Генерація та детектування НВЧ коливань ланцюжком джозефсонівських контактів ВТНП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова

УДК 621.272.832.01, 537.312.62

Генерація та детектування НВЧ коливань ланцюжком джозефсонівських контактів ВТНП

Спеціальність 01.04.22 - надпровідність

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Ракша Володимир Миколайович

Київ 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Мелков Геннадій Андрійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра кріогенної та мікроелектроніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Пан Володимир Михайлович Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, завідувач відділу надпровідності

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Кузнецов Геннадій Васильович Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач НДЛ фізики і техніки напівпровідників

Провідна установа - Інститут фізики НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться „17” травня 2005 р. о „14” годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 26.168.02 при Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України (03680, м. Київ-142, бул. Акад. Вернадського, 36)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України (03680, м. Київ-142, бул. Акад. Вернадського, 36)

Автореферат розісланий „___” квітня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.168.02 кандидат фізико-математичних наук Т.Л. Сизова

детектування генерація надвисокочастотний джозефсонівський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Використання джозефсонівських контактів (ДК) - один з перспективних шляхів подальшого розвитку сучасних електронних пристроїв, оскільки на їх основі можна побудувати низку електронних приладів з параметрами, недосяжними для приладів на інших принципах роботи, наприклад, детектори та генератори НВЧ, стандарти напруги, змішувачі та ін. (Лихарев, 1985). Але на сьогодні практичного застосування набули прилади на основі низькотемпературних (НТНП) ДК, оскільки високотемпературні (ВТНП) ДК знаходяться лише на стадії вивчення.

Особливу увагу привертає використання одно- та двовимірних ланцюжків ДК, оскільки це дозволить значно покращити параметри пристроїв, наприклад, у джозефсонівських генераторах дозволить зменшити ширину смуги та збільшити потужність випромінювання, у джозефсонівських детекторах - збільшити чутливість та динамічний діапазон. Крім того, використання масивів контактів дозволить вирішити проблему узгодження імпедансів пристроїв та лінії передачі. Для забезпечення синхронності роботи ДК у ланцюжках використовуються складні збуджуючі системи, наприклад, мікросмужкові та площинно паралельні резонатори (Klushin at all, 1995). Враховуючи ці фактори, було запропоновано використати в якості збуджуючої системи для лінійного ланцюжка (ЛЛ) ДК резонатор поверхневої хвилі (РПХ) (Мелков та ін., 1999).

На теперішній час знайшли практичне застосування детектори на основі НТНП ДК. ВТПН детектори володіють значно гіршими характеристиками і тому ведуться активні дослідження з метою їх вдосконалення. Практичної схеми джозефсонівського генератора не існує навіть на НТНП ДК. Основною перешкодою як у випадку НТНП ДГ, так і ВТНП ДГ є мала потужність, широка смуга генерування та проблема неузгодження ДГ та лінії передачі (Darula at all, 1999).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота над дисертацією виконувалась у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка у рамках держбюджетних науково-дослідних робіт “Нелінійні коливання та хвилі НВЧ у високотемпературних надпровідниках та магнетиках” (№ держреєстрації 0197U003174) - відповідальний виконавець та № 01БФ052-01 “Енергетично ефективні методи передачі та обробки сигналів НВЧ та оптичного діапазонів” (№ держреєстрації 0101U002878).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є з'ясування можливості детектування та генерації НВЧ коливань міліметрового діапазону довжин хвиль лінійним ланцюжком (ЛЛ) ВТНП ДК, інтегрованих у РПХ.

Для досягнення зазначеної мети було сформульовано такі основні задачі дослідження:

1. Розробка нової електродинамічної системи збудження ЛЛ ДК.

2. Вимірювання вольт-амперних характеристик (ВАХ) ДК, інтегрованих у РПХ, без та під дією зовнішнього НВЧ опромінення.

3. Дослідження НВЧ властивостей надпровідних і металевих плівок, осаджених на діелектричні підкладки та елементів топології для включення ЛЛ ДК у РПХ, розміщеного у позамежному хвилеводі.

4. Експериментальне знаходження умов оптимізації взаємодії ЛЛ ДК, включеного у РПХ із зовнішнім НВЧ полем основної моди коливань Н₁₀ прямокутного хвилеводу.

5. Дослідження детектування НВЧ ЛЛ ВТНП ДК, інтегрованих у РПХ для різних умов збудження резонатора та визначення чутливості ДК.

6. Дослідження параметрів джозефсонівської генерації ЛЛ ВТНП ДК, інтегрованих у РПХ.

Об'єкт дослідження - симетричні бікристалічні ВТНП ДК, інтегровані в РПХ.

Предмет дослідження -реакція ДК на вплив зовнішнього електромагнітного поля та параметри електромагнітного поля, яке вони генерують.

Методи дослідження: Метод об'ємного резонатора - при перевірці якості досліджуваних ВТНП та металевих плівок. Метод рефлектометрії - при визначенні мікрохвильових властивостей РПХ та ЛЛ ДК включеного у нього. Чотирьохзондовий метод - при вимірюванні ВАХ окремого та ЛЛ ДК включеного у РПХ. Метод термоелектронного вимірювання НВЧ потужностей - при вимірюванні абсолютних значень НВЧ потужності, що діє на ДК. Метод синхронного детектування - при дослідженні детектування НВЧ ВТНП ДК.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в роботі вперше:

Запропоновано нову електродинамічну систему збудження бікристалічних ВТНП ДК у прямокутному хвилеводі міліметрового діапазону довжин хвиль, в якій спостерігається розрідження спектру коливань РПХ.

Експериментально визначені оптимальні умови збудження основною модою Н₁₀ прямокутного хвилеводу напівхвильового та чвертьхвильового РПХ, розташованого у позамежному хвилеводі.

Експериментально досліджені статичні та динамічні ВАХ лінійного ланцюжка з бікристалічними ДК, що включений у напівхвильовий або чвертьхвильовий РПХ, що розміщений у позамежному хвилеводі.

Експериментально досліджено вплив зовнішнього електромагнітного сигналу на ВАХ окремого ДК та ланцюжка ДК, інтегрованих у РПХ.

Експериментально досліджено явище детектування НВЧ лінійним ланцюжком ДК, інтегрованих у РПХ у регулярному та позамежному хвилеводах восьмиміліметрового діапазону довжин хвиль.

Отримано джозефсонівську генерацію з ЛЛ ВТНП ДК, інтегрованого у РПХ та визначено її параметри. Знайдено оптимальні умови для отримання максимальних за амплітудою сходинок Шапіро на ВАХ окремого та лінійного ланцюжка джозефсонівських контактів з різним ступенем їх інтеграції у резонаторі поверхневої хвилі. Досягнуто напругу 30 мВ на першій сумарній сходинці струму на ВАХ лінійного ланцюжка з 450 контактів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що запропоновано нову систему збудження РПХ, при якій подавлені паразитні моди коливань. Визначені оптимальні умови збудження РПХ, розташованого у позамежному хвилеводі, основною модою Н₁₀ прямокутного хвилеводу. Розроблено топології включення лінійного ланцюжка ВТНП ДК у РПХ, що можуть бути використані для детектування та генерування ними мікрохвильового випромінювання.

Особистий внесок здобувача. Виконання всіх описаних у роботі експериментальних досліджень: оптимальних умов збудження РПХ, розташованого у позамежному хвилеводі, основною модою Н₁₀ прямокутного хвилеводу; впливу зовнішнього НВЧ сигналу на ВАХ ланцюжка симетричних бікристалічних ДК, включених у РПХ; детектування зовнішнього НВЧ сигналу бікристалічними ВТНП ДК, інтегрованими у РПХ; джозефсонівської генерації ЛЛ бікристалічних ВТНП ДК, інтегрованим у РПХ.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на 11 конференціях, симпозіумах та семінарах: II российско-украинский семинар „Нанофизика и наноэлектроника” (Украина, Киев, 2000); ІV International Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-millimeter Waves” (Kharkov, Ukraine, 2001); First International Young Scientists Conference On Applied Physics (Kyiv, Ukraine, 2001); Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science (Lviv-Slavsk, Ukraine, 2002); Second International Young Scientists Conference On Applied Physics (Kyiv, Ukraine, 2002); Problems of Optics & High Technology Material Science (Kiyv, Ukraine, 2002); 6^th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS'2003 (Sorrento Napoli, Italy, 2003); Problems of Optics & High Technology Material Science (Kiyv, Ukraine, 2003); International Workshop “Applied Electrodinamics of High-Tc Superconductors and Microwave Electronics” (Kharkov, Ukraine, 2003); Харьковская научная ассамблея ISTFE-15 (Украина, Харьков, 2003); V International Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-millimeter Waves” (Kharkov, Ukraine, 2004).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 17 робіт у вітчизняних та закордонних виданнях: 7 статей, 10 матеріалів та тез конференцій. Серед них статті в журналах „Український фізичний журнал”, „Известия высших учебных заведений “КПИ” “Радиоэлектроника””, “Вісник Київського університету, серія “Радіофізика та електроніка”, “Вісник Київського університету, серія “Фізико-математичні науки”.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить 140 посилань. Робота ілюстрована 62 рисунками і має загальний обсяг 133 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, вказано зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами, сформовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність результатів, відображено особистий внесок автора, апробацію результатів та вказано кількість публікацій за темою дисертації.

У першому розділі, який є оглядом літератури, наведено основні мікрохвильові властивості ВТНП, основні параметри ДК у резистивній моделі, а також проблеми створення детекторів та генераторів на їх основі. Крім того, розглянуто поверхневі електромагнітні хвилі у лінії передачі та резонатори на поверхневих хвилях, їх практичне застосування.

У другому розділі наведено опис зразків для досліджень, опис розвинутих експериментальних методик дослідження: НВЧ властивостей РПХ з топологією та без неї; поверхневого імпедансу металевих плівок та плівок ВТНП; охолодження та регулювання температури зразків; ВАХ ВТНП ДК, інтегрованих у РПХ без та під дією зовнішнього НВЧ опромінення; детектування та генерації НВЧ лінійним ланцюжком ВТНП ДК, інтегрованим у РПХ. Представлено схеми експериментальних установок, що реалізують вищезгадані методи.

Усі основні дослідження виконані для РПХ, розміщеного у позамежному хвилеводі. Вхідний хвилевід 3 являв собою стандартний восьмиміліметровий хвилевід розміром 7.2х3.4 мм², електричне поле хвилеводу спрямоване уздовж осі y. Вихідний хвилевід 2 також був стандартним восьмиміліметровим хвилеводом, але поверненим щодо вхідного навколо осі z на 90⁰. При цьому розміри його “широкої” стінки складали 3.4 мм, що було менше критичного розміру для хвилеводних мод з напрямком електричного поля уздовж осі y, що збуджували у вихідному хвилеводі 2 сигнал із вхідного хвилеводу 3. L - резонансний розмір резонатора 1, W - нерезонансний розмір РПХ. Зазор z визначав величину зв'язку РПХ із вхідним хвилеводом 1, у випадку критичного зв'язку z ? 2.2 мм.

Дослідження проводились для металевих РПХ (Cu, Al, Au, Ag) та для ВТНП РПХ, на основі YBCO. Використовувались резонатори двох типів: /2 та /4. В обох випадках РПХ представляв собою підкладинку з діелектрика (Al₂O₃, LaAlO₃, YSZ), на яку методом лазерного осадження була нанесена плівка металу чи надпровідника. Якість надпровідних плівок контролювалась за допомогою вимірювання поверхневого опору, при цьому використовувались зразки з розмірами 10х10 мм², в яких плівка YBCO була нанесена на підкладинку YSZ. Товщина плівки ВТНП й підкладки була 300 нм та 0,5 мм відповідно. Для визначення оптимальних розмірів резонатора та топології вимірювались наступні характеристики: резонансні частоти, власні добротності, коефіцієнти стоячої хвилі по напрузі (КСХН), коефіцієнти відбивання для різних мод у залежності від таких параметрів, як геометричні розміри резонатора, положення резонатора у хвилеводі, елементів топології на поверхні РПХ. Потім виготовлялись РПХ з ЛЛ бікристалічних ВТНП ДК. Для створення високотемпературних ДК плівка ВТНП напилялась на бікристалічну фіанітову підкладку з кутом розорієнтації 19°, а потім покривались шаром золота товщиною 200 нм. Лінійний ланцюжок ДК створювався витравлюванням окремих ділянок позолоченої плівки ВТНП для створення меандрової смужки ВТНП+золото. На сьогодні відомо декілька різних топологій включення ланцюжка джозефсонівських контактів у кола високої частоти і постійного струму зміщення. Лінійний ланцюжок контактів був названий послідовно-зміщеним паралельним (series-biased рага11е1 аггау) ланцюжком. При такій топології, ДК виявляються включеними послідовно за постійним струмом і паралельно за змінним струмом НВЧ.

Охолодження зразків відбувалось за допомогою мікрокріогенної системи замкненого циклу, яка працює за двоступінчастою схемою Джифорда-Мак-Магона. В якості робочого газу використовувався гелій. Використовуючи захисні екрани, системи регулювання та стабілізації температури можна було отримувати температури від 16 К до 300 К. Нестабільність температури при цьому не перевищувала 10^-3 К.

Для дослідження мікрохвильових характеристик резонаторів поверхневої хвилі використовувались два методи: на прохід та на відбивання. Ці методи дають змогу визначити такі параметри, як: резонансні частоти резонатора для різних мод коливання, власну добротність Q₀, навантажену добротність Q_н, добротність зв'язку Q_зв, коефіцієнт стоячої хвилі по напрузі КСХН, величину зв'язку , коефіцієнт відбивання Г. Використовувались стандартні панорамні вимірювачі, які дозволили проводити дослідження в діапазоні 25-38 ГГц, максимальна потужність опромінення складала 5 мВт.

Вимірювання ВАХ ДК проводилось за допомогою чотирьохзондового методу. Для цього були виготовлені спеціальні вимірювальні секції. Дослідження детектування НВЧ проводились за схемою синхронного детектування, що дозволило значно зменшити вплив шумів та підвищити чутливість. Потужність джозефсонівської генерації вимірювали двома способами: термісторною хвилевідною головкою при генерації НВЧ коливань ланцюжком з 450 контактів та по зміні ВАХ контакту-детектора при генерації НВЧ коливань ЛЛ з10 ДК.

У третьому розділі наведено експериментальні дослідження мікрохвильових характеристик РПХ, який у стандартному хвилеводі представляє собою зручну систему для збудження масивів інтегральних нелінійних елементів. Висока ступінь зв'язку між цими елементами та НВЧ полем забезпечується тим, що усе НВЧ поле та струми зосереджені поблизу однієї металевої поверхні, в яку включені нелінійні елементи. Необхідність включення великої кількості таких елементів приводить до збільшення нерезонансного розміру РПХ і, як наслідок, до появи небажаних паразитних коливань. Наприклад, у для створення джозефсонівського генератора використано більш, ніж 200 синхронізованих джозефсонівських контактів, для створення ж стандарту вольта кількість таких контактів повинна складати десятки тисяч.

Спектр РПХ у стандартному восьмиміліметровому хвилеводі (7.2х3.4 мм²) у залежності від його нерезонансної довжини W. РПХ являв собою розміщену в центрі хвилеводу мідну пластинку товщиною 0.3 мм, резонансний розмір L=3 мм. Основний тип коливань РПХ I є нижнім коливанням лише при W 3 мм, з ростом W число паразитних коливань які лежать по частоті нижче основного безупинно наростає. Зрозуміло, що в таких умовах при великих W дуже важко забезпечити збудження лише основної моди РПХ I.

Варто відмітити, що частота основної моди I, обумовленої розповсюдженням поверхневої хвилі вздовж резонансного розміру L, з ростом W виходить на полицю. Тому для придушення паразитних хвилеводних мод РПХ: необхідно розмістити РПХ у хвилеводі з розмірами, меншими за критичний розмір для паразитних хвилеводних мод. Зрозуміло, що в цьому випадку їхня стала розповсюдження стане уявною, що виключає появу добротних резонансів.

У даному випадку основна мода I при будь-яких довжинах W є нижньою модою коливань РПХ, що створює сприятливі умови для її використання для збудження великих масивів нелінійних НВЧ елементів. Вищі типи коливань пов'язані з розповсюдженням уздовж розміру L резонатора неоднорідної по W поверхневої хвилі: крива II відповідає хвилі з двома варіаціями поля і струму НВЧ уздовж нерезонансного розміру W, крива III - із трьома варіаціями. Ясно, що існують хвилі і з великою кількістю варіацій уздовж W.

Крім того, у позамежному хвилеводі зростає добротність резонатора за рахунок збільшення відстані від нього до стінок хвилеводу, в яких відбуваються основні втрати.

Оскільки електромагнітне поле експоненційно затухає у позамежному хвилеводі, то змінюючи відстань z можна регулювати зв'язок РПХ зі збуджуючою хвилею Н₁₀. Для оптимального збудження нижньої по частоті основної моди РПХ потрібно розміщувати на відстані z2,2 мм. Варто відмітити, що для кожної моди існує своя оптимальна величина z, що дає можливість налаштовуватись на певний тип коливань.

Однією з основних перепон на шляху використання систем з великою кількістю ДК був і залишається великий розкид критичних параметрів контактів (критичний струм I₀, характеристична напруга V_c, нормальний опір R_n). У системах з НТНП ДК цей розкид може не перевищувати 1-3%, тоді як для бікристалічних ВТНП ця величина знаходиться на рівні 10% (Darula at all, 1999). Для багатьох приладів на основі масивів ДК така відмінність у параметрах контактів буде основною перешкодою для функціонування. Тому для забезпечення синхронної роботи всіх контактів у масиві використовуються досить складні системи для їх живлення та збудження, наприклад, за допомогою мікросмужкових ліній передачі. Використання РПХ, в якому ланцюжок ДК поєднаний послідовно за постійним струмом зміщення та паралельно за змінним струмом збудження, дозволяє отримати синхронну роботу всіх контактів з розкидом критичних параметрів до 40 %, причому непотрібна складна система збудження. Таким чином, для оцінки можливості синхронної роботи ланцюжка ДК, інтегрованого у РПХ, потрібно визначити їхні параметри, наприклад, за допомогою вимірювання ВАХ ДК.

Якщо обчислити положення першої сходинки Шапіро за джозефсонівським співвідношенням V=n(h/2e)F (n-номер сходинки Шапіро, h- стала Планка, e-заряд електрона, F- частота опромінення), то виявиться, що напруга, яка відповідає положенню першої сходинки для чотирьох контактів більша у 4 рази за напругу першої сходинки Шапіро для одного контакту (68 мкВ для одного ДК і 272 мкВ для чотирьох ДК), що є ознакою синхронності роботи контактів.

У четвертому розділі наведено мікрохвильові властивості резонансних систем з джозефсонівськими контактами. Проведено детектування НВЧ одним ДК та ланцюжком ДК у регулярному та позамежному хвилеводах. Показано перевагу використання позамежного хвилеводу для детектування НВЧ коливань міліметрового діапазону довжин хвиль.

Для досліджень з ДК використовувався резонатор з розмірами L = 3 мм, W = 10 мм, d = 0,5 мм, = 26. Дослідження мікрохвильових характеристик можна робити безпосередньо за допомогою стандартного панорамного вимірювача або вимірюючи параметри інтегрованих у РПХ ДК, наприклад, критичний струм I₀.

Критичний струм ДК I₀ при фіксованій температурі залежить від потужності опромінення, тобто, від амплітуди струму, який тече по РПХ. Цей наведений струм залежить від частоти опромінення F: на резонансних частотах він буде максимальним, тобто, критичний струм ДК I₀ мінімальним. Таким чином, залежність I₀(F) повинна відображати залежність коефіцієнта відбивання від частоти резонатора РПХ був розміщений у регулярному хвилеводі. Коефіцієнт відбивання досліджувався на стандартному панорамному вимірювачі восьмиміліметрового діапазону довжин хвиль. Видно, що існує три чітких резонанси, які відповідають двом основним модам РПХ (29,8 ГГц та 36,8 ГГц) та неосновній моді резонатора (32,6 ГГц), причому для синхронної роботи ланцюжка ДК потрібно налаштовуватись на нижню по частоті основну моду, так як при її збудженні струм тече в одному напрямку в РПХ і всі контакти знаходяться в однакових умовах. Власна добротність нижньої по частоті основної моди для напівхвилевого резонатора була 400.

Висота нульової сходинки та коефіцієнт відбивання РПХ, розташованого у позамежному хвилеводі у залежності від частоти. Для випадку РПХ, розташованого у позамежному хвилеводі є одна принципова відмінність у порівнянні з розташуванням у регулярному хвилеводі: зник резонанс, який відповідав коливанню вздовж нерезонансного розміру W. Крім того, частоти основних резонансів зменшились.

Таким чином, у позамежному хвилеводі спостерігається розрідження спектру коливань порівняно з регулярним хвилеводом. В обох випадках розташування резонатора спостерігаються резонансні залежності величини критичного струму від частоти, причому резонансні частоти збігаються як при вимірюваннях на стандартному панорамному вимірювачі коефіцієнта відбивання резонатора, так і при вимірюваннях величини критичного струму ДК I₀.

Детектування мікрохвильового випромінювання проводилось як одним ДК, так і ЛЛ з 10 ДК для випадків розміщення резонатора у регулярному та позамежному хвилеводах. В обох випадках розміщення РПХ чутливість детектування була вища для ланцюжка контактів у порівнянні з поодиноким ДК, оскільки чутливість детектора на основі ДК прямо пропорційна нормальному опору контакту R_n. Якщо ДК поєднані між собою послідовно за постійним струмом зміщення, то їхній загальний опір буде дорівнювати сумі опорів кожного контакту. Таким чином, для практичного застосування набагато привабливішим виглядає використання ланцюжка з поєднаних між собою ДК, де кількість контактів може налічувати декілька тисяч.

Чутливість детектування вища у випадку розміщення РПХ у позамежному хвилеводі порівняно з розміщенням РПХ у регулярному хвилеводі за рахунок вищої добротності резонатора. Так як імпеданс лінії передачі, як правило, значно більший за імпеданс одного ДК, то використанням масивів контактів можна усунути досить значну перешкоду для практичного використання ДК - неузгодженість опорів лінії передачі та ДК. У нашому випадку при використанні навіть одного ДК неузгодженості опорів не виникає, тому що наявність резонатора у лінії повністю виключає це явище.

Ще однією важливою проблемою приймальних систем на основі ДК є їхній малий динамічний діапазон. Використання систем з N контактів дозволяє збільшити їх динамічний діапазон у N разів порівняно з тими ж пристроями на одному контакті.

Однією з найважливіших характеристик детектора є його вольт-ватна чутливість . Саме вона визначає „якість” детектора. На сьогодні досягнуті такі значення вольт-ватної чутливості для детекторів на основі низькотемпературних ДК: 10⁵ В/Вт для довжини хвилі 3 мм.

Залежність вольт-ватної чутливості від потужності опромінення для ланцюжка з 10 ДК для різних частот опромінення веде себе так, як для випадку квадратичного детектора, причому максимальна чутливість була отримана на частоті нижньої основної моди коливань РПХ. Максимальна чутливість виявилась на рівні 100 В/Вт, це значення нижче, ніж у НТНП аналогів. Це визначається кількома причинами: по-перше, вища температура, ніж при застосуванні НТНП ДК, тому вищі шуми; по-друге, кількість ДК у ланцюжку можна збільшити, по-меншій мірі, у 100 разів. При цьому чутливість повинна значно зрости. По-третє, технологія виготовлення НТНП ДК на порядок краща, ніж технологія виготовлення ВТНП ДК, тому розкид параметрів у нашому випадку значно більший, що може знижувати значення чутливості детектора. Крім того, для збільшення чутливості потрібно виготовляти ДК з великими значеннями характеристичної напруги.

У п'ятому розділі визначено потужність джозефсонівської генерації з ЛЛ ДК методом, при якому відсутні втрати у лінії передачі та неузгодженість опорів лінії передачі та ЛЛ ДК. Отримана генерація з ЛЛ з 450 синхронно працюючих ДК у лінію передачі та визначені її параметри. Досліджено джозефсонівську генерацію під впливом зовнішнього випромінювання

При дослідженні масивів ДК важливо знати, синхронно працюють контакти, чи ні. Як правило, синхронну роботу контактів перевіряли вимірюванням потужності джозефсонівської генерації у лінію передачі, чи вимірюванням ширини лінії випромінювання з масиву ДК, які залежать від кількості синхронно працюючих контактів. Але ці методи мають недоліки. Оскільки будь-яка лінія передачі характеризується втратами, то визначення потужності напівпровідниковим детектором буде давати неточний результат, тому що потужність джозефсонівської генерації дуже мала. Крім того, через неузгодженість опорів лінії передачі та ДК частина енергії буде відбиватись і не потрапить на детектор. З іншого боку, ширина лінії випромінювання може змінюватись не тільки за рахунок зміни кількості синхронізованих контактів, а й завдяки резонансним ефектам у НВЧ колах.

Тому було запропоновано для вимірювання потужності джозефсонівської генерації використати контакт, який входить до складу ланцюжка.

Дослідження генерації проводили з використанням /4 РПХ із розмірами L=2,07 мм, W=10 мм, товщина підкладки d=0,2 мм, розміщеним у позамежному прямокутному хвилеводі восьмиміліметрового діапазону стандартного перетину з ланцюжком з 11 ДК. Розкид параметрів контактів був у межах 10%, критичний струм при відсутності опромінення I₀₀~0,5 мА (T=77 K), опір резистивної ділянки ВАХ R~50мОм. При відсутності опромінення самозбудження окремого ДК, при протіканні по ньому струму, не спостерігалося. Тобто, крім характеристичних точок, що відповідають переходам ДК зі стану надпровідності у змішаний стан, а також переходу зі стаціонарного у нестаціонарний ефект Джозефсона на кривій диференційного опору ДК

Rd=dU/dI

інших характеристичних точок не спостерігалося. При цьому на ВАХ як окремих ДК, так і ланцюжка ДК у РПХ при взаємодії з полем хвилі, що випромінюється від зовнішнього джерела НВЧ, виникали сходинки Шапіро. Для реєстрації джозефсонівської генерації в якості детектора НВЧ використовували один ДК, який входив до складу ланцюжка. По зміні його ВАХ можна було свідчити про наявність випромінювання. Безпосередньо сходинку на ВАХ контакту-детектора важко помітити через малу потужність джозефсонівської генерації, особливо при опроміненні одним контактом, тому, крім ВАХ, вимірявся диференційний опір контакту-детектора.

Дослідження джозефсонівської генерації у лінію передачі проводили з використанням /2 РПХ із розмірами L=3 мм, W=10 мм, товщина підкладки d=0,5 мм, розміщеним у позамежному прямокутному хвилеводі восьмиміліметрового діапазону стандартного перетину з ланцюжком з 450 ДК. ВАХ ланцюжка з 450 контактів без опромінення та при потужності зовнішнього НВЧ сигналу 6 мВт з частотою 32,4 ГГц показана на рис. 13. Критичний струм ланцюжка ДК при відсутності опромінення I₀₀~1 мА (T=77 K), опір резистивної ділянки ВАХ R_n~30 Ом.

Положення першої сходинки Шапіро свідчить про те, що усі ДК у ланцюжку працюють синхронно. Як уже вказувалось, ця обставина дозволить зменшити ширину смуги та збільшити потужність джозефсонівської генерації.

Оптимальні умови збудження ДК у РПХ будуть при збігові резонансної частоти РПХ, частоти опромінення та джозефсонівської частоти. При цьому буде максимальна величина першої сходинки Шапіро та, відповідно, максимальна потужність джозефсонівської генерації.

У нашому випадку характеристична напруга для ЛЛ з 450 ДК V_с 30 мВ (I₀₀~1 мА, R_n~30 Ом), що відповідає характеристичній частоті близько 6 ТГц. Таким чином, при цьому значенні напруги повинен бути максимум потужності джозефсонівської генерації. Оскільки наші дослідження проводились у восьмиміліметровому діапазоні довжин хвиль, умови генерації були неоптимальними. На рис. 14 зображена експериментальна залежність потужності випромінювання з ЛЛ з 450 ДК для різних температур. Частота максимальної потужності генерації (0,1мкВт) склала 32,17 ГГц.

При температурі 86 К ланцюжок майже не генерує випромінювання, оскільки ця температура дуже близько знаходиться до критичної (89 К).

Частота генерації залежить від напруги, прикладеної до ДК за джозефсонівським співвідношенням. Невідповідність частоти генерації до джозефсонівського співвідношення можна пояснити тим, що ЛЛ ДК включений у резонансну систему з власними резонансними частотами, які і визначають частоту генерації.

Залежність для потужності випромінювання з лінійного ланцюжка ВТНП ДК від частоти випромінювання представлена на рис. 15. Для температури Т=30 К навантажена добротність Qн=1000, для Т=63 К Qн=650, для Т=77 К Qн=310.

Добротність резонатора - один з факторів, що визначають ширину лінії випромінювання у такій системі: ширина лінії генерації, яка обумовлена власними флуктуаціями, зменшиться приблизно у Q² разів

Було досліджено випромінювання з ЛЛ ДК під дією випромінювання від зовнішнього генератора. При цьому потужність виросла (на величину потужності від генератора), але спектральні характеристики погіршились. Погіршення спектральних характеристик джозефсонівської генерації можна пояснити великою нелінійністю ДК, а також немонохроматичністю зовнішнього НВЧ сигналу.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі проведені експериментальні дослідження детектування та генерації НВЧ коливань лінійним ланцюжком (ЛЛ) симетричних бікристалічних високотемпературних джозефсонівських контактів (ДК), інтегрованих у резонатор поверхневої електромагнітної хвилі (РПХ).

1. Створено нову електродинамічну систему збудження РПХ, у якій подавлюються паразитні хвилеводні типи коливань за рахунок включення резонатора у позамежний хвилевід, тому робочий тип коливань РПХ, який зв'язаний з розповсюдженням поверхневої хвилі, завжди виявляється нижнім по частоті. Величина зв'язку РПХ з лінією передачі регулюється відстанню z від РПХ до стику з позамежним хвилеводом. Резонансна частота РПХ визначається його геометричними розмірами та параметрами діелектричної підкладки і при z>1мм не залежить від відстані до стику хвилеводів. У створеній системі збудження зростає добротність резонатора порівняно з добротністю резонатора у стандартно з'єднаних хвилеводах за рахунок збільшення відстані від РПХ до широких стінок хвилеводу, в яких відбуваються основні втрати.

2. Створено топологію, при якій можливе включення у РПХ, який розташований у позамежному хвилеводі, ЛЛ бікристалічних ВТНП ДК з великим ступенем інтеграції без суттєвого погіршення його мікрохвильових характеристик. Це досягається за рахунок паралельних до резонансного розміру РПХ розрізів. ДК у ЛЛ виявляються при цьому включеними послідовно за постійним та паралельно за НВЧ струмами.

3. Виявлено, що у РПХ з інтегрованим лінійним ланцюжком ДК, розміщеним у позамежному хвилеводі, можлива синхронізація контактів, що проявляється у наявності загальної сходинки струму від усіх контактів. Ця обставина дає можливість для практичного використання ланцюжків ДК для створення таких пристроїв, як джозефсонівські генератори, детектори, стандарти напруги та ін.

4. Показано, що залежність висоти нульової сходинки одного ДК та лінійного ланцюжка ДК від частоти опромінення носить резонансний характер, причому резонансні частоти, виміряні по значенню висоти нульової сходинки та по значенню коефіцієнта відбивання, співпадають. Причому, у позамежному хвилеводі кількість резонансів менша, ніж у регулярному хвилеводі.

5. Експериментально досліджено явище детектування НВЧ ЛЛ ДК, інтегрованих у РПХ у регулярному та позамежному хвилеводах восьмиміліметрового діапазону довжин хвиль. Показано, що чутливість детектування ланцюжком ДК, інтегрованих у РПХ, який розміщений у позамежному хвилеводі вища, ніж ланцюжком ДК, інтегрованих у РПХ, який розміщений у регулярному хвилеводі, у зв'язку з тим, що у позамежному хвилеводі добротність резонатора вища, ніж у регулярному. Крім того, чутливість детектування ланцюжком ДК вища, ніж чутливість детектування одним ДК в обох випадках, що пов'язано з тим, що сумарна напруга для ланцюжка ДК більша, ніж для одного ДК.

6. Показана можливість використання ЛЛ ДК для генерації НВЧ коливань. Експериментально виявлено вплив джозефсонівської генерації з одного ДК та ЛЛ з 10 ДК, інтегрованих у РПХ, на ВАХ одного ДК та визначено її потужність. Отримано мікрохвильове випромінювання з ЛЛ з 450 синхронних ДК у лінію передачі з потужністю 0,1 мкВт. Потужність та спектр генерації визначається резонансними властивостями РПХ. Досліджено джозефсонівську генерацію з ЛЛ ДК під дією зовнішнього випромінювання. При цьому потужність виросла (на величину потужності зовнішнього випромінювання), але спектральні характеристики погіршились.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мелков Г.А., Іванюта О.М., Прокопенко О.В., Ракша В.М. Напівхвилевий резонатор поверхневої хвилі в позамежному хвилеводі // Вісник КНУ. Серія Фіз.-мат. науки. - 2001. -№4. - C.394-402.

2. Кишенко Я.І., Прокопeнко О.В, Іванюта О.М., Ракша В.М. Вплив елементів топології на НВЧ властивості надпровідного резонатора поверхневої хвилі// Вісник КНУ. Серія Радіофізика та електроніка. - 2002 - №4. - C.29-35.

3. Іванюта О.М., Кишенко Я.І., Прокопeнко О.В, Ракша В.М. Система збудження джозефсонівських контактів у резонаторі поверхневої хвилі // Укр. фіз. журн.-2002.-Т.47, №6.-С.592-593.

4. Іванюта О.М., Прокопeнко О.В., Ракша В.М., Ребіков А.І., Лебідь Є.А., Тягульський С.І. Вплив діелектричних підкладинок на добротність напівхвилевого резонатора поверхневої хвилі // Вісник КНУ. Серія Фіз.-мат. науки.-2002.-№2.-С.328_336.

5. Іванюта О.М., Кишенко Я.І., Прокопeнко О.В, Ракша В.М. Детектування НВЧ джозефсонівськими контактами, включеними в резонатор поверхневої хвилі // Вісник КНУ. Серія Радіофізика та електроніка. - 2003 - №5. - C.22-25.

