Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Институт радиотехники и электроники им. В.А. КотельниковаРоссийской академии наук

Торгашин Михаил Юрьевич

Разработка и исследование джозефсоновских генераторов терагерцового диапазона на основе

распределенных туннельных переходов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

(Специальность 01.04.03 – Радиофизика)

Научный руководительпроф., д.ф.-м.н. В.П. Кошелец

Москва, 2013

1 октября 2013 г 2

• Введение – инструмент TELIS как тестовая площадка для отработки новых решений

• Экспериментальные методики, спектрометр Фурье.– модернизация измерительных систем, – исследование АЧХ входного тракта сверхпроводникового приемника для TELIS

• Распределенные джозефсоновские переходы Nb-AlOx-Nb– принцип действия и конструкция, спектральные свойства,– зависимость спектральных параметров от конструкции перехода

• Распределенные джозефсоновские переходы Nb-AlN-NbN– конструкция перехода и экспериментальных образцов; выбор материалов,– сравнение характеристик с образцами на основе Nb-AlOx-Nb

• Установка замкнутого цикла на основе Cryomech PT-405– разработка криостата для системы охлаждения замкнутого цикла,– применение установки для интегральных схем с распределенными

джозефсоновскими генераторами.

План доклада:


• ТГц диапазон– Радиоастрономия– Исследование атмосферы, эко-мониторинг– Медицина– Системы безопасности– Системы связи

Раздел 1. Введение


TELIS – Terahertz and Submillimeter Limb Sounder500 ГГц 500-650 ГГц 1,8 ТГц

Ведущий разработчик

RAL, Англия SRON, Нидерланды DLR, Германия

Технологиясмесителя

Nb-AlOx-Pb Nb-AlOx-NbNb-AlN-NbN

NbN HEB смеситель

Оконечный спектрометр

Цифровой автокоррелятор, полоса 2 х 2 ГГц, разрешение ~ 2 МГц

Атмосферный спектр на высоте 27 км (расчет)


Сверхпроводниковый интегральный приемник (СИП)

4 ГГц

ПЧспектрометр

Криостат T = 4,2 К

СИС смеситель

гармоническийсмеситель

Микросхема

ФАПЧ

ПЧ4-8 ГГц

Блок опорныхсинтезаторов

20 ГГц РДП Гетеродин

500-650 ГГц

Система управленияи сбора данных

HEMTусилитель

400 МГц


• Экспериментальное исследование и оптимизация характеристик распределенных джозефсоновских переходов, предназначенных для использования в качестве гетеродина для накачки СИС-смесителя.

• Исследование влияния электрофизических и топологических параметров туннельных переходов на спектральные характеристики генерации переходов на основе структур Nb-AlOx-Nb. Исследование пределов возможной оптимизации генераторов на таких переходах.

• Исследование новых типов распределенных генераторов на основе материалов с щелевым напряжением, отличным от ниобия, для расширения области применения РДП в качестве интегрального генератора гетеродина. Определение электрофизических параметров переходов нового типа и их спектральных характеристик в субтерагерцовом частотном диапазоне.

Постановка задачи:


Раздел 2. Экспериментальные методики. Спектрометр Фурье.

Измерение АЧХ антенны СИП Модуль питания СИП для TELIS

Измерение вольт-амперныххарактеристик

Исследование спектральных характеристик


Оптическая схема

Спектрометр Фурье.

Расчет интенсивности излучения, прошедшего через одно плечо интерферометрадля делителя луча из майлара различной толщины (пунктиром – с учетом поглощения).

𝛿 𝑓 =𝑐

2∙𝐿𝑚𝑎𝑥


1 – Криостат, 2 – неподвижное зеркало, 3 – делитель луча, 4 – подвижное зеркало, 5 – источник излучения

Лабораторный спектрометр Фурье в ИРЭ РАН


5-точечная схема подключения образца

Изготовлена печатная плата трехканального НЧ фильтра питания.

Расчетная АЧХ фильтров показана справа.


Криостат для спектрометра Фурье


450 500 550 600 650 700 750 8000.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

Де

тект

ор

ны

й о

ткл

ик

(отн

. е

д.)

Частота (ГГц)

T4m-061#01 T4m-061#04 T4m-061#20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

500

520

540

560

580

600

620

640

660

680

Lin

e o

cc

urr

en

ce

АЧХ входного тракта СИП, измеренная с помощью спектрометра Фурье

Гистограмма количества потенциально наблюдаемых спектральных линий для TELIS

R. Hoogeveen, TELIS technical notes TLS-SRON-TN-2004-028, 14/01/2005


Раздел 3. Исследование распределенных джозефсоновских генераторов на основе Nb-AlOx-Nb

а) Модель распределенного джозефсоновского перехода в разрезе,б) переход с продольной инжекцией тока, в) переход с поперечной инжекцией тока.


Экспериментальные образцы

РДП Трансформатор импеданса

Развязка питания

Тракт ПЧи 20 ГГц

СИС

смеситель20 ГГц

0 - 1 ГГц250-700 ГГц

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00

20

40

60

80

100

120

140

160

1 - Прямая ветвь2 - Обратная ветвь

То

к с

ме

ще

ни

я, м

А

Напряжение смещения, мВ

1

2

ВАХ РДП в отсутствие магнитного поля


Семейство вольт-амперных характеристик РДП

VJSC = Vg/(2n+1)

Джозефсоновская самонакачка:

Ступени Фиске:

𝑉 𝑛=h

2𝑒𝑓𝑛

= h2𝑒 (𝑐0𝑛

2𝐿 )

Шаг по току контрольной линии между кривыми ΔIcl = 2 мА

Спектральная характеристика:

𝛿 𝑓 =𝑅𝑑2 𝑆𝐼 (0 ) ,

𝑅𝑑=𝑅𝑑𝐵+𝐾 𝑅𝑑

𝐶𝐿=¿𝜕𝑉𝜕 𝐼𝐵

+𝐾𝜕𝑉𝜕 𝐼𝐶𝐿

А. Pankratov, Physical Review B, 65(5), 054504-1–9 (2002).

V.P. Koshelets et. al., Superconductor Science and Technology, (14), 1040-

1043, (2001)


Согласование РДП и гармонического СИС смесителя

Зависимость ВАХ СИС-смесителя от частоты РДП Зависимость ВАХ СИС смесителя от мощностиРДП на частоте 600 ГГц.

Профили тока накачки СИС смесителя вдоль кривых вольт-амперной характеристики

РДП.

Продемонстрировано согласование РДП и СИС в диапазоне 360-710 ГГц


Исследование спектральной характеристики РДП

1 – РДП, 2 – СИС-смеситель, 3 – источник питания, 4 ‑ направленный ответвитель, 5 – опорный синтезатор 20 ГГц,

Блок-схема измерительной установки

6 - охлаждаемый усилитель ПЧ, 7 – «теплый» усилитель ПЧ, 8 - система ФАПЧ, 9 ‑ анализатор спектра


Спектр излучения РДП в режиме частотной и фазовой стабилизации (кривые А и В, соответственно) на частоте 707,45 ГГц

707,40 707,42 707,44 707,46 707,48 707,50

-35

-30

-25

-20

-15

-10

B

A

Span - 100 MHz

Resolution bandwidth - 1 MHz

IF O

utp

ut

Po

we

r (d

Bm

)

FFO Frequency (GHz)

Phase Locked at 707.45 GHz

Frequency Locked

Частота РДП

Вы

х. м

ощно

сть

на П

Ч (

дБ

м)

Спектральные свойства РДП

400 500 600 7000

10

20

30

40

50 HD11-01#20 (W = 5 m) HD11-01#25 (W = 8 m) HD11-01#25 (W = 12 m) HD11-01#10 (W = 16 m)

По

лу

ши

ри

на

ли

ни

и г

ен

ер

ац

ии

(М

Гц

)

Частота РДП (ГГц)

Зависимость полуширины спектральной линии генерации распределенного перехода

от частоты для разной ширины перехода.


Зависимость спектральных свойств РДП от ширины перехода

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

0

5

10

15

20

25

30

0

15

30

45

60

75

90

Сп

ект

ра

ль

но

е к

ач

ес

тво

РД

П (%

)

Ши

ри

на

сп

ект

ра

ль

но

й л

ин

ии

(М

Гц

)

Ширина РДП, W (m)

, fFFO

= 526 GHz

, fFFO

= 616 GHz

, fFFO

= 706 GHz

Зависимость полуширины спектральной линии (левая ось) и спектрального качества (правая ось) для РДП с различной шириной перехода,

измеренные для трех частот (526 ГГц, 616 ГГц, 706 ГГц).

С ростом ширины перехода растет и необходимый ток смещения РДП. Это приводило к перегреву микросхем в полетной конструкции держателя.

На основании данных измерений микросхем СИП рекомендована ширина перехода W = 16 мкм.


Влияние плотности критического тока

900 1000 1100 1200 1300 1400 15000

200

400

600

800

Ши

ри

на

ли

ни

и н

ор

м.

на

пл

отн

ост

ь т

ока

(a.

u.)

Напряжение РДП (мкВ)

Jc=9.5kA/cm2

Jc=6.9kA/cm2

Jc=5.5kA/cm2

• Увеличение плотности критического тока туннельных структур позволяет повысить рабочую частоту СИС смесителей и расширить динамический диапазон.

• Показано, что увеличение плотности критического тока приводит к пропорциональному росту ширины линии генерации РДП.

Оптимальное значениеJc = 6 – 7 кА/см2

300 350 400 450 500 550 600 650 7000

10

20

30

40

50

Jc=8.5kA/cm2, Ib=15mA



По

луш

ир

ин

а с

пект

рал

ьн

ой

ли

ни

и (

МГ

ц)



РДП

Согласующая структура

ГармоническийСИС смеситель

ПЧ выход и20 ГГц

0.5 мм

Переходы с гребенчатым верхним электродом


Переходы с гребенчатым верхним электродом


Ши

ри

на

спек

трал

ьн

ой

ли

ни

и (

МГ

ц)


Раздел 4. Генераторы на основе структур Nb-AlN-NbN

Схематическое изображение туннельного перехода на основе трехслойной структуры

Nb-AlN-NbN с разводкой из Nb

0 1 2 3 4 5 6 70

50

100

150

200

250

300

То

к С

ИС

(м

кА)

Напряжение СИС, (мВ)

Частота ФФО: 0 ГГц 400 ГГц 500 ГГц 600 ГГц 700 ГГц

HD13-09#26 (Vg=3.7 мВ, Rn = 21 Ом)

ВАХ СИС смесителя Nb-AlN-NbN под воздействием излучения РДП на

частоте 400, 500, 600 и 700 ГГц.

• Щелевое напряжение изготовленных переходов Vg = 3,7 мВ


ΔNbN/e = 2,3 мВ.

VJSC = Vg/(2n+1)

Джозефсоновская самонакачка:

Напряжение РДП (мВ)

Ток

смещ

ения

РД

П (

мВ

)

Vjsc = Vg/5Vjsc = Vg/3

Энергетическая щель в полученной

пленке NbN:

Полоса согласования с СИС смесителем:

~ 0,8 – 1,5 мВ380-700 ГГц

Семейство вольт-амперных характеристик РДП


Поиск рабочей точки на ступенях Фиске

Продолжение работ:

Киселев О.С.,Диссертация к.ф.-м.н.«Исследование основных характеристик и разработка алгоритмов управления сверхпроводниковым интегральным приемником», Москва, 2011

Кинев Н.В.Диссертация к.ф.-м.н.«Генерация и прием ТГц излучения с использованием сверхпроводниковыхинтегральных устройств»,Москва, 2013

• Для распределенных переходов на основе Nb-AlN-NbN (W = 16 мкм, L = 400 мкм, Jc = 7kA/см2) реализовано сплошное покрытие спектрального диапазона в режиме ступеней Фиске.


350 400 450 500 550 600 650 700 7500

5

10

15

20

По

лу

шир

ин

а л

ин

ии

(М

Гц

)


Nb-AlN-NbN Nb-AlOx-Nb

• Проведено сравнение спектральных характеристик для РДП оптимизированной конструкции (W = 16 мкм, длина L = 400 мкм, ширина области перекрытия электродов Wi = 10 мкм).

Зависимость спектральной характеристики от частоты

Частота РДП, ГГц

Измеряемые вещества

495.04 H218O

496.88 HDO

505.60 BrO

507.27 ClO

515.25 O2

519.25 BrO и NO2

607.70 O3

619.10 HCl, ClO и HOCl

Характерные спектральные линии, выбранные для TELIS


Зависимость спектральных свойств РДП от частоты

300 400 500 600 7000

20

40

60

80

100

СК Nb-AlN-NbN f Nb-AlN-NbN СК Nb-AlOx-Nb f Nb-AlOx-Nb


Сп

ектр

аль

но

е ка

чес

тво

РД

П (

%%

)

0

1

2

3

4

5

6

7

Ши

ри

на л

ин

ии

РД

П (М

Гц

)

Ширина перехода W = 30 мкм

Зависимость полуширины спектральной линии РДП от частоты (пунктирные кривые) и спектрального качества РДП (сплошные

кривые) в режиме ФАПЧ для переходов на основе Nb-AlN-NbN/Nb и Nb-AlOx-Nb.

HD14#23


Раздел 5. Криогенная система замкнутого цикла

Трехмерная модель криостата с охлаждающей головкой Cryomech PT-405

Система охлаждения замкнутого цикла на импульсных трубках

Cryomech PT-405

• Потребляемая мощность: 7 кВт

• Производительность второй ступени системы охлаждения

500 мВт @4,2 К

Запас мощности у оснащенной системы:

около 70 мВт


1600 1610 1620 1630 1640 16503.40

3.41

3.42

3.43

3.44

3.45

3.46

Тем

перату

ра,

К

Время, с

Temperature (Sens 207)

Осцилляции температуры

Амплитуда колебаний температуры, измеренная на рабочей пластине составляет 0.05 К

Осцилляции тока СИС смесителя в заданной рабочей точке при подаче сигнала РДП. (Vsis = 3 мВ, частота

излучения РДП 497 ГГц). Период колебаний Т ~ 0,7 с,

амплитуда < 1.5 мкА


360 380 400 420 440

-50

-40

-30

-20

-10

Ам

пл

иту

да

, д

бм

Промежуточная частота, МГц

Фазовая синхронизация

Частотная синхронизация

(с усреднением)

Частотная синхронизация

(без усреднения)

Измерение сверхпроводникового интегрального приемника

Рабочая температура ниже 4 К приводит к изменению вольт-амперных характеристик: при тех же напряжениях требуется задавать больший ток контрольной линии.

В зависимости от рабочей точки осцилляции частоты РДП могут составлять сотни МГц.Система ФАПЧ справляется с колебаниями +/- 100 МГц.

• Необходимо применение дополнительных систем для стабилизации температуры.


Заключение. Результаты работы

1) Экспериментально исследована зависимость электрофизических и спектральных характеристик РДП от топологии туннельного контакта. Выявлена зависимость дифференциального сопротивления РДП от геометрической ширины перехода и размера области перекрытия электродов; определены оптимальные значения параметров, приводящие к существенному уменьшению ширины линии генерации РДП.

2) Исследован генератор на основе распределенного джозефсоновского перехода Nb-AlN-NbN с согласующими структурами из Nb, который позволяет расширить область применения генераторов на основе РДП в диапазоне 250-700 ГГц.

3) Экспериментально исследованы спектральные характеристики образцов РДП на основе туннельных структур Nb-AlN-NbN в диапазоне 250 – 700 ГГц. Ширина автономной линии генерации в диапазоне 250-700 ГГц составляет от 2 до 7 МГц, излучаемая мощность - около 0,5 мкВт. Форма спектральной линии определяется, как и в случае переходов Nb-AlOx-Nb, широкополосными токовыми флуктуациями


Заключение. Результаты работы

4) Проведено экспериментальное исследование спектральной чувствительности интегральных линзовых антенн для серии образцов микросхем сверхпроводниковых приемников. Цель исследования: отбор микросхем для проекта TELIS (наклонное зондирование атмосферы, канал 490 - 630 ГГц).

5) Разработано несколько криогенных измерительных систем, в частности, криогенная система замкнутого цикла для сверхпроводникового интегрального приемника. Продемонстрирована возможность эксплуатации сверхпроводникового интегрального приемника с РДП в криосистеме замкнутого цикла. Обнаружены ограничения, возникающие при работе с такой системой. Предложены способы решения возникающих проблем.


Спасибо за внимание!


Диаграмма направленности СИП для ТЕЛИС

-40 -20 0 20 40-40

-20

0

20

40

Horizontal scan, mm

Ver

tica

l sca

n, m

m

-180.0

-120.0

-60.00

0

60.00

120.0

180.0

-40 -20 0 20 40-40

-20

0

20

40

Horizontal scan, mm

Ve

rtic

al s

can

, mm

-80.00

-72.00

-64.00

-56.00

-48.00

-40.00

-32.00

-24.00

-16.00

-8.000

0

Амплитуда

Фаза


Теоретические модели:

• Уравнение синус-Гордона

[ 𝜑𝑥𝑥−𝜑𝑡𝑡−sin𝜑=𝛼𝜑𝑡− 𝛽𝜑 𝑥𝑥𝑡−𝛾 ,𝜑𝑥 (0 , 𝑡 )+𝛽𝜑𝑥𝑡 (0 , 𝑡 )=− Г 𝑒 ,

𝜑𝑥 (𝐿 , 𝑡 )+𝛽𝜑 𝑥𝑡 (𝐿 ,𝑡 )=− Г𝑒−𝜑𝑡 (𝐿 , 𝑡)/𝑅𝐿𝑜𝑎𝑑

Уравнение синус-Гордона позволяет исследовать динамику сверхпроводящей фазыв распределенном джозефсоновском переходе в зависимости от времени (движение вихрей), а также позволяет получить общий вид вольт-амперных характеристик в зависимости от профиля тока смещения.

Y. Zhang, Theoretical and experimental studies of the flux-flow type Josephson oscillator,Ph.D.-thesis, Chalmers University of Technology, (1991)

• Ширина спектральной линии

А. Pankratov, Physical Review B, 65(5), 054504-1–9 (2002).

V.P. Koshelets et. al., Superconductor Science and Technology, (14), 1040-1043, (2001)

𝛿 𝑓 =𝑅𝑑2 𝑆𝐼 (0 ) ,

𝑆𝐼 (0 )= 12𝜋 [𝑒 𝐼𝑁+2𝑒 𝐼𝑆 ]

𝐼𝑆+𝐼𝑁=𝐼

𝑅𝑑=𝑅𝑑𝐵+𝐾 𝑅𝑑

𝐶𝐿=𝜕𝑉𝜕 𝐼𝐵

+𝐾𝜕𝑉𝜕 𝐼𝐶𝐿

3rd International Atmospheric Limb Workshop

37

What is a Terahertz?

Detection recipe = use radio techniques:• Generate THz signal with well known characteristics• Mix atmospheric signal with generated signal

GHz difference frequency• Analyse difference frequency with conventional electronics

Terahertz signals are hard to detect:• Cannot directly be picked up by electronics• Optical detectors are blind for THz radiation

• f = 1 Terahertz = 1012 Hz l = 300 mm

• 100-1000 THz (=UV/Vis/IR) optics• 0.01 THz (=10 GHz) electronics

3rd International Atmospheric Limb Workshop

38

Why being interested in THz?• Very rich spectrum with well resolved lines

• Almost no Rayleigh scattering (~f 4)• Relative insensitive to PSCs, aerosols, cirrus clouds etc

• Audience: is this true?

• Thermal emission spectrum not dependent on light source

• What kind of transitions? Electronic 1014 Hz (100 THz) Vibrational 1013 Hz (10 THz) Rotational 1012 Hz (1 THz)

Documents

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук