Терагерцовый детектор и смеситель на основе ВТСП джозефсоновских контактов

Чрезвычайно высокая характерная частота и сильная нелинейность высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) джозефсоновских структур позволяют создавать на их основе системы для приема излучения терагерцового диапазона с характеристиками, превосходящими параметры приборов, основанных на других принципах. Целью проекта являлась разработка, изготовление и исследование структур на основе YBaCuO джозефсоновских переходов на бикристаллических подложках и их применение для приема сигналов ГГц и суб-ТГц частот в режиме прямого детектирования и в режиме смесителя. В рамках выполнения данного проекта проведен полный цикл исследований и разработок ВТСП приёмников: численное моделирование систем и предварительная оценка характеристик, изготовление образцов, разработка измерительных схем и сборка стендов по исследованию транспортных и высокочастотных характеристик приёмников, сборка лабораторного стенда спектрометра с использованием ВТСП смесителя, практическое применение разработанных приемников для решения других научных задач. 1. Электро-магнитное моделирование. Проведено электро-магнитное моделирование системы смесителя с гетеродином на основе ВТСП джозефсоновского перехода на одном чипе. Предложенный новый дизайн смесителя, совмещающий в себе антенну Вивальди с лог-периодической антенной, позволяет реализовать смешение на одном чипе: прием внешнего сигнала осуществляется перпендикулярно к структуре с помощью лог-периодической антенны, в то время как опорный сигнал распространяется вдоль подложки, излучаемый антенной Вивальди. Проведено электромагнитное моделирование системы смесителя с гибридной антенной с использованием кремниевой линзы, исследована диаграмма направленности антенны. 2. Численное моделирование ВТСП джозефсоновских приемников. В ходе работы было проведено всестороннее исследование смесителя на основе ВТСП джозефсоновского перехода, включающее в себя прямое численное моделирование, а также вывод аналитических формул. Оптимизация работы смесителя на основе ВТСП джозефсоновского перехода была выполнена в рамках уравнения Ланжевена. Анализ смесителей был проведен для целого ряда экспериментальных значений параметров переходов, представленных в литературе. Оптимальные параметры работы смесителя определены в зависимости от целого ряда характеристик: напряжения смещения, мощности гетеродина, частоты и мощности ВЧ сигнала, номера гармоники. Потери на преобразование были определены для параметров переходов, отличающихся в том числе значениями нормальных сопротивлений и параметром ICRN. Кроме того, была найдена зависимость шумовой температуры от нормального сопротивления RN, интенсивности шума γ, напряжения смещения. Полученные аналитические формулы имеют практическую значимость для реализации джозефсоновских смесителей, позволяя легко оценивать их параметры и выбирать оптимальный режим работы. 3. Технология изготовления ВТСП джозефсоновских переходов Для изготовления джозефсоновских смесителей использован новый подход к формированию планарных YBaCuO структур. В качестве материала задающей маски была использована аморфная пленка оксида церия CeO2. Порядок изготовления структуры следующий: на бикристаллической фианитовой подложке формировалась маска из фоторезиста, после чего при комнатной температуре на подложку напылялся оксид церия. Затем фоторезист вместе с напыленной на него пленкой оксида церия удалялся с подложки в ацетоне в ультразвуковой ванне. Таким образом, на подложке создавалась маска из аморфной пленки оксида церия, в которой вскрыты окна для последующего формирования в них сверхпроводящих элементов. После изготовления задающей маски на подложку осаждался оксид церия CeO2 при температуре Td = 900°C, и в завершении выращивалась пленка YBCO при температуре Td = 800°C. В результате в окнах, на подслое эпитаксиального оксида церия формировались сверхпроводящие элементы заданного рисунка, а между ними, там, где подложка была покрыта пленкой аморфного оксида церия, — изолирующие области. Оксид церия наносился распылением керамической мишени состава CeO2 излучением эксимерного лазера (λ = 248 nm) в атмосфере кислорода. Пленка YBCO осаждались методом магнетронного напыления в стандартных условиях для эпитаксиального роста YBCO. Металлизация антенн и контактные площадки формировались методом lift-off: оптической фотолитографией и термическим напылением серебра. Для уменьшения контактного сопротивления металл-YBCO структура на заключительном этапе формирования отжигалась в атмосфере кислорода. 4. Экспериментальные исследования ВТСП приёмников; сборка стендов Рассчитаны, изготовлены и измерены последовательные цепочки ВТСП джозефсоновских переходов с оптимизированной лог-периодической антенной, работающие в режиме смешения ТГц сигналов. В результате исследования обнаружены два режима: при низких температурах наблюдается рассогласованное возбуждение переходов в цепочке, при высоких температурах возникают "гигантские" ступени Шапиро, свидетельствующие о синхронизации переходов. Проведены исследования характеристик смесителя с использованием операции смешения с высшими гармониками гетеродинного сигнала. Для оптимального уровня накачки частотой 3 ГГц обнаружена ненулевая амплитуда промежуточной частоты при смешении с сигналом 120 ГГц на 40 гармонике. Показано, что в оптимальном режиме работы смесителя конфигурация последовательной цепочки позволяет использовать режим нулевого смещения. Разработанный ВТСП смеситель был использован для спектральных измерений ширины линии НТСП генератора. Исследование ширины линии джозефсоновского излучения проведено с помощью супергетеродинного приёмника, смесителем в котором являлся бикристаллический джозефсоновский переход на основе высокотемпературного YBaCuO сверхпроводника. Спектральные измерения проведены в частотных диапазонах 150-180 ГГц и 225-250 ГГц. Массив НТСП генераторов представлял собой 9996 последовательно соединенных переходов Nb/NbSi/Nb, размещённых на параллельных однополосковых линиях длиной 7.1 мм. Использование данной схемы измерений обеспечивало более высокую чувствительность приёмника из-за смешения на первой или второй гармонике, но требовало более тонкой и длительной настройки по сравнению со схемой, использующей НЧ генератор.