Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»

1.3. Диаграмма направленности массива джозефсоновских контактов Для реализации модели гетеродина чип с массивом джозефсоновских контактов, описанный в п.1.1, размещался в криостате HDL-8 фирмы Infrared Laboratories (Огайо, США). Чип крепился на кремниевую линзу, которая направляла излучение из криостата наружу. Относительное расположение линзы с образцом и окон криостата показано на рис. 4. Всего имелось две одинаковые по форме линзы, одна из которых имела удельное сопротивление ρ=10 Ом·см (низкоомная), а другая – ρ=40 кОм·см (высокоомная). Для защиты подложки от внешнего теплового излучения использовался фильтр Goretex, располагавшийся между линзой и окном гелиевого экрана, и тефлоновый фильтр, крепившийся к внешнему окну (на рис. 4 не показан). Фильтр охлаждался до температуры 4.5…5 К и был прозрачен в диапазоне частот 100 ГГц. Чип с линзой находился внутри экрана из пермаллоя, защищавшего джозефсоновские контакты от случайного захвата извне магнитного потока. Рисунок 4 – Конфигурация окон криостата и линзы с образцом. Для сканирования диаграммы направленности джозефсоновского излучения использовался квазиоптический планарный диод Шоттки с нулевым током смещения [1]. Подобные устройства выпускает фирма Advanced Compound Semiconductor Technologies (Германия). Диод Шоттки имеет очень малое время отклика (менее 200 пс) и очень низкую эквивалентную шумовую мощность (менее 10–11 Вт/Гц0.5). Входной апертурой диода Шоттки является полусферическая кремниевая линза диаметром 12 мм. Диод перемещался вдоль окна криостата шаговой микрометрической подвижкой 8MT167, которая управлялась в автоматическом режиме. ВАХ джозефсоновских контактов, полученных в криостате, показана на рис. 5. По значению критического тока температура образца оценивалась около 4.5 К . Изучение диаграммы направленности также проводилось в импульсном режиме. В режиме pulse fixed источник тока Keithley 6221 выдавал импульсы постоянной амплитуды с tw=12 мс и tp=80 мс. Генерация исследовалась при I=2.9 мА, U=2.4 В, что соответствует середине ступеньки, отмеченной на рис. 5. Из соотношения Джозефсона, связывающего частоту излучения одиночного контакта и падение напряжения на нём, f = U/Ф0 = U/2.07·10–15 Вб (1), следует, что частота генерации 6972 джозефсоновских контактов равна 166 ГГц. Рисунок 5 – Вольтамперная характеристика массива 6972 джозефсоновских контактов, измеренная в режиме импульсного тока с tw=1 мс, tp=100 мс. Стрелкой обозначена ступенька, на которой исследовалась диаграмма направленности излучения. Мощность излучения регистрировалась при помощи синхронного детектора SR830 Lock-in Amplifier фирмы Standford Research Systems (Калифорния, США). Внешняя синхронизация детектора осуществлялась сигналом, идущим от вольтметра к источнику через триггерный кабель. Схема измерения диаграммы направленности изображена на рис.6. Рисунок 6 – Система измерения диаграммы направленности; 1 – чип с джозефсоновскими контактами; 2 – источник тока Keithley 6221; 3 – вольтметр Keithley 2182A; 4 – синхронный детектор SR830; 5 – диод Шоттки; 6 – подвижка 8MT167; 7 – компьютер. Оказалось, что при использовании низкоомной линзы на выходе из криостата наблюдалось очень слабое излучение. После её замены на высокоомную линзу излучение становилось намного сильнее. Мы предположили, что кремниевая линза может достаточно сильно поглощать излучение, причём этот фактор определяется материалом линзы – чем меньше ρ линзы, тем больше поглощение. Рисунок 7 – Диаграммы направленности массива джозефсоновских контактов, измеренные в (а) горизональном и (б) вертикальном (снизу вверх, x=50 мм – центр выходного окна) направлениях на расстояниях 50, 100, 150 мм от внешнего окна криостата. Диаграммы направленности, измеренные в горизонтальном и вертикальном направлениях на разных расстояниях от выходного окна криостата, представлены на рис.7. Во всех случаях мы наблюдаем боковые лепестки, сопутствующие главному максимуму, а на вертикальных диаграммах направленности также отклонение главного максимума от оси симметрии окна вниз на 8…10 мм. Данные искажения, скорее всего, объясняются дифракцией излучения на краях окон. С другой стороны, ширина диаграммы направленности при удалении от окна линзы меняется слабо, что свидетельствует об эффективном фокусировании излучения кремниевой линзой. Таким образом, для улучшения качества выходного пучка необходимо расширить систему окон относительно кремниевой линзы (рис. 4) или приблизить к ним линзу. Несмотря на данную проблему, полученный результат позволяет рассчитать параметры внешней тефлоновой линзы для квазиоптической схемы, предназначенной для смешения излучения гетеродина и внешнего сигнала в прототипе терагерцового приёмника. 1.4. Спектральная мощность излучения массива джозефсоновских контактов Спектр мощности излучения измерен следующим образом. Диод Шоттки был расположен на расстоянии 100 мм от выходного окна криостата и опущен на 8 мм ниже оси симметрии окна, т.е. на направление главного максимума излучения, наблюдаемого на вертикальных диаграммах направленности (рис. 7б). Источник тока был запущен в режиме pulse sweep с tw=12 мс, tp=100 мс. Диапазон амплитуды тока соответствовал наблюдаемым на ВАХ ступенькам (см. рис. 5). Постоянная времени синхронного детектора равнялась 300 мс и соответствовала оптимальному режиму работы диода Шоттки, поэтому измерения проводились при достаточно медленном приращении тока ΔI=50 мкА. Одновременно записывались напряжение на контактах и напряжение, снимаемое синхронным детектором с диода Шоттки. Используя (1), мы можем поставить в соответствие мощность излучения и частоту, т.е. восстановить спектр. Рассмотрим мощность излучения и ВАХ на общей оси тока смещения (рис. 8). Видно, что каждой ступеньке тока, как правило, соответствует резкий максимум, лежащий в нижней (по току смещения) части ступеньки. Рядом с ним обычно располагается максимум поменьше, лежащий в верхней части ступеньки тока. Этот факт может помочь развитию теории ниобиевых джозефсоновских контактов, а также решению известной проблемы затухания излучения на высоких частотах, что наглядно демонстрирует рис. 8: при I=3.2 мА, что соответствует f=200 ГГц, мощность излучения быстро спадает одновременно с расплыванием ступенек на ВАХ. Рисунок 8 – Мощность излучения, измеряемая диодом Шоттки, и ВАХ джозефсоновских контактов на общей оси тока смещения. 1.5. Квазиоптическая схема передачи джозефсоновского излучения на вход болометрического смесителя в прототипе терагерцового приёмника Квазиоптическая схема для прототипа терагерцового приёмника представлена на рис. 9. Её основу составляет интерферометр Мартина–Паплетта (ИМП) [2, 3], который широко используется в квазиоптике как полосовой фильтр на миллиметровых и субмиллиметровых волнах. ИМП включает в себя два проволочных поляризатора и два уголковых алюминиевых зеркала. Проволочный поляризатор представляет собой квадратное дюралюминиевое окно размером 120×120 мм, которое заполнено параллельно расположенными медными проволоками толщиной 0.1 мм, Зазор между проволоками всюду примерно одинаков и составляет 0.1–0.2 мм. Такая проволочная сеть будет действовать на падающее излучение как поляризатор. Она будет практически прозрачна для волны с электрическим вектором, перпендикулярным направлению проволок, и почти не прозрачна для волны, электрический вектор которой совпадает с направлением проволок. Уголковое зеркало тоже является поляризационным устройством. При падении на него линейно поляризованной электромагнитной волны под углом 450 по отношению к ребру уголка происходит поворот электрического вектора на 900, причём волна полностью отражается от зеркала и меняет направление распространения на противоположное. Компоненты ИМП расположены так, что электромагнитные волны от источника и гетеродина, распространяющиеся в двух перпендикулярных направлениях, на выходе полностью совмещаются друг с другом. В зависимости от того, какую поляризацию имеет излучение гетеродина (в плоскости или перпендикулярно плоскости рис.9), на вход смесителя будет падать линейно или циркулярно поляризованная волна. Изменяя положение одного из зеркал, можно получить полное интерференционное гашение волн или их интерференционное усиление. Таким образом, используя смеситель с соответствующей поляризацией, ИМП позволяет детектировать терагерцовое излучение. Рисунок 9 – Интерферометр Мартина-Паплетта как квазиоптическая схема передачи терагерцового сигнала и джозефсоновского излучения на вход смесителя на базе болометра на горячих электронах; 1 – поляризаторы, повёрнутые на 450 друг относительно друга; 2 – алюминиевые зеркала, одно из которых (нижнее левое) может перемещаться вдоль оси излучения ; L1, L2, L3 – тефлоновые линзы, параметры которых приведены в табл. 2. Однако ИМП не предназначен для работы с излучением, имеющим сильно искривлённую поверхность волнового фронта. Поэтому перед входом гетеродина и сигнала должны использоваться линзы, выпрямляющие волновой фронт. Стоящая перед смесителем линза, наоборот, фокусирует на смеситель параллельный пучок, выходящий из интерферометра. Параметры используемых нами линз из тефлона приведены в таблице 2. Линза L3, находящаяся перед гетеродином, подбиралась по обсуждавшимся выше результатам измерений диаграммы направленности (рис. 7). Таблица 2 – Параметры линз, используемых в квазиоптической схеме; R1, R2 – радиусы кривизны, L – вертикальный размер, d – толщина, F – фокусное расстояние R1, мм –R2, мм L, мм d, мм F, мм L1 ∞ 135 110 12 150 L2 122 122 110 26 136 L3 48 48 80 43 53 В качестве смесителя мы выбрали сверхпроводниковый болометр на горячих электронах, изготовленный на основе нитрида ниобия (NbN) в Московском Педагогическом Государственном Университете (МПГУ) [4]. Длина болометра составляла 120 нм. Он крепился к центру спиральной антенны с волновым импедансом 75 Ом. Смеситель помещался на полусферической кремниевой линзе диаметром 10 мм, расположенной перед окном гелиевого криостата диаметром 25 мм. В криостате использовался фильтр Zitex для защиты от внешнего теплового излучения. Первый сверхпроводящий переход болометра соответствовал 9 К, а остальные два перехода, обусловленные эффектом близости NbN-Au интерфейса, соответствовали 6.5 и 5.5 К. Температура внутри криостата позволяла работать ниже всех переходов и составляла около 5 К. На рис. 10 продемонстрировано изменение ВАХ болометра из-за действия излучения контактов, прошедшего через систему ИМП. Такое изменение ВАХ обозначает полную загрузку болометра (насыщение), а значит – уверенную регистрацию сигнала [4]. После этого была реализована работа собственно терагерцового приёмника. В качестве источника излучения был выбран кусок поглотителя, охлаждённый в жидком азоте, джозефсоновские контакты исполняли теперь роль гетеродина. Напряжение на болометре было зафиксировано на уровне 1…1.5 мВ, что соответствует его максимальной чувствительности при данных условиях (см. рис. 10). В результате относительное изменение напряжения на болометре варьировалось в пределах 0.5…1.5 %, что является приемлемой величиной для современных гетеродинных приёмников. Рисунок 10 – Вольтамперные характеристики сверхпроводящего болометра в случае отсутствия и наличия сигнала, пришедшего через ИМП от массива джозефсоновских контактов. Итак, на основе системы приборов, включающей гетеродин в виде массива джозефсоновских контактов, квазиоптическую схему, являющуюся интерферометром Мартина-Паплетта, и смеситель на базе болометра на горячих электронах, был детектирован терагерцовый сигнал. Чувствительность прототипа соответствует современным гетеродинным приёмникам. Таким образом, данный эксперимент продемонстрировал принципиальную возможность создания терагерцового приёмника вышеописанного типа. 2. Подготовка заключительного отчета ПНИР. Введение В настоящее время в мире наблюдается дефицит компактных, перестраиваемых твердотельных источников когерентного непрерывного излучения терагерцового диапазона волн. Реализованный проект направлен на исследование когерентного излучения терагерцового диапазона волн из массивов джозефсоновских контактов с целью создания новых твердотельных перестраиваемых источников сигнала и их применению в качестве гетеродинов в приемниках на основе болометрических смесителей на горячих электронах. Важной задачей данного проекта являлось также использование опыта и навыков А.Д.Семенова, известного специалиста в исследовании излучения терагерцового диапазона волн и, в частности, сверхпроводниковых болометров на холодных и горячих электронах, для развития данного научного направления в ИФМ РАН. Целями реализованного проекта являются экспериментальное и теоретическое исследование процессов взаимной синхронизации в массивах джозефсоновских контактов, а также разработка принципов создания интегрированного гетеродинного приемника, использующего осциллятор на джозефсоновских контактах в качестве гетеродина и сверхпроводящий смеситель на базе болометра на горячих электронах. В результате выполнения проекта впервые созданы макет джозефсоновского генератора и продемонстрирован лабораторный прототип приемника.

Похожие:

	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Санкт-петербургский государственный электротехнический университет «лэти» им. В. И. Ульянова (ленина)
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования