Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 10, стр. 970-975

ВВЕДЕНИЕ

В науке и технике на сегодняшний день имеется высокая потребность в перестраиваемых источниках терагерцового (ТГц) излучения, обусловленная бурным развитием областей применения ТГц-технологий [1]. Это прежде всего сверхчувствительное гетеродинное детектирования слабых сигналов, в том числе в составе радиоастрономических обсерваторий наземного и космического базирования. Помимо детектирования, терагерцовые технологии востребованы в спектроскопии, поскольку в этой области частот лежат достаточно мощные линии поглощения большинства органических соединений, что особенно важно для применения в медицине и биологии. В настоящей работе приведены последние достижения в области разработки системы ТГц-генератора для излучения в открытое пространство на основе распределенного джозефсоновского перехода (РДП) со сверхшироким диапазоном перестройки частоты (порядка 100% от центральной частоты) и шириной линии генерации в стабилизированном режиме порядка десятков кГц. Такой генератор выполнен на основе туннельного перехода сверхпроводник–изолятор–сверхпроводник (СИС) Nb–AlO_x–Nb с размерами 16 × 400…700 мкм² и толщиной барьера порядка 1 нм, расположен в плоскости однокристальной микросхемы, интегрирован с передающей линзовой антенной и излучает сигнал на частоте ТГц-диапазона в открытое пространство. В ранних работах такой генератор уже был успешно применен в качестве гетеродина терагерцового СИС-приемника в составе интегральной микросхемы, когда опорный генератор и приемный элемент на основе СИС-перехода располагались на одной микросхеме [2].

В данной работе излучение генератора выведено из плоскости микросхемы в открытое пространство путем интегрирования с передающей щелевой антенной на основе тонкой пленки ниобия, изготовленной в едином технологическом цикле с генератором. Линией передачи мощности к антенне является микрополосковая линия, согласованная по входу с генератором, имеющим низкий импеданс (доли Ом), и по выходу с квазиоптической антенной, имеющей относительно высокий импеданс (десятки Ом). Разработаны две топологии линии передачи с антенной, рассчитанные на центральные частоты 300 и 600 ГГц, с шириной рабочей полосы согласно численному расчету порядка 40…50% от центральной частоты по уровню излучаемой в открытое пространство мощности 0.7 от полной выходной мощности генератора. Часть мощности ответвляется через специально разработанную линию передачи на гармонический смеситель (ГС), выполненный на основе сосредоточенного туннельного СИС-перехода и расположенный на одной микросхеме с антенной и генератором и использующийся в петле обратной связи с генератором для его фазовой стабилизации при помощи системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Экспериментально исследована накачка ГС мощностью генератора и проведено сравнение экспериментальных результатов с расчетными. Для антенны 600 ГГц проведено исследование спектральных характеристик выходного излучения при помощи спектрометра на основе сверхпроводникового интегрального приемника (СИП) с рабочим диапазоном принимаемых частот 500…700 ГГц [3].

1. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА КОНСТРУКЦИИ ГЕНЕРАТОРА С ПЕРЕДАЮЩЕЙ АНТЕННОЙ И ГАРМОНИЧЕСКИМ СМЕСИТЕЛЕМ

Концепция генератора на основе распределенного джозефсоновского перехода с длиной l $ \gg $ λ_J, где λ_J – джозефсоновская глубина проникновения, описана в классической работе [4], а недавняя идея авторов статьи по интеграции такого генератора с передающей щелевой антенной на одной микросхеме с целью вывода ТГц-сигнала в открытое пространство представлена в [5–7]. Однако в последних работах не предусмотрена возможность стабилизации излучения генератора, которая является ключевым моментом для практических применений генератора в качестве гетеродина приемных систем или активного источника в спектроскопии. В данной работе мы разработали дополнительную схему обратной связи с генератором, направив часть выходной мощности (порядка 10…20%) на гармонический смеситель, сигнал на промежуточной частоте (ПЧ) с которого в диапазоне 0…0.8 МГц анализируется системой ФАПЧ.

Принципиальная схема интегральной структуры генератора с двойной щелевой антенной и ГС представлена на рис. 1 для конструкции, рассчитанной на центральную частоту 300 ГГц. Размер генератора составляет 16 × 700 мкм², площадь ГС на основе СИС-перехода составляет 1.4 мкм², расстояние между щелями антенны равняется 125 мкм при ширине щелей 15 мкм. Генератор согласован с антенной и ГС посредством двух микрополосковых линий передачи. Щелевая антенна выполнена в слое металлизации, который одновременно является нижним электродом микрополосковых линий. Для обеспечения направленного излучения с углом расхождения диаграммы направленности порядка нескольких градусов микросхема с интегральной структурой установлена на плоской поверхности собирающей полуэллиптической линзы [8], так что центр антенны размещен точно в дальнем фокусе линзы (см., например, [6, рис. 1с]). Генератор работает при температуре жидкого гелия 4.2 К, криогенный модуль генератора с учетом магнитного экранирования и держателей имеет размеры (Д × Ш × В) 12 × 4.5 × 6 см и массу порядка 0.1 кг без массивного магнитного экрана, состоящего из двух концентрических цилиндров, или около 0.4 кг с экраном (рис. 2).

Рис. 1.

Схема планарной интегральной структуры генератора: 1 – ТГц-генератор, 2 – микрополосковая линия передачи между генератором и антенной, 3 – двойная щелевая антенна, 4 – слой металлизации, 5 – гармонический смеситель, 6 – микрополосковая линия передачи между генератором и гармоническим смесителем.

Рис. 2.

Криогенный модуль ТГц-генератора и магнитный экран (а): 1 – микросхема с платой смещения по постоянному току, 2 – кабели для смещения и измерения вольт-амперных характеристик, 3 – СВЧ-кабели, 4 – окно для вывода ТГц-излучения в открытое пространство, а также общий вид собранного криогенного модуля генератора с магнитным экраном (б).

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Характеристики антенно-фидерной системы, а также согласование по мощности генератора и гармонического смесителя рассчитывались в специализированном пакете программ для трехмерного численного моделирования СВЧ- и микроволновых структур. Основные результаты для конструкций 300 и 600 ГГц показаны на рис. 3. Для учета сверхпроводящего состояния антенны и микрополосковых линий передачи на основе тонких пленок Nb использованы следующие константы: значение лондоновской глубины проникновения магнитного поля λ_L = 85 нм, диэлектрическая проницаемость SiO₂, равная 4.2. В расчетную модель также были заложены топологические параметры интегральной микросхемы: толщина пленки Nb, составляющей нижней электрод линий передачи и слой металлизации антенны, – 200 нм, толщина верхнего электрода на основе Nb 350 нм, толщина SiO₂ между верхним и нижним электродом 400 нм, а также геометрические размеры каждого элемента топологии. После гармонического смесителя по ходу распространения излучения генератора расположен радиальный элемент относительно большой площади, порядка 2000 мкм² (не изображен на рис. 2 и находится правее ГС), представляющий собой большую емкость для подсоединения отрезка микрополосковой линии, “компенсирующей” емкость ГС на рабочей частоте. Выход ГС представлен в виде копланарной линии передачи, через которую на смеситель подается опорный сигнал внешнего синтезатора на частоте порядка 20 ГГц и выводится выходной СВЧ-сигнал на ПЧ в диапазоне до 1 ГГц. Доля мощности генератора, ушедшая в копланарную линию, согласно расчету составила менее 1% от общей выходной мощности генератора и учтена в расчете кривой 3 на рис. 3 для каждой конструкции. Таким образом, по результатам численного моделирования по уровню 0.7 от полной выходной мощности генератора рабочий диапазон конструкции 300 ГГц составил 250…420 ГГц, а конструкции 600 ГГц – 400…700 ГГц.

Рис. 3.

Частотная зависимость мощности, поглощенной гармоническим смесителем (кривая 1), мощности, ушедшей в интегральную структуру на выходе генератора (кривая 2) и мощности, излученной антенной в открытое пространство (кривая 3) для интегральной структуры, рассчитанной на центральную частоту 300 ГГц (а) и 600 ГГц (б). Значение мощности нормировано на полную выходную мощность генератора.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам численного моделирования была изготовлена серия экспериментальных образцов интегральных микросхем, включающих в себя РДП, ГС с согласующими линиями передачи и антенно-фидерную систему. Характеристики образцов были исследованы при помощи двух различных экспериментальных установок. Первая установка представляет собой зонд-вставку, погружаемую в сосуд Дьюара с жидким гелием (рабочая температура 4.2 К), с возможностью измерять вольт-амперные характеристики (ВАХ) всех элементов микросхемы. Вторая, более сложная экспериментальная установка, разработана для исследования ТГц-излучения генератора во внешнее пространство и представляет собой две криогенные системы на основе заливных криостатов, в одном из которых расположена микросхема с генератором, в другом – микросхема СИП в составе ТГц-спектрометра [2, 8]; выходное и входное окна криостатов расположены друг напротив друга (рис. 4). Такая система позволяет измерять спектральные характеристики исследуемого генератора с разрешением выше 0.1 МГц, и рабочий диапазон излучения во внешнее пространство в пределах рабочего диапазона СИП, который составляет 500…700 ГГц.

Рис. 4.

Схема экспериментальной установки для измерения излучения генератора на основе РДП, расположенном в криостате 1, в открытое пространство с помощью ТГц-спектрометра на основе СИП, расположенном в криостате 2.

С помощью погружной зонд-вставки были исследованы параметры трехслойной СИС-структуры Nb–AlO_x–Nb, из которой изготовлены как генератор на основе РДП, так и ГС. Плотность туннельного тока изготовленной СИС-структуры составила около 8 кА/см². Типичная ВАХ ГС без внешнего воздействия представлена на рис. 5 (кривая 1), “щелевое” напряжение туннельного контакта составляет около 2.7 мВ, сопротивление нормального состояния для данного перехода площадью порядка 1.5 мкм² составляет 13.5 Ом, а “щелевой” скачок тока I_щ = 175 мкА. Отношение “подщелевого” сопротивления к нормальному сопротивлению порядка 30 свидетельствует о высоком качестве туннельной структуры. При воздействии на переход ТГц-излучением от исследуемого генератора на ВАХ ГС появляется серия четко выраженных квазичастичных ступеней накачки (см. рис. 5, кривые 2–4 измерены при облучении частотой 340 ГГц).

Рис. 5.

Вольт-амперные характеристики гармонического смесителя без внешнего воздействия (кривая 1) и с накачкой мощностью ТГц-генератора на фиксированной частоте 340 ГГц при разном уровне мощности накачки (кривые 2, 3 и 4 в порядке возрастания мощности). Обозначен туннельный скачок тока I_щ при “щелевом” значении напряжения, выше которого туннельный контакт СИС переходит в нормальное состояние, а также ток накачки I_н для кривой 4 при “подщелевом” напряжении 2.5 мВ.

Исследование частотной зависимости согласования по мощности генератора с ГС проводили с помощью погружной зонд-вставки следующим образом: ГС устанавливали в рабочую точку при заданном напряжении 2.5 мВ, затем измеряли серию ВАХ генератора, в процессе данного измерения автоматически осуществлялось сканирование по всей полосе выходных частот генератора, поскольку частота однозначно определяется напряжением на переходе через соотношение Джозефсона f = 2eV/h, где V – постоянное напряжение на переходе, h – постоянная Планка, e – заряд электрона. Таким образом, при каждом рабочем напряжении на генераторе измерялась величина тока накачки I_н на ГС при заданном напряжении 2.5 мВ (на рис. 5 показано значение I_н для кривой 4).

Зависимость максимального тока накачки от частоты для конструкций 300 и 600 ГГц показана на рис. 6 (сплошные линии), ток нормирован на I_щ, для наглядного сравнения представлены также расчетные зависимости (пунктирные линии), которые дублируют линии 1 на рис. 3а, 3б. Частотная зависимость по результатам эксперимента не только качественно согласуется с численными расчетами, но и достаточно точно совпадает по частоте пиков накачки и ширине частотного диапазона. Так, рабочий диапазон накачки гармонического смесителя мощностью генератора для его стабилизации составил 250…450 ГГц для конструкции 300 ГГц и 500…680 ГГц для конструкции 600 ГГц.

Рис. 6.

Экспериментальные результаты частотной зависимости максимального тока накачки I_н, нормированного на I_щ (кривые 1, 2), и результаты численного расчета согласования по мощности РДП и ГС (кривые 3, 4) для конструкций антенно-фидерной системы 300 ГГц (кривые 1, 3) и 600 ГГц (2, 4).

С помощью установки, схема которой приведена на рис. 4, были исследованы спектральные характеристики генератора. Данный эксперимент оказался принципиально возможным лишь для конструкции 600 ГГц, поскольку рабочий диапазон сверхпроводникового приемника составляет 500…700 ГГц. Следует отметить, что в данной установке используются одновременно два ТГц-генератора на основе РДП, один из которых (РДП № 1) является объектом разработки и исследования в данной работе, а другой (РДП № 2) используется в качестве опорного генератора для супергетеродинного приемника. В установке одновременно использованы две системы стабилизации – при помощи ГС и петли ФАПЧ – для двух РДП. Таким образом, установка подразумевает возможность измерения спектральных характеристик исследуемого генератора в режиме стабилизации либо без нее двумя независимыми способами: через петлю обратной связи с использованием тракта ГС, расположенного на одной микросхеме с генератором (сигнал на анализаторе спектра № 1), и посредством внешнего спектрометра с использованием выходного тракта ПЧ СИС-смесителя (сигнал на анализаторе спектра № 2). Для усиления выходных сигналов ПЧ ГС для РДП № 1 и СИС-смесителя приемника были использованы СВЧ-усилители разных диапазонов с разными параметрами усиления, поэтому мощности сигналов, измеряемых анализаторами спектра № 1 и 2, отличаются.

Результат такого исследования спектральных характеристик для некоторой произвольно выбранной частоты 576 ГГц, близкой к центру рабочего диапазона антенно-фидерной системы, представлен на рис. 7. Спектральные кривые 1 и 2 измерены с использованием ГС в диапазоне промежуточных частот f_ПЧ 0…800 МГц, а кривые 3 и 4 – с использованием ТГц-спектрометра в диапазоне f_ПЧ 4…8 ГГц. Кривые 3 и 4 искусственно перемещены в частотный диапазон кривых 1 и 2 для наглядного сравнения. Спектр сигнала в автономном режиме (без фазовой стабилизации) с высокой степенью точности имеет лоренцеву форму, спектральная ширина линии генерации в автономном режиме составляет 3.97 МГц для кривой 2 и 3.85 МГц для кривой 4. Столь близкие значения спектральной ширины линии свидетельствуют о том, что спектральная форма сигнала, излучаемого в открытое пространство, в точности соответствует форме сигнала, измеряемого в петле обратной связи через выходной тракт ПЧ гармонического смесителя. Ширина линии стабилизированного сигнала при помощи системы ФАПЧ на рис. 7 определяется выбранным разрешением используемого анализатора спектра [9, 10], которое в данном случае составляет 1 МГц для кривой 1 и 1.8 МГц для кривой 3. Реальная ширина линии стабилизированного сигнала составляет порядка 100 кГц (при выбранном спектральном разрешении анализатора спектра не ниже данного значения), так что форма линии с достаточной степенью точности является δ-функцией для большинства практических применений.

Рис. 7.

Спектральные характеристики генератора на основе РДП с антенно-фидерной системой конструкции 600 ГГц, измеренные при частоте генерации 576 ГГц с помощью интегрированного на единой микросхеме ГС (кривые 1, 2) и с помощью внешнего спектрометра на основе СИП (кривые 3, 4) (см. рис. 4, сигналы анализаторов спектра № 1 и 2 соответственно): кривые 1, 3 – фазово-стабилизированная системой ФАПЧ, кривые 2, 4 – без фазовой стабилизации; SNR – отношение мощности сигнала к уровню шума, которое для кривой 2 составляет 22.8 дБ.

Представленное на рис. 7 исследование проведено на выбранных частотах генератора в широком диапазоне частот, определяемом рабочим диапазоном СИП, при этом излучение генератора во внешнее пространство успешно продемонстрировано в полосе 500…700 ГГц, что хорошо соответствует численному расчету из рис. 3б с учетом того, что область 400…500 ГГц находится за пределами рабочего диапазона СИП. На всех исследованных частотах отношение мощности сигнала к мощности шума (обозначено на рис. 7 для кривой 2) составило порядка 20 дБ и более.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе разработан и экспериментально исследован генератор терагерцового диапазона частот на основе джозефсоновского туннельного перехода, согласованного с передающей антенно-фидерной системой на основе щелевой антенны из тонкой пленки Nb. Генератор обладает уникальной широкополосностью и излучает сигнал мощностью порядка 1 мкВт в открытое пространство, поэтому может быть востребован практически в любых задачах, где необходим широко перестраиваемый ТГц-генератор. К таким задачам можно отнести спектроскопию и гетеродинное детектирование, а область применения данных задач крайне широка – радиоастрономия и исследование космоса, мониторинг атмосферы Земли и технологических процессов на производстве, информационно-телекоммуникационные системы, приборы для медицинской диагностики и систем безопасности. Разработаны две конструкции антенно-фидерной системы для генератора, рабочий диапазон которых составил 250…420 и 400…700 ГГц, спектральная линия излучаемого сигнала без стабилизации имеет лоренцеву форму с шириной линии порядка нескольких мегагерц. Таким образом, две конструкции суммарно перекрывают достаточно широкий диапазон, 250…700 ГГц. Для стабилизации генератора в обеих конструкциях дополнительно разработан и исследован гармонический смеситель, который используется в петле обратной связи с генератором совместно с системой фазовой автоподстройки частоты, собирающей до 95% мощности сигнала в центральном пике шириной порядка 100 кГц с отношением мощности сигнала к мощности шума более 20 дБ. Исследован диапазон накачки смесителя мощность генератора для конструкций 300 и 600 ГГц, который составил 250…450 и 500…680 ГГц соответственно.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-79-20343, численный расчет, разработка и экспериментальное исследование образцов генератора), а также за счет бюджетного финансирования в рамках государственного задания (разработка технологии изготовления туннельных СИС-структур и обеспечение комплекса технологических работ).