6. Іванюта О.М., Ракша В.М., Святченко О.В. Джозефсонівська генерація НВЧ у ланцюжку високотемпературних джозефсонівських контактів // Вісник КНУ. Серія Фіз.-мат. науки.-2003.-№4.-С.331_334.

7. Мелков Г.А., Прокопенко О.В., Ракша В.М. Разрежение спектра собственных колебаний резонатора поверхностной волны // Известия ВУЗов “КПИ”. Серія Радиоэлектроника. - 2004. - № 1.- С. 29-31.

8. Мелков Г.А., Иванюта А.Н., Клушин А. М., Зигель М., Кишенко Я.И., Малышев В.Ю, Ракша В.Н. СВЧ устройства на основе джозефсоновских гетероструктур субмикронного размера, включенных в резонатор поверхностной волны// II российско-украинский семинар „Нанофизика и наноэлектроника”. - Киев (Украина).- 2000. - С.41-42.

9. Melkov G.A., Ivanjuta A.N., Prokopenko O.V., Raksha V.M., Siegel. M., Klushin A.M., Embedding of Josephson junctions in the surface wave resonator in the K-band. // ІV International Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-millimeter Waves”. Kharkov (Ukraine).- 2001. - Vol.2. - P.363-365.

10. Kishenko Y.I., Ivanjuta A.N., Prokopenko O.V., Raksha V.M. Some aspects of using of Josephson junctions with the surface wave resonator// „First International Young Scientists Conference On Applied Physics”.- Kiev (Ukraine).- 2001. - P.34-35.

11. Melkov G.A., Ivanjuta A.N., Prokopenko O.V., Raksha V.M. Microwave properties of the surface wave resonator in the below-cutoff waveguide// „Modern problems of radio engeneereng, telecommunications and computer science”.- Lviv-Slavsk (Ukraine).- 2002.- P.75-77.

12. Ivanyuta O.M., Kishenko Y.I., Lebed E.A., Prokopenko O.V., Raksha V.M. Getting Shapiro's steps with optimum parameters for HTS Josephson junctions in the surface wave resonator// „Second International Young Scientists Conference On Applied Physics”.-Kiev (Ukraine).- 2002. - Р.42 - 43.

13. Ivanyuta O.M., Kishenko Y.I., Prokopenko O.V., Raksha V.M. Symmetric bicrystal high-temperature superconducting Josephson junctions embedded in the surface wave resonator// „SPO Symposium Proceedings (Problems of Optics & High Technology Material Science)”. - Kiev (Ukraine).- 2002. - P.148.

14. Ivanyuta O.M., Kishenko Y.I., Malyshev V.Y., Prokopenko O.V., Raksha V.M. The microwave surface impedance characterization of HTS films device// 6th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS'2003).- Sorrento Napoli (Italy).- 2003.- P.96.

15. Raksha V.M., Prokopenko O.V. Microwave detector with embedded Hight-Tc Josephson junctions array// SPO Symposium Proceedings (Problems of Optics & High Technology Material Science).-Kiyv (Ukraine).-2003.- P.182.

16. Кишенко Я.И., Пустыльник О.Д., Іванюта А.Н., Ракша В.Н., Грицай А.В. Установка для исследования сверхпроводниковых устройств, созданных на основе резонатора поверхностной волны// Харьковская научная ассамблея ISTFE-15.- Харьков (Украина).- 2003.- C.354-356.

17. Ivanyuta O.M., Raksha V.M. Josephson generation of the Josephson junction array embedded in a resonant system// V International Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-millimeter Waves.- Kharkov, (Ukraine). -2004. - Vol.2. - P.400-402.

АНОТАЦІЇ

Ракша В.М. Генерація та детектування НВЧ коливань ланцюжком джозефсонівських контактів ВТНП. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.22 - надпровідність. - Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ, 2005 р.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню детектування та генерації НВЧ коливань лінійним ланцюжком симетричних бікристалічних високотемпературних джозефсонівських контактів (ДК), інтегрованих у резонатор поверхневої електромагнітної хвилі (РПХ).

У роботі створено нову електродинамічну систему збудження РПХ, у якій подавлюються паразитні хвилеводні типи коливань. Створено топологію, при якій можливе включення у РПХ ланцюжків бікристалічних ВТНП ДК з великим ступенем інтеграції без суттєвого погіршення його мікрохвильових характеристик. При такій топології можлива синхронізація контактів, що дає можливість для практичного використання ланцюжків ДК. Експериментально досліджено явище детектування НВЧ лінійним ланцюжком ДК, інтегрованих у РПХ у регулярному та позамежному хвилеводах восьмиміліметрового діапазону довжин хвиль. Показана можливість використання лінійного ланцюжка ДК для генерації НВЧ коливань. Експериментально виявлено вплив джозефсонівської генерації з одного ДК та лінійним ланцюжком з 10 ДК, інтегрованих у РПХ, на ВАХ одного ДК та визначено її потужність. Отримано мікрохвильове випромінювання з лінійного ланцюжка з 450 синхронних ДК у лінію передачі з потужністю 0,1 мкВт.

Ключові слова: НВЧ, резонатор поверхневої хвилі, ВТНП, джозефсонівський контакт, детектування, генерація.

Ракша В.Н. Генерация и детектирование СВЧ колебаний цепочкой джозефсоновских контактов ВТСП. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук за специальностью 01.04.22 - сверхпроводимость. - Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, г. Киев, 2005 г.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию детектирования и генерации СВЧ колебаний линейной цепочкой симметричных бикристалических высокотемпературных (ВТСП) джозефсоновских контактов (ДК), интегрированных в резонатор поверхностной волны (РПВ).

Разработана криогенная система, которая позволяет проводить измерение спектров резонансных частот, добротностей, КСВН, коэффициента ослабления, наличия высших мод, связи исследуемого образца с системой возбуждения электромагнитных колебаний металлических и сверхпроводящих РПВ, размещенных в запредельном волноводе; исследовать свойства линейных цепочек ДК в широком диапазоне температур от 16К до 300К при условиях высокого вакуума (10-6 мм рт. ст.) с точностью измерений температуры образцов ~10-3 К и стабильностью температуры не хуже ±10-3 К.

В работе создано новую электродинамическую систему возбуждения РПВ, в которой подавляются паразитные волноводные типы колебаний за счет включения резонатора в запредельный волновод, поэтому рабочий тип колебаний РПВ, который связан с распространением поверхностной волны, всегда оказывается нижним по частоте. Величина связи РПВ с линией передачи регулируется расстоянием z от РПВ до стыка с запредельным волноводом. Резонансная частота РПВ определяется его геометрическими размерами и параметрами диэлектрической подложки и при z>1мм не зависит от расстояния до стыка волноводов. В созданной системе возбуждения возрастает добротность резонатора сравнительно с добротностью резонатора в регулярном волноводе за счет увеличения расстояния от РПВ до широких стенок волновода, в которых происходят основные потери и подавления возбуждения паразитных волноводных типов колебаний.

Создана топология, при которой возможно включение в РПВ, который расположен в запредельном волноводе, линейной цепочки бикристаллических ВТСП ДК с большой степенью интеграции без существенного ухудшения его микроволновых характеристик. Это достигается за счет параллельных к резонансному размеру РПВ разрезов. ДК в линейной цепочке оказываются при этом включенными последовательно по постоянному току смещения и параллельно по току СВЧ.

Обнаружено, что в РПВ с интегрированной линейной цепочкой ДК, размещенным в запредельном волноводе, возможна синхронизация контактов, которая проявляется в наличии общей ступеньки тока от всех контактов. Это обстоятельство дает возможность для практического использования цепочек ДК для создания таких устройств, как джозефсоновские генераторы, детекторы, стандарты напряжения и др.

Показано, что зависимость высоты нулевой ступеньки одного ДК и линейной цепочки ДК от частоты облучения носит резонансный характер, причем резонансные частоты, измеренные по значению высоты нулевой ступеньки и по значению коэффициента отражения, совпадают. При этом в запредельном волноводе количество резонансов меньше, чем в регулярном волноводе. Экспериментально исследовано явление детектирования СВЧ линейной цепочкой ДК, интегрированных в РПВ, в регулярном и запредельном волноводах восьмимиллиметрового диапазона длин волн. Показано, что чувствительность детектирования цепочкой ДК, интегрированных в РПВ, который размещен в запредельном волноводе выше, чем цепочкой ДК, интегрированных в РПВ, который размещен в регулярном волноводе. Это связано с тем, что в запредельном волноводе добротность резонатора выше, чем в регулярном волноводе. Кроме того, чувствительность детектирования цепочкой ДК выше, чем чувствительность детектирования одним ДК в обоих случаях, что связано с тем, что суммарное напряжение для цепочки ДК больше, чем для одного ДК. Чувствительность детектирования одним ДК составила 10 В/Вт, цепочкой с 10 ДК - 100 В/Вт для случая запредельного волновода и соответственно 6,5 В/Вт и 70 В/Вт для случая регулярного волновода.

В работе показана возможность использования линейной цепочки ДК для генерации СВЧ колебаний. Экспериментально обнаружено влияние джозефсоновской генерации с одного ДК и линейной цепочки с 10 ДК, интегрированных в РПВ, на ВАХ одного ДК и определена ее мощность. В качестве детектора мощности использовали один из контактов цепочки, что позволило избежать потерь в линии передачи и решило проблему согласования сопротивлений линии передачи и линейной цепочки ДК. Получено микроволновое излучение линейной цепочки из 450 синхронно работающих ДК в линию передачи с мощностью 0,1 мкВт. На мощность и спектр генерации существенное влияние оказывают резонансные свойства РПВ. Исследовано джозефсоновскую генерацию линейной цепочки ДК под действием внешнего излучения. При этом мощность возросла (на величину мощности внешнего излучения), но спектральные характеристики ухудшились, что можно объяснить большой нелинейностью джозефсоновских контактов, а также немонохроматичностью внешнего СВЧ сигнала.

Ключевые слова: СВЧ, резонатор поверхностной волны, ВТСП, джозефсоновский контакт, детектирование, генерация.

Raksha V.M. Generation and detection of microwave oscillations by high-temperature superconducting Josephson junction array. - Manuscript.

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (Ph.D.) in Physics and Mathematics on specialty 01.04.22 - superconductivity. G.V. Kurdymov Institute for Metal Physics NAS of the Ukraine, Kyiv, 2005.

The thesis is devoted to the experimental investigation of detection and generation of microwave oscillations by linear array of symmetrical bicrystal high-temperature superconducting (HTS) Josephson junctions (JJ) embedded in the surface electromagnetic wave resonator (SWR).

A new electrodynamic excitation system of the SWR, which allows to suppress the parasitic oscillations, has been designed. The topology for embedding linear HTS bicrystal Josephson junction arrays with high integration level in the SWR has been developed; it provides practically no deterioration of the SWR performance. In the case of this topology it is possible to synchronize junctions in the array, which helps applying Josephson junction arrays in practice. An effect of microwave detection by linear Josephson junction array embedded in SWR placed in regular and cutoff 8-mm waveguides was experimentally investigated. A possibility of using linear Josephson junction array for generation of microwave oscillations has been shown. The influence of Josephson radiation from 1 JJ and from linear array with 10 JJs, embedded in the SWR, on the current-voltage curve of JJ find out; experimentally power of Josephson radiation has been determined. Microwave radiation of 0,1 мW for linear array with the 450 synchronized JJs has been measured.

Key words: microwave, surface wave resonator, high-temperature superconductor, Josephson junction, detection, generation.

Размещено на Allbest.ru