число переходов N и площадь одиночного перехода А могут быть определены для рабочей частоты / по следующим формулам:

д R^Jk 2hf

N = (RsGae/RlGoo)'/2 А =

Здесь R0 = R„A и К = GaJGoo, G^ и Goo - входной СВЧ и выходной ПЧ импедансы СИС перехода, Rs и RL - СВЧ импеданс источника сигнала и '

импеданс нагрузки ПЧ соответственно. С практической точки зрения, использование нового ' подхода основано на оригинальном решении {

интегральных настроечных цепей, что делает ненужными дополнительные согласующие цепи и исключает связанные с этим потери сигнала (рис. 1). Параллельное включение по постоянному току позволяет также кардинально уменьшить влияние разброса параметров переходов. Рассмотрены общие причины и закономерности насыщения СИС смесителей в квантовом режиме. Показано, что увеличение числа переходов в системе увеличивает мощность насыщения, однако условия оптимального преобразования и максимальной мощности насыщения не совпадают.

Во втором разделе рассмотрены практические волноводные СИС смесители, разработанные ' автором для нескольких проектов (

радиоастрономии в диапазонах 2 мм, 3 мм и 8 мм, с шумовой температурой на уровне 201С что близко к уровню квантовых флуктуации (рис. 2) [7, 8]. Отдельное место уделено экспериментам, продемонстрировавшим преобразование вниз с' усилением до 8,6 дБ (fr= 140 ГГц, 1пч= 1,6 ГГц). В сйЯзи с этим обсуждается проблема стабильности смесителя и влияние эффекта близостй'в СИС переходах из тугоплавких материалов (Nb, Та и др.).

'''В заключении к Главе" 2 констатируется, что использование концепции оптимального согласования позволило экспериментально

Рис. 1 Варианты последовательно-параллельного объединения компенсированных СИС переходов, использованные в экспериментальных смесителях волноводного типа

(справа). Показаны эквивалентные схемы, а ниже -геометрия соответствующих структур, находящихся в канале волновода: а) схема с четным и б) схема с нечетным числом переходов и краевыми настроечными конденсаторами С„ [2-7].

щ

i

I

±св

а)

б)

о. «

а. а> с S

г?

о 2

Рис. 2 Сводный график шумовой температуры экспериментальных приемников миллиметрового диапазона на основе волно-водных смесителей с оптимизированными цепочками СИС 80 100 120 140 160 180 переходов (слева)

Í2-71.

Частота гетеродина (ГГц) 1 '

реализовать ряд приемных устройств с рекордными параметрами. При этом принципиальным является использование многоэлементных интегрированных систем СИС переходов.

Глава 3 посвящена методам расчета и определению основных параметров сверхпроводниковых микросхем, описываемых в данной работе. В первой части обсуждаются способы расчета и проблемы точности

определения параметров сверхпроводящих линий передачи. При использовании технологии тонких пленок каждый следующий слой имеет толщину /, как правило, больше предыдущего. При этом краевые эффекты в микрополосковых линиях передачи имеют принципиальное значение, а их точный расчет является сложной электродинамической задачей. Еще одна проблема связана с получением правильного значения постоянной распространения, так как фазовая скорость в сверхпроводниковой передающей линии (скорость Свихарта) зависит не только от диэлектрической постоянной диэлектрика, но и от соотношения толщины изоляции А к глубине проникновения магнитного поля Я. При использовании «стандартных» аналитических формул для микрополосков с краевыми эффектами сверхпроводимость вводилась в виде коэффициента избыточной индуктивности А(Х,,Х2,к) ~(к 1+Х2+к)/Ь, а результирующий импеданс линии 2$о и постоянная распространения у? представлялись (корректировались) в виде Z5o=2<J(w,й,£,?^^4(/i^Д2,й) и р=РоА(1,,Х2Л)т. При использовании программ, в которых входными параметрами являются геометрические размеры, сверхпроводящая микрополосковая линия моделировалась линией из нормального металла без потерь с увеличенным расстоянием между полоском и экраном, . Удельная емкость поддерживалась на

исходном уровне за счет увеличения диэлектрической проницаемости изолятора Е-еНЛг. В работе анализируются расхождение двух описанных методов по сравнению с трехмерной электромагнитной моделью, которое для ряда типичных случаев не превышает нескольких процентов, как для характеристического импеданса, так и для постоянной распространения.

Во второй части обсуждаются методы определения емкости СИС переходоа на С^ВЧ. Дод определения площади микронных и субмикронных переходов использовался метод сравнения их нормальных сопротивлений с переходами большого размера. Для определения удельной емкости использовались структуры, содержащие СИС переходы, помещенные в

резонаторы. Показано, что параметры структуры могут быть выбраны так, что резонансная частота с высокой точностью определяется длиной резонатора, откуда можно вычислить постоянную распространения /?. Для переходов с маленькой емкостью, резонансная частота системы будет определяться не только размерами резонатора, но и емкостью самого СИС перехода. Частота резонанса системы определялась по частоте самодетектирования джозефсоновского тока.

В третьей части обсуждаются детали согласования смесительного элемента с дипольными антеннами. Приводятся аналитические формулы, для расчета импеданса и диаграммы направленности дипольных антенн, включая эффекты взаимоиндукции в системе из двух планарных дипольных антенн с контррефлектором.

В четвертой части обсуждается проблема поверхностных потерь в сверхпроводниках выше щелевой частоты, которая для ниобия при Т=4 К составляет 650-700 ГГц. Теоретические соотношения теории Матис-Бардина, основанные на свойствах массивных образцов, могут давать неточный

результат для омических потерь из-за дефектов поверхности пленок.

' ' < -11

Замечено, что характер спадания чувствительности СИС детекторов, вызванный омическими потерями практически не зависит от предполагаемой АЧХ. Основываясь на этом, разработана эмпирическая формула для определения поверхностного сопротивления , имеющая ряд подгоночных параметров для моделирования экспериментальной зависимости среза. Вводятся поправки в формулы расчета для сверхпроводящих микрополосков с потерями, а также в соответствующие матрицы Б-параметров.

В пятой части обсуждаются возможности и преимущества аналитической аппроксимации ВАХ СИС перехода с помощью гладких функций, позволяющие численно моделировать его нелинейные свойства, такие как динамическое сопротивление, эффективность преобразования и шумовая температура СИС смесителя.

В шестой части описаны самосогласованные численные методы, использованные для определения мощности, поглощенной СИС переходом. Эти методы применялись при тестировании джозефсоновских осцилляторов, в том числе для определения выходного импеданса согласующей системы.

В седьмой части обсуждаются проблемы согласования ФФО с внешними электродинамическими системами. Приводятся оценки выходного импеданса с учетом реальной геометрии ФФО, а также практические методы согласования с использованием микрополосковых трансформаторов импеданса. Обсуждаются проблемы расчета таких согласователей.

Выводы и рекомендации по Главе 3 констатируют эффективность комбинированного подхода с использованием как аналитических приближений, полученных на базе экспериментальных данных, так и численных методов, что позволяет значительно увеличить скорость расчетов по оптимизацию СВЧ структур из сверхпроводников.

Глава 4 посвящена исследованию квазиоптических СИС смесителей с интегрированными дипольными антеннами в субмиллиметровом диапазоне длин волн, где качество приемной системы определяется точностью изготовления самих структур, а не механической точностью деталей волновода [17, 32, 33,37, 38].

В первой части приведены данные исследования сверхширокополосного квазиоптического СИС смесителя диапазона 350650 ГГц. Приводятся результаты тестирования с Фурье-спектрометром, а также данные гетеродинных измерений, позволяющие заключить, что такой , приемник может быть оптимизирован для получения шумовой температуры на уровне 100 К.

Во второй части описана работа сверхмалошумящего приемника с квазиоптическим СИС смесителем на частотный диапазон 430-480 ГГц, который был разработан в качестве прототипа для интегрального приемника.

2- 400

Д

А Эксп. данные

-Тщ^ЮМ/к,,

Рис. 3 Шумовая температура для двух приемников на квазиоптических СИС смесителях с интегрированными линзовыми антен-. нами типа двойной диполь [32, 33, 37, 38].

400

600 800 Частота гетеродина, \ (ГГц)

1000

Этот прибор явился рекордсменом в своем классе, продемонстрировав двухполосную шумовую температуру менее 40 К.

В третьей части рассмотрены проблемы создания малошумящего СИС смесителя на частоты, превышающие щелевую частоту ниобия. Йа основе численного ч¥о смеситель на цепочке из двух СИС

переходов с настроечными цепями из нормального металла имеет преимущество перед смесителем на одиночном переходе. Экспериментально продемонстрирован СИС смеситель с рекордной шумовой температурой приемника около 250 К на частоте 935 ГГц.

В выводах и рекомендациях по Главе 4 констатируется, что прогресс СИС смесителей в субмиллиметровом диапазоне длин волн, в том числе на защелевых частотах, получен за счет последовательного использования принципов интегрирования, включающих разработку интегральных линзовых антенн, распределенных согласующих цепей на сверхпроводниках или с использованием нормальных металлов, а также за счет, исцользования цепочек СИС переходов, что позволило вывести параметры квазиоптических смесителей на уровень волноводных приборов этого,класса и даже превысить его (рис. 3).

Глава 5 посвящена исследованию джозефсоновских осцилляторов в качестве источника СВЧ мощности, в том числе для интегрированного гетеродина СИС смесителя [10,12-14,16,18-22,25,27,29, 34,36].

В первой части рассматриваются проблемы совместимости и изоляции джозефсоновских осцилляторов и СИС переходов (детекторов или смесителей). К проблемам совместимости отнесено получение локализованных управляющих магнитных полей. Проведенный анализ выходного импеданса ряда джозефсоновских осцилляторов позволил разработать ряд широкополосных согласующих элементов, а также методов их расчета. Для изоляции по постоянному (низкочастотному) току был разработан ряд компактных широкополосных (300-700 ГГц) развязывающих фильтров на основе микрополосковых и щелевых линий. Экспериментально продемонстрировано, что такие развязки могут быть созданы на основе

2 2001 01 34 20

ТтсеА

вВЩы М-ШООЯт

Эрап: 200.0 Нг

1

1

1} У* ИНГЧ^

СтЬг

Зрел

200.00 №

йвулош

УВУ/ЗООН:

$.05 ПС

АТЮ« БюрЬ

Рис.4 Спектр ФФО на частоте 325,5ГГц, преобразованный вниз на центральную частоту 401 МГц. Разрешение спектроанализатора составляет 1 Гц, а диапазон - 200 Гц. Можно сделать заключение, что данный джозефсоновский осциллятор в значительной степени синхронизирован, однако процесс генерации сопровождается амплитудной модуляцией на уровне около -30 дБ со сложным спектром при доминировании гармоник частоты 50 Гц [35].

структур, использующих три и даже два слоя металлизации. Структуры, содержащие только два металлических слоя, упрощают не только саму схему, но и процедуру ее изготовления.

Вторая часть посвящена экспериментальному исследованию интегральных микросхем с джозефсоновскими осцилляторами на основе распределенных туннельных переходов (ФФО). Исследование ФФО типа 1ЧЬ-АЮХ-1^Ь показало, что такие осцилляторы обладают мощностью достаточной для накачки СИС смесителя вплоть до частот порядка щелевой частоты ниобия. С помощью интегрированного на чипе гармонического смесителя была впервые реализована схема фазовой автоподстройки частоты '/ джозефсоновского осциллятора (ФФО) как в области ступеней Фиске, так и в

области флакс-флоу вплоть до частоты 700 ГТц (рис. 4). При исследовании многослойных ФФО была разработана сверхширокополосная детекторная система с полосой 150-450 ГТц. С ее помощью впервые были получены экспериментальные данные, подтверждающие существование теоретически предсказанных фазированной и нефазированной мод движения флаксонов. Частота синфазной моды определяется соотношением Джозефсона, в то время как нефазированная мода имеет вдвое большую частоту [12]. Исследование ФФО на основе эпитаксиальных пленок нитрида ниобия типа ГШ^-АМ-КЬЫ продемонстрировало полезную мощность достаточную для ^ оптимальной накачки СИС смесителя терагерцовых частот [36].

' Третья часть посвящена исследованию генерации из двухмерных

^ цепочек сосредоточенных джозефсоновских нешунтированных переходов над

сверхпроводящим экраном [18-22,28]. Применение- линейного электродинамического анализа в системе джозефсоновских осцилляторов и детекторов позволило впервые экспериментально обнаружить и исследовать эффект синхронной генерации на частоте около 160 ГГц, обладающий коэффициентом полезного действия более 30% и порогом возбуждения, характерным для систем со стимулированным излучением.

Выводы и рекомендации по Главе 5 констатируют универсальность подходов, разработанных для интеграции приборов сверхпроводниковой электроники, и применимость их к различным типам джозефсоновских осцилляторов и детекторов в диапазоне частот 40-1000 ГГц.

Глава б посвящена проблеме управления мощностью сигнала СВЧ в составе сверхпроводниковой интегральной микросхемы на СИС переходах, содержащей осцилляторы и преобразователи частоты. Здесь описано исследование электронно-управляемых аттенюаторов на СИС переходах [9], для реализации которых было использовано управление импедансом тока квазичастиц. В первом разделе анализируется диапазон регулирования такого устройства, полоса рабочих частот и его динамический диапазон (уровень насыщения). Показано, что диапазон регулирования может превышать 10 дБ, но он уменьшается с ростом частоты. При приближении к щелевой частоте

* I г ' ~

СИС перехода аттенюатор на его основе становится неэффективным, так как импеданс тока квазичастиц практически перестает зависеть от напряжения смещения. Приведены некоторые практические оценки.

I §

о и 12

**

12 3 4 Напряжение, мВ

12 3 4 Напряжение, мВ

Рис. 5 Характеристики электронно-управляемых аттенюаторов на СИС переходах' последовательного типа (слева) и параллельного типа (справа), измеренные на малом сигнале: ВАХ (штриховая линия), рассчитанный (штрих-пунктир) и экспериментально измеренный (сплошная линия) уровень пропускания от напряжения смещения. Измерения выполнены на частоте 70 ГГц [9].

Во второй части описаны экспериментальные образцы, содержащие аттенюаторы Т-типа, и методика их измерения. В миллиметровом диапазоне (40-180 ГГц) применялись внешние источники сигнала (осцилляторы Ганна, ЛОВ). В субмиллиметровой области на частотах 270-350 ГГц использовался интегрированный на той же подложке ФФО.

В третьей части приводятся экспериментальные результаты и их анализ (рис. 5), на основе которых делаются выводы и рекомендации по Главе б о возможных применениях и существующих ограничениях СИС аттенюаторов; отмечена правильность исходных теоретических положений.

Глава 7 имеет большой объем и занимает особое место. Она

а _

посвящена исследованию сверхпроводниковых интегральных приемников,

содержащих на одном чипе СИС смеситель, планарную антенну и источник

гетеродина на осйрве ФФО [10,11, 15, 17,24,26,28,30, 31]. В первом разделе

обсуждаются общие принципы построения приемной „интегральной

микросхемы, включая проблему выбора антенны, развязки каналов сигнала и

гетеродина, тракта ПЧ и источников магнитного поля.

Во втором разделе описан волноводный приемник диапазона 120180 ГГц. Приводятся конструкция и принцип работы интегральной микросхемы, а также результаты экспериментального исследования. Шумовая температура такого приемника составила менее 85 К на частоте

^ 140 ГГц. Следует отметить, что ФФО работал на ступеньках Фиске, а для

СИС смесителя не использовалось магнитное поле.

11 В третьем разделе описаны квазиоптические интегральные

приемники диапазона 450-700 ГТц (рис. 6) с интегрированной линзовой антенной типа двойной диполь. Обсуждаются конструкция микросхем,

' принцип работы, а также компьютерные методы тестирования и управления

* интегральными приемниками. Описано несколько вариантов интегральной

микросхемы, а именно, со смесителем на одиночном СИС переходе

! (Тюс=130К на частоте 500 ГГц, Тцх=560К на частоте 650 ГГц), а также с

I

(

| 21

I

балансным смесителем, Тих=90 К на частоте 500 ГГц (рис. 7). Показано, что антенна интегрального приемника обладает диаграммой направленности пригодной для практических применений (рис. 8).

В четвертом разделе описан квазиоптический матричный сенсор, содержащий 9 пикселей, каждый из которых является независимым интегральным приемником с внутренним гетеродином. Приведена конструкция матрицы и результаты ее испытаний, включая измерение диаграмм направленности соседних пикселей. Шумовая температура составила Ткх=150К на частоте 500 ГГц. Для соседних пикселей было измерено взаимовлияние, которое оказалось пренебрежимо малым.

В пятом разделе описан компактный лабораторный зондовый приемник диапазона 480-560 ГГц, предназначенный для дистанционного исследования охлаждаемых осцилляторов. Приемник представляет собой миниатюрный экранированный модуль (028 мм х 76 мм) помещенный в вакуумный объем на конце вставки в транспортный сосуд Дьюара с жидким гелием. Шумовая температура приемника была измерена с помощью нагреваемой антенной нагрузки и составила с учетом балансного усилителя

(О

9- зоо

ф

с

2

{£ 200

к о» § 100

5

>>

3 О

«Л /

У у /

V /

ч, т

480 «0 500 520 54

Частота гетеродина (ГГц)

Рис. 7 Шумовая температура интегрального приемника [17,24].

-5 0 5 ю Гориз. угол (град.)

Рис. 8 Диаграмма антенны (шаг изолиний 1 дБ).

ПЧ диапазона 1,3-1,8 ГГц около 300 К на частоте 520 ГГц [28]. Приведены результаты исследования чипа приемной микросхемы с помощью лазерного микроскопа, визуализирующие распределение электромагнитной энергии в схеме и подтвердившие правильность исходных положений [26].

В выводах и рекомендациях по Главе 7 констатируется, что разработаны и экспериментально апробированы физические подходы к объединению малошумящих СИС смесителей и джозефсоновских осцилляторов в составе единой интегральной приемной микросхемы, для которой в диапазоне частот 120-700 ГГц реализована шумовая температура менее 1 К/ГТц.

Глава 8 посвящена исследованию спектрометра диапазона 330 ГГц на основе джозефсоновского осциллятора (ФФО) с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В первом разделе обсуждаются общие принципы и особенности построения схемы сверхпроводникового спектрометра (рис. 9 и рис. 10).

Опорный сигнал (10-20 ГГц), сигнал ФАПЧ (400 МГц)

Рис. 9 Схема чипа интегрального спектрометра [23, 35].

»

Рис. 10 фото чипа интегрального спектрометра (слева) и измеренная спектральная линия (вверху) [35].

100

400 450 500 550 600 Номер канала (100 кГц / канал)

Во втором разделе описаны принцип работы спектрометра, его конструкция и детали интегральной микросхемы, которая является объединением интегрального приемника и схемы стабилизации частоты ФФО. Для системы ФАГГЧ в интегральную схему введен дополнительный гармонический смеситель, в котором используется 32-ая гармоника опорного (синтезированного) источника на частоте около 10 ГГц.

В третьем разделе приводятся данные, экспериментального исследования интегрального спектрометра, включая детектирование спектральной линии газа вОг на частоте 328,7 ГТц (рис. 10).

Выводы и рекомендации по Главе 8 констатируют, что, впервые экспериментально продемонстрирован чувствительный гетеродинный спектрометр субмиллиметрового диапазона длин волн, использующий джозефсоновский осциллятор с внешней системой фазовой автоподстройки частоты со стабильностью на уровне лучше 10'7. Данное исследование может

служить базисом для разработки практического спектрометра для радиоастрономии или детектирования атмосферных загрязнений низкой концентрации.

В Заключении приведены основные результаты диссертационной

работы, являющиеся одновременно и положениями, выносимыми на защиту:

1. Разработан принцип оптимального построения СИС смесителей, работающих в квантовом режиме. Показано, что, исходя из параметров СИС перехода и электродинамической системы, можно определить необходимое число переходов, при объединении которых в единую интегральную схему с последовательным включением по току СВЧ и параллельным включением по постоянному току и току выходного сигнала можно реализовать квантовую чувствительность СИС смесителя. Использование новых подходов позволило реализовать ряд приемных устройств с рекордными параметрами в диапазоне частот 40-1000 ГГц.

2. Разработан ряд методик тестирования, обработки экспериментальных данных и многопараметрического моделирования вольтамперных характеристик СИС переходов, включая компьютерные программы по

' анализу работы СИС смесителя. Разработан ряд алгоритмов управления работой сверхпроводниковых интегральных микросхем. Предложены новые модели для проектирования и исследования электродинамических параметров сверхпроводящих цепей СВЧ.

3. Разработаны и экспериментально подтверждены принципы физической совместимости и согласования джозефсоновских осцилляторов с СИС детекторами, позволяющие проводить интеграцию таких приборов для исследования излучения из новых сверхпроводниковых структур на миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Продемонстрирована универсальность разработанных подходов в диапазоне частот 40-1000 ГГц и применимость их к различным типам джозефсоновских осцилляторов и СИС детекторов.

4. Экспериментально исследована зависимость импеданса тока квазичастиц СИС перехода в квантовом режиме. Предложен и испытан в диапазоне частот 70-350 ГТц новый тип сверхпроводникового прибора - электронно-управляемый СИС аттенюатор, предназначенный для управления уровнем сигналов СВЧ в сверхпроводниковых микросхемах. Подтверждена правильность исходных теоретических положений; оценены возможности оптимизации параметров, частотные и амплитудные ограничения на применение СИС аттенюаторов.

5. Разработаны физические подходы к объединению малошумящих СИС ^ смесителей, согласованных с источником внешнего сигнала, с

джозефсоновскими осцилляторами и цепями стабилизации частоты в составе едйной сверхпроводниковой микросхемы. На основе развитых подходов создан и экспериментально изучен ряд,, интегральных . микросхем для приемников с внутренним гетеродином. В диапазоне частот 120-700 ГГц реализована шумовая температура интегрального приемника менее 1 К/ГГц. На основе таких микросхем разработан гетеродинный спектрометр субмиллиметрового диапазона длин волн с разрешением лучше 10 кГц. . • f

€ Проведенные исследования поддерживались Российским фондом

фундаментальных исследований по проекту №00-02-16270, Межотраслевыми * научно-техническими программами «Физика - микроволн»,

«Сверхпроводимость», а также грантами ИНТАС №01-0367, МНТЦ №2445, проектом Министерства науки и технологии Германии, BMBF 13№6945/3.

I

Список основных работ по теме диссертации

' [1] Белицкий В.Ю., Кошелец В.П., Овсянников Г.А., Шитов C.B. Детектор

f

' СВЧ. Авторское свидетельство №12708679, 1984. В сборнике

f "Открытия. Изобретения", 1986, №42.

I 27

[2] Выставкин А.Н., Ермаков АН.Б., Кошелец В.П., Шитов С.В. «Мало-шумящий смеситель'Диапазона 43-50 ГГц на СИС-переходах», Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1990,Т. 3, №8, С. 1726 - 1737.

[3] An.B. Ermakov, V.P. Koshelets, S.A. Kovtonyuk, S.V. Shitov. "Parallel biased SIS arrays for mm wave mixers: main ideas and experimental verification," IEEE Trans, on Magn., v. MAG-27, №2, pp. 2642-2645 (1991).

[4] S.V. Shitov, V.P. Koshelets, S.A. Kovtonyuk, An.B. Ermakov, N.D. Why-bom, C.-O. Lindstrom, "Ultra-low-noise 100 GHz receiver based on Parallel Biased SIS Arrays," Supercond. Sci. Tech., v.4, pp.406-40b (1991).

[5] С. В. Шитов, В. П. Кошелец, С. А. Ковтонюк, Ан. Б. Ермаков, «Цепочки СИС-переходов с параллельным смещением для приемников миллиметровых волн», Сверхпроводимость: физика, химия, техника,

' т. 4, № 10, с. 2023-2033 (1991).

[6] " ' S. Shitov, V. Koshelets, S. Kovtonyuk, A. Ermakov, A.Baryshev, "Ultra

low noise SIS-receivers for mm wave radio astronomy," Cryogenics, vol. 32, ICEC Supplement, pp. 497-500 (1992).

[7] Shitov S. V.. Koshelets V. P., Kovtonyuk S.A., Baryshev A. M., "High Gain Series RF / Parallel IF Array SIS Mixers: Excessive Noise and Problem of Stability," Proc. Int. Superconducting Electronics Conf. (ISEC-93), Boulder, Colorado, USA (August 1993).

[8] И.И. Зинченко, A.M. Барышев, В.Ф. Вдовин, И.В. Замятин, В.П. Кошелец, А.В. Лапинов, И.В. Панкин, В. В. Мышенко, Н. С. Нестеров, Л. Е. Пирогов, С. В. Шитов. В. М. Шульга, «Спектральные радиоастрономические наблюдения на РТ-22 КрАО с СИС-приемником диапазона длин волн 3 мм», Письма в Астрономический журнал, том 23, № 2, с. 145-148 (1997).

[9] V. P. Koshelets, S. V. Shitov. А. V. Shchukin, А. М. Baryshev, L. V. Filippenko, G. М. Fisher, J. Mygind, "Josepbson tunnel junction attenuator," Appl. Phys. Lett., vol. 63, No. 23, pp. 3218-3220 (1993).

[10] V.P. Koshclets, A.V. Shchukin, S.V. Shitov. L.V. Filippenko, "Superconducting millimeter wave oscillators and SIS mixers integrated on a chip," IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 3, No. 1, pp. 2524-2527 (1993).

[11] V. P. Koshelets, S. V. Shitov. L. V. Filippenko, A. M. Baryshev, H. Golstein, T. de Graauw, W. Luinge, H. Schaeffer, H. van de Stadt, "First implementation of a superconducting integrated receiver at 450 GHz," Appl. Phys. Lett., vol. 68 (9), pp. 1273-1275 (1996).

[12] S. V. Shitov. A. V. Ustinov, N. N. Iosad, H. Kohlstedt, "On-chip radiation detection from stacked Josephson flux-flow oscillators," J. Appl. Phys., 80 (12), pp. 7134-7137 (1996).

[13] V. P. Koshelets, S. V. Shitov. A. V. Shchukin, L. V. Filippenko, J. Mygind, "Linewidth of submillimeter wave flux flow oscillators," Appl. Phys. Lett., vol. 69, pp. ,699-701 (1996).

[14] V.P. Koshelets, S.V. Shitov. A.V. Shchukin, L.V. Filippenko, J. Mygind, "Linewidth of frequency locked flux flow oscillators for sub-mm wave receivers," IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, pp. 2905-2908 (1997).

[15] V. P. Koshelets, S. V. Shitov. L. V. Filippenko, A. M. Baryshev, W. Luinge, H. Golstein, H. van de Stadt, J. R. Gao, Th. de Graauw, "An integrated 500 GHz receiver with superconducting local oscillator", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, pp. 3589-3592 (1997).

[16] V. P. Koshelets, S. V. Shitov. A. V. Shchukin, L. V. Filippenko, J. Mygind, A. V. Ustinov, "Self-pumping effects and radiation linewidth of Josephson flux-flow oscillators," Phys. Rev. B, vol. 56, No. 9, pp. 5572-5577 (1997).

[17] S.V. Shitov. V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.M. Baryshev, W. Luinge, J.-R. Gao, "Superconducting chip receivers for imaging application," IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 9, pp. 3773-3776 (1999).

[18] P. Barbara, A. B. Cawthorne, S. V. Shitov. C. J. Lobb, "Stimulated emission and amplification in Josephson-junction arrays," Phys. Rev. Lett., vol. 82, p. 1963 (1999).

{19] B. Cawthorne, P.Barbara, S. V. Shitov. C.J.Lobb, K. Wiesenfeld, and A. Zangwill, "Synchronized oscillations in Josephson-junction arrays: the role of distributed coupling," Phys. Rev. B, vol. 60, p. 7575 (1999).

[20] P.Barbara, B. Va$ilic, A. B. Cawthorne, S. V. Shitov, C.J.Lobb, "Josephson Junction Masers," Proc. 12th Int. Symp. Superconductivity, Oct. 17-19, 1999, Morioka, Japan, T. Yamashita and K. Tanabe Eds., SpringerVerlag, Tokyo.

[21] B. Vasilic, S. V. Shitov. C. J. Lobb, P. Barbara, "Josephson-junction arrays as high-efficiency sources of coherent millimeter-wave radiation," Appl. Phys. Lett. 78,1137-9 (2001).

' [22] B. Vasilic, P. Barbara, S. V. Shitov. C. J. Lobb, "Direct observation of a threshold for coherent radiation in unshunted Josephson-junction arrays with ground-planes," Phys. Rev. B, 65, R180503 (2002).

[23] S. V. Shitov; V. P. Koshelets, L. V. Filippenko, P. N. Dmitriev, V. L. Vaks, A. M. Baryshev, W. Luinge, N. D. Whyborn, J.-R. Gao, "A superconducting integrated receiver with phase-lock loop", IOP Conf. Ser. No. 167, vol. 2, pp. 647-650 (2000).

[24] V. P. Koshelets and S. V. Shitov, "Integrated superconducting receivers," Superconductor Science and Technology, vol. 15, No 5, pp. R1-R17 (2000), Topical Review (invited).

. [25] V.P. Koshelets. ■ S.V. Shitov. L.V. Filippenko, V.L. Vaks, J.Mygind, A.B. Baryshev, W. Luinge, N. Whyborn, "Phase locking of 270-440 GHz Josephson flux flow oscillator," Rev. Sci. Instr., v. 71, №1, pp. 289-293 (2000).

[26] D. Abraimov, A. V. Ustinov, S. V. Shitov. "Imaging sub-millimeter waves in planar cryoelectronic circuits by scanning laser microscopy," IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 11, No 1, pp. 716-720 (2001).

[27] B. Vasilic, P. Barbara, S. V. Shitov. C. J. Lobb, "Constant-voltage resonant steps in underdamped Josephson-junction arrays and possibilities for

optimal millimeter-wave power output," IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 11, No l,pp. 1188-1190(2001).

[28] S. V. Shitov. V. P. Koshelets, G. V. Prokopenko, L. V. Filippenko, A.B. Ermakov, A. M. Shtanyuk, M. Levitchev, H. Kohlstedt, A. V. Veretennikov, A. V. Ustinov, "Integrated superconducting receiver as 400-600 GHz tester for coolable devices," IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.11, No 1, pp. 832-835 (2001).

[29] V. P. Koshelets, A. B. Ermakov, S. V. Shitov. P. N. Dmitriev, L. V. Filippenko, A. M. Baryshev, W. Luinge, J. Mygind, V. L. Vaks, D. G. Pavel'ev, "Superfine resonant structure on IV-curves of long Josephson junction and its influence on flux flow oscillator linewidth," IEEE Trans. Appl. Supercond., v. 11, №1, pp. 1211-1214 (2001).

[30] A.B. Ermakov, S.V. Shitov. A.M. Baryshev, V.P. Koshelets, W.Luinge, "A data acquisition system for test and control of superconducting integrated receivers," IEEE Trans. Appl. Supercond., v. 11, №1, pp. 840-843 (2001).

[31] L. V.Filippenko, S. V. Shitov, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, V. P. Koshelets, and J. R. Gao, "Integrated superconducting receiver: fabrication and yield," IEEE Trans. Appl. Supercond., v. 11, №1, pp. 816819 (2001).

[32] B. D. Jackson, A. M. Baryshev, G. de Lange, J-R. Gao, S. V. Shitov. N. N. Iosad, T. M. Klapwijk, "Low-noise 1 THz superconductor-insulator-superconductor mixer incorporating a NbTiN/Si02/Al tuning circuit," Appl. Phys Let., vol. 79, No 3, pp. 436-438 (July 2001).

[33] S.V. Shitov. B.D.Jackson, A.M. Baryshev, A.V.Markov, N.N. Iosad, J.-R. Gao T.M. Klapwijk, "A low-noise double-dipole antenna SIS mixer at 1 THz," Physica C, 372-376 (2002) 374-377.

[34] V.P. Koshelets, S.V. Shitov. P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, V.V. Khodos, V.L. Vaks, A.M. Baryshev, P.R. Wesselius, J. Mygind,

' 'Towards a Phase-ilocked Superconducting Integrated Receiver: Prospects and Limitations", Physica C, 367, pp. 249 - 255, (2002).

[35] S.V. Sbitov, V.P. Koshelets, An.B. Ermakov, P.N. Dmitriev, L.V. Filippen-ko'; P.A. Yagoubov, W.-J. Vreeling, P.R. Wesselius, V.V. Khodos, V.L. VkKS, "An integrated receiver with phase-locked superconducting oscillator," Applied Superconductivity Conf., Хьюстон, США, авг. 2002, 4EA10, принято к публ. IEEE Trans. Appl. Supercond. (2003).

[36] 'S:£ohjiro, Z. Wang, S. V. Shitov. S.Miki, A.Kawakami, A. Shoji,

л

"Radiation ffower of ' NbN-based flux-flow oscillators for THz-band integrated SIS receivers," Applied Superconductivity Conf., Хьюстон, "'США; afir. 2002, докл. 2ЕВ06, принято к публ. IEEE Trans. Appl. Supercond1. (2003).

[37] С. В. Шитов. Х. В. Марков, Б. Д. Джексон, А. М. Барышев, H. Н. Иосад, " Дж.-Р. Гао, Т. М. Клапвик, «Малошумящий СИС-смеситель на частоту ' 1 ТГц с двойной дипольной антенной», Журнал технической физики,

" т. 72, №9,2002, с. 87-92.

[38] ' S.V. Shitov. A.V. Markov, B.D. Jackson, A.M. Baryshev, N.N. Iosad, J.« ' K. Gao, T.M. Klapwijk, "1-THz low-noise SIS mixer with a double-dipole

antenna," Technical Physics, v. 47, №. 9, 2002, pp. 1152-1157. Translated

*'femi Zhurnal Tekknicheskoi Fiziki, v. 72, No. 9,2002, pp. 87-92,

•<. f*

" >, ■ .

«

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Петербург 09 500 акт

34

I

I

I !

Г

I Подписано в печать 20.03.2003 г. Формат 60x90, 1/16.

Объем 2 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 70 Отпечатано в ООО «Фирма Блок» 107140, г. Москва, ул. Русаковская, д.1. т. 264-30-73 www.blok01centre.narod.ru

I

Изготовление брошюр, авторефератов, переплет диссертаций.

I

I

I

72 27

* " 728 3

i

I

С

I

»

ПРЕДИСЛОВИЕ стр

П1 Область исследования.

П2 Порядок изложения материала.

ПЗ Основные положения, выносимые на защиту.

П4 Вопросы авторства и публикация результатов.

П5 Аннотация.

Глава 1 Сверхпроводниковые туннельные переходы на СВЧ

1.1 Сверхпроводниковые туннельные переходы - детекторы СВЧ

1.1.1 Электрофизические свойства.

1.1.2 Импеданс на СВЧ и полоса частот.

1.1.3 Эффективность и шумовая температура смесителя

1.2 Принципы построения СИС смесителей

1.2.1 Проблема согласования СИС перехода.

1.2.2 Цепочки СИС переходов.

1.2.3 Интегральные настроечные элементы.

1.2.4 Линии передачи из сверхпроводников.

1.2.5 Поверхностный импеданс.

1.2.6 Волноводные и квазиоптические СИС смесители

1.2.7 Матричные приемники.

1.2.8 Масштабное моделирование.

1.3 Сверхпроводниковые осцилляторы

1.3.1 Эффект Джозефсона.

1.3.2 Цепочки джозефсоновских переходов.

1.3.3 Распределенные туннельные переходы.

1.4 Выводы по Главе

Глава 2 Оптимизация СИС смесителей в квантовом режиме

2.1 Концепция оптимального включения

2.1.1 Оптимальное число переходов.

2.1.2 Мощность насыщения.

2.2 Волноводные СИС смесители

2.2.1 Приемники диапазонов 3, 6 и 8 мм.

2.2.2 Преобразование с усилением.

П. 1. Область исследования.

Глубокое охлаждение до температуры жидкого гелия и даже ниже, по современным данным, является общим условием для повышения чувствительности регистрирующих устройств. При низких температурах тепловые флуктуации могут стать меньше квантовых флуктуации сигнала, что позволяет создавать практические приемные системы, работающие вблизи фундаментального минимума шумов. Нелинейные электродинамические системы сверхвысоких частот (СВЧ) из сверхпроводников при температуре жидкого гелия естественным образом подходят на роль малошумящих регистраторов. Одним из принципиальных преимуществ сверхпроводниковых над полупроводниковыми приборами является отсутствие в сверхпроводниках сопротивление растекания, что позволяет избавиться от потерь на СВЧ даже в условиях значительной паразитной емкости.

Высокочастотные нелинейные приборы СВЧ из сверхпроводников можно условно разделить на несколько типов. Судя по количеству публикаций, главные усилия в настоящее время сконцентрированы на исследовании туннельных переходов типа СИС (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник), приборов с эффектом Джозефсона и болометров на горячих электронах. Наибольшую известность получил макроскопический квантовый эффект Джозефсона. Этот нелинейный эффект описывает процесс протекания сверхпроводящего и быстро осциллирующего тока между двумя электродами из сверхпроводников, образующими так называемую слабую связь. Эффект Джозефсона может быть использован в различных радиотехнических приборах, например, для накачки смесителей или в метрологии. На рынке высоких технологий уже нашли свое место сверхчувствительные датчики магнитного поля на основе эффекта Джозефсона - сквиды, способные работать в качестве усилителей постоянного тока. Ведутся активные разработки цифровых устройств, в которых эффект Джозефсона используется для генерации тактовых импульсов и обработки потока данных.

В прошлом эффект Джозефсона исследовался в схемах с точечным (механическим) контактом двух сверхпроводников. Однако наиболее стабильные результаты были получены с СИС переходами, изготовленными с помощью интегральной технологии, где слабая связь реализуется за счет туннельного барьера из диэлектрика толщиной в несколько атомных слоев. В СИС переходах равный интерес представляет сильная нелинейность тока нормальных электронов. Ряд авторов называет эту нелинейность наиболее сильной нелинейностью в природе. Фоновый ток СИС детектора чрезвычайно мал и определяется физической температурой. Это позволяет использовать СИС переход в качестве счетчика фотонов с эффективностью близкой к единице. При воздействии на СИС переход высокочастотной накачки (гетеродина) происходит туннелирование, стимулированное фотонами. Этот квантовый процесс позволяет получать преобразование частоты вниз с усилением и шумами, ограниченными лишь квантовыми флуктуациями. В диапазоне частот 401000 ГГц СИС смесители на основе ниобия (ЫЬ-А10Х-ЫЬ) признаны на сегодня наиболее эффективными гетеродинными детекторами для радиоастрономии при изучении спектров межзвездного излучения. Таким образом, СИС переходы являются уникальными приборами пригодными для генерации, регистрации, усиления и цифровой обработки слабых сигналов в диапазоне от постоянного тока до частот порядка одного терагерца. По мнению автора, значение СИС переходов в сверхпроводниковой электронике сегодня аналогично роли транзисторов в полупроводниковой электронике, а изучение возможностей их интеграции в составе сложных интегральных схем - одним из наиболее перспективных направлений исследования.

П2. Порядок изложения материала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