RU2544275C2 - Shf-amplifier based on high-temperature squid with four josephson contacts - Google Patents

Shf-amplifier based on high-temperature squid with four josephson contacts Download PDF

Info

Publication number
RU2544275C2
RU2544275C2 RU2013128638/28A RU2013128638A RU2544275C2 RU 2544275 C2 RU2544275 C2 RU 2544275C2 RU 2013128638/28 A RU2013128638/28 A RU 2013128638/28A RU 2013128638 A RU2013128638 A RU 2013128638A RU 2544275 C2 RU2544275 C2 RU 2544275C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
josephson
contacts
contact
josephson contacts
bicrystal
Prior art date
Application number
RU2013128638/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013128638A (en
Inventor
Игорь Игоревич Соловьев
Виктор Константинович Корнев
Николай Викторович Кленов
Алексей Владимирович Шарафиев
Алексей Сергеевич Калабухов
Максим Леонидович Чухаркин
Олег Васильевич Снигирев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2013128638/28A priority Critical patent/RU2544275C2/en
Publication of RU2013128638A publication Critical patent/RU2013128638A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2544275C2 publication Critical patent/RU2544275C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: method includes identical and paralleled first and second Josephson contacts formed in a layer of high-temperature superconductor (HTSC) and placed along bicrystal boundary of the layer and an input inductive element coupled between adjoining current leads of Josephson contacts. There are auxiliary third and fourth Josephson contacts, at that critical current values of the first and second Josephson contacts coincide, the same value of the third Josephson contact is less and the same value of the fourth Josephson contact is more. HTSC layer is shaped as a path that crosses the bicrystal boundary twice and forms a closed circuit with the above inductive element placed at one side of the bicrystal boundary. The third and fourth Josephson contacts are placed at cross points of the above path with bicrystal boundary, and width of the path at the site of the fourth contact placement exceeds the width for placement of the third one.
EFFECT: increasing amplification linearity in gigahertz band of frequencies without use of feedback circuits SHF-amplifier based on high-temperature SQUID.
5 cl, 5 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к криогенной электронике и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.The invention relates to cryogenic electronics and can be used in measurement technology, radio engineering and information systems operating at low temperatures.

Уровень техникиState of the art

Радиочастотные усилители на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД) имеют высокую чувствительность и обладают низкой шумовой температурой, совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами. СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо, содержащее один или два джозефсоновских контакта, имеет согласующие и измерительные устройства.Radio frequency amplifiers based on superconducting quantum interferometers (SQUIDs) have high sensitivity and low noise temperature, are compatible with other superconducting devices. SQUID is a superconducting ring containing one or two Josephson junctions; it has matching and measuring devices.

Описаны различные конструкции и схемотехнические решения сверхпроводниковых усилителей СВЧ-диапазона. В частности, описана схема согласованного усилителя на СКВИДе с нагрузкой для диапазона до 0,1 ГГц (JPS60247311, Noguchi, 07.12.1985). Однако как рабочий диапазон частот, так и линейность преобразования для усилителей на одиночном низкотемпературном СКВИДе недостаточны для современных приложений.Various designs and circuitry solutions for microwave superconductors are described. In particular, a schematic of a matched SQUID amplifier with a load for the range up to 0.1 GHz is described (JPS60247311, Noguchi, December 7, 1985). However, both the operating frequency range and the linearity of conversion for amplifiers on a single low-temperature SQUID are insufficient for modern applications.

Существуют две проблемы, затрудняющие переход к более высоким частотам сигналов 1-10 ГГц при сохранении характерных для сверхпроводниковых устройств высоких показателей по усилению и шумовой температуре. Во-первых, СКВИД-усилители являются особым видом параметрических усилителей, в которых усиление мощности сигнала на его частоте FS происходит путем преобразования сигнала на частоту FS+FJ, где FJ - частота джозефсоновской генерации, и последующем преобразовании вниз, снова на частоту сигнала. Исходя из соотношений Мэнли-Роу, коэффициент усиления по мощности, G, такого усилителя не превышает:There are two problems that make it difficult to switch to higher frequencies of 1–10 GHz signals while maintaining high gain and noise temperature characteristics characteristic of superconducting devices. Firstly, SQUID amplifiers are a special type of parametric amplifiers in which the signal power at its frequency F S is amplified by converting the signal to the frequency F S + F J , where F J is the frequency of the Josephson generation, and then converting down again to signal frequency. Based on the Manly-Rowe ratios, the power gain, G, of such an amplifier does not exceed:

G F J / F S .                                      ( 1 )

Figure 00000001
G F J / F S . ( one )
Figure 00000001

Поэтому джозефсоновские переходы СКВИДа должны обладать высоким характеристическим напряжением - VC, чтобы характерная частота джозефсоновской генерацииTherefore, the Josephson SQUID junctions must have a high characteristic voltage - V C , so that the characteristic frequency of the Josephson generation

F C = V C / Ф 0 ,                               ( 2 )

Figure 00000002
F C = V C / F 0 , ( 2 )
Figure 00000002

где Ф0 - квант магнитного потока, равный 2,07×10-15 Вб, была на несколько порядков выше частоты сигнала.where Ф 0 - magnetic flux quantum, equal to 2.07 × 10 -15 VB, was several orders of magnitude higher than the signal frequency.

Для СКВИДов на основе Nb джозефсоновских контактов типичные значения VC не превышают 100-200 мкВ, соответственно, значения FC не превышают 50-100 ГГц. Типичные значения FJ в рабочей точке примерно на порядок меньше FC и, как видно из формулы (1), усиление исчезает для сигналов с частотой порядка 10 ГГц. Естественно ухудшаются и шумовые характеристики усилителя.For SQUIDs based on Nb Josephson junctions, typical V C values do not exceed 100-200 μV, respectively, F C values do not exceed 50-100 GHz. Typical values of F J at the operating point are approximately an order of magnitude smaller than F C and, as can be seen from formula (1), the gain disappears for signals with a frequency of the order of 10 GHz. The noise characteristics of the amplifier naturally worsen.

Второй проблемой для СВЧ-усилителей на основе классических СКВИДов с многовитковой входной катушкой в частотном диапазоне выше 0,01 ГГц является нелинейный вид отклика на задаваемое извне магнитное поле и невозможность линеаризации отклика с использованием традиционных систем обратной связи на таких высоких частотах, что ведет к невысокому уровню линейности усиления.The second problem for microwave amplifiers based on classical SQUIDs with a multi-turn input coil in the frequency range above 0.01 GHz is the nonlinear response to an external magnetic field and the inability to linearize the response using traditional feedback systems at such high frequencies, which leads to a low gain linearity level.

Решение первой проблемы - повышения характеристического напряжения VC, лежит в использовании в СКВИДах высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) джозефсоновских контактов, которые демонстрируют значения VC в милливольтовом диапазоне и могут обеспечить значительное усиление на частотах до 10 ГГц. Также для решения первой проблемы могут использоваться многоэлементные джозефсоновские структуры, в том числе состоящие из N последовательно или параллельно соединенных СКВИДов. Сложение откликов от составляющих такую цепочку СКВИДов как раз и позволяет достигнуть требуемого уровня усиления.The solution to the first problem - increasing the characteristic voltage V C , lies in the use of high temperature superconducting (HTSC) Josephson junctions in SQUIDs, which demonstrate V C values in the millivolt range and can provide significant amplification at frequencies up to 10 GHz. Also, to solve the first problem, multi-element Josephson structures can be used, including those consisting of N series SQUIDs connected in series or in parallel. The addition of the responses from the SQUIDs that make up such a chain makes it possible to achieve the required gain level.

В изобретении (US 7095227, Tarutani et. al., 22.08.2006) описан усилитель на последовательной цепочке СКВИДов, позволяющий использовать в качестве источника питания источник постоянного тока и занимающий малую площадь. Однако такое устройство позволяет достичь лишь относительно малую линейность усиления сигнала.The invention (US 7095227, Tarutani et. Al., 08/22/2006) describes an amplifier based on a sequential SQUID chain, which makes it possible to use a direct current source and occupying a small area as a power source. However, such a device allows to achieve only a relatively small linear gain of the signal.

Были предложены усилители-драйверы для гигагерцового диапазона (до десятков ГГц) на основе цепочек СКВИДов, разделенных на изолированные от земли пары, для уменьшения паразитных емкостей в системе (US 6486756, Tarutani, 26.11.2002), однако такие усилители пригодны лишь для цифровых применений и не могут быть использованы для усиления аналогового сигнала. Примером усилителя сигналов БОК-логики, преобразующего их на выходе в импульсы напряжения с величиной, достаточной для использования полупроводниковой электроники, является изобретение (US 6917216, Herr Quentin, 14.10.2004), использующее разделение и переотражение выходного БОК-импульса для получения достаточных значений выходных импульсов напряжения. Но это предложение опять же рассчитано исключительно на применения в цифровых устройствах.Amplifiers-drivers for the GHz range (up to tens of GHz) based on chains of SQUIDs separated into pairs isolated from the ground were proposed to reduce spurious capacitances in the system (US 6486756, Tarutani, 11.26.2002), however, such amplifiers are suitable only for digital applications and cannot be used to amplify an analog signal. An example of an amplifier of signals of the BOC logic, which converts them at the output into voltage pulses with a value sufficient to use semiconductor electronics, is an invention (US 6917216, Herr Quentin, 10/14/2004), which uses the separation and re-reflection of the output of the BOC pulse to obtain sufficient output values voltage pulses. But this offer is again designed exclusively for use in digital devices.

Для создания усилителя тока с большими значениями выходного тока предлагалось использовать набор параллельно соединенных СКВИДов постоянного тока (JP 2003209299, MOROOKA et al., 25.07.2003). Однако это предложение не рассчитано на работу в гигагерцовом диапазоне.To create a current amplifier with large output currents, it was proposed to use a set of parallel-connected DC SQUIDs (JP 2003209299, MOROOKA et al., July 25, 2003). However, this proposal is not designed to operate in the gigahertz range.

Цепочку СКВИДов переменной площади предлагали использовать в качестве высокочувствительного магнетометра (WO 01/25805, Schopohl et al., 12.04.2001; US 7369093, Oppenlander et al., 06.05.2008), однако описанные структуры не дают необходимой линейности усиления сигнала. Не дают достаточной линейности преобразования входного магнитного сигнала в выходное напряжение и неоднородные параллельные цепочки контактов (US 7369093), не позволяющие ко всему прочему добиться значительных значений выходного сигнала.It was suggested that a chain of SQUIDs of variable area be used as a highly sensitive magnetometer (WO 01/25805, Schopohl et al., April 12, 2001; US 7369093, Oppenlander et al., May 6, 2008), however, the described structures do not provide the necessary linear signal amplification. They do not provide sufficient linearity in the conversion of the input magnetic signal to the output voltage and heterogeneous parallel contact chains (US 7369093), which do not allow anything else to achieve significant values of the output signal.

Известен сверхпроводящий широкополосный СВЧ усилитель, содержащий подключенную к входной и выходной сверхпроводящим линиям последовательную цепочку двухконтактных СКВИДов, связанных со средствами задания рабочих режимов тока и магнитного поля (JPH10028021, Takeda et al., 27.01.1998). Описана конструкция СВЧ-усилителя на линейных цепочках СКВИДов постоянного тока, имеющего повышенный коэффициент усиления и высокую линейность в полосе частот 1-10 ГГц (RU 2353051, Корнев и др., 06.06.2007). Однако реализация требуемых цепочек СКВИДов на основе ВТСП технологически не решена, что ограничивает область перспективных применений усилителя.A known superconducting broadband microwave amplifier containing a series of two-contact SQUIDs connected to input and output superconducting lines is associated with means for setting the operating current and magnetic field modes (JPH10028021, Takeda et al., January 27, 1998). The design of a microwave amplifier on linear DC SQUID chains is described, which has an increased gain and high linearity in the frequency band 1-10 GHz (RU 2353051, Kornev et al., 06.06.2007). However, the implementation of the required SQUID chains based on HTSC has not been technologically solved, which limits the scope of promising applications of the amplifier.

Описана структура с тремя джозефсоновскими контактами (US 8179133, Kornev et al, 15.05.2012; S. Berggren, G. Prokopenko et al, "Development of 2D Bi-SQUID Arrays with High Linearity", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.23, Iss.3, p.1400208, 2013). В этом элементе параллельно основной индуктивности двухконтактного сквида предложено включить третий джозефсоновский переход, который находится всегда в сверхпроводящем состоянии и играет роль нелинейной индуктивности. Подключение джозефсоновского контакта параллельно индуктивности СКВИДа образует двойной СКВИД, далее именуемый как би-СКВИД. Такая ячейка позволяет добиться достаточно высокой линейности преобразования входного сигнала в выходное напряжение усилителя, однако и в данном случае реализовать предложенную структуру на основе высокотемпературных бикристаллических джозефсоновских контактов не представляется возможным.A structure with three Josephson contacts is described (US 8179133, Kornev et al, 05.15.2012; S. Berggren, G. Prokopenko et al, "Development of 2D Bi-SQUID Arrays with High Linearity", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.23 , Iss. 3, p. 1400208, 2013). In this element, it is proposed to include a third Josephson junction, which is always in the superconducting state and plays the role of nonlinear inductance, in parallel with the main inductance of the two-contact squid. Connecting the Josephson junction parallel to the inductance of SQUID forms a double SQUID, hereinafter referred to as bi-SQUID. Such a cell makes it possible to achieve a sufficiently high linearity of the conversion of the input signal to the output voltage of the amplifier, however, in this case, it is not possible to implement the proposed structure on the basis of high-temperature bicrystalline Josephson contacts.

Наиболее близким к патентуемому усилителю является сверхпроводящий СВЧ-усилитель на высокотемпературном СКВИДе (RU 2325004, Калабухов, Снигирев, 20.05.2008 - прототип). СВЧ-усилитель содержит двухконтактный квантовый интерферометр на основе слоистой структуры (ВТСП)/изолятор/нормальный металл, сформированной на изолирующей бикристаллической подложке, связанный с входной и выходной линиями передачи, средства электрического согласования. Линии передачи выполнены в виде копланарных линий, установленных соосно интерферометру и имеющих протяженный центральный электрод, образованный в слое ВТСП на поверхности подложки, и размещенную с зазором по обе стороны от центрального электрода по меньшей мере одну пару внешних электродов, образованных в слое нормального металла, выполняющих функцию обкладок конденсаторов средств электрического согласования. Однако преобразование магнитного сигнала в напряжение в интерферометре такого усилителя по-прежнему остается нелинейным.Closest to the patented amplifier is a superconducting microwave amplifier at high temperature SQUID (RU 2325004, Kalabukhov, Snigirev, 05.20.2008 - prototype). The microwave amplifier contains a two-contact quantum interferometer based on a layered structure (HTSC) / insulator / normal metal formed on an insulating bicrystalline substrate, connected to the input and output transmission lines, electric matching means. The transmission lines are made in the form of coplanar lines installed coaxially with the interferometer and having an extended central electrode formed in the HTSC layer on the substrate surface and placed with a gap on both sides of the central electrode at least one pair of external electrodes formed in the normal metal layer, performing function of capacitor plates of means of electrical matching. However, the conversion of the magnetic signal into voltage in the interferometer of such an amplifier is still non-linear.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Предметом настоящего изобретения является конструкция СВЧ-усилителя на основе высокотемпературного СКВИДа постоянного тока, имеющего повышенную линейность преобразования приложенного магнитного сигнала в отклик напряжения.The subject of the present invention is the construction of a microwave amplifier based on a high-temperature direct current SQUID having an increased linearity in converting the applied magnetic signal to a voltage response.

Патентуемый СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа включает параллельно соединенные первый и второй джозефсоновские контакты, образованные в слое высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) в форме петли и размещенные вдоль бикристаллической границы подложки, и входной индуктивный элемент, включенный между смежными токоподводами упомянутых джозефсоновских контактов.A patented microwave amplifier based on a high-temperature SQUID includes parallel-connected first and second Josephson junctions formed in a loop in the form of a high-temperature superconductor (HTSC) and placed along the bicrystal interface of the substrate, and an input inductive element connected between adjacent current leads of the Josephson junctions.

Отличие состоит в том, что дополнительно введены третий и четвертый джозефсоновские контакты, причем критический ток первого и второго джозефсоновских контактов совпадает, третьего - меньше величины критического тока первого и второго переходов, а четвертого контакта - превышает эту величину.The difference is that the third and fourth Josephson contacts are additionally introduced, with the critical current of the first and second Josephson contacts coinciding, the third being less than the critical current of the first and second transitions, and the fourth contact exceed this value.

Петля в слое ВТСП замкнута дорожкой, которая дважды пересекает бикристаллическую границу и образует замкнутый контур с упомянутым индуктивным элементом, расположенным по одну сторону бикристаллической границы.The loop in the HTSC layer is closed by a path that crosses the bicrystal boundary twice and forms a closed loop with the mentioned inductive element located on one side of the bicrystal boundary.

Третий и четвертый джозефсоновские контакты размещены в местах пересечений упомянутой дорожки с бикристаллической границей, а ширина дорожки в месте размещения четвертого джозефсоновского контакта превышает одноименную для третьего джозефсоновского контакта.The third and fourth Josephson contacts are located at the intersections of the aforementioned path with a bicrystal boundary, and the width of the path at the location of the fourth Josephson contact exceeds that of the third Josephson contact.

Усилитель может характеризоваться тем, что отношение критического тока упомянутого четвертого джозефсоновского контакта к критическому току остальных джозефсоновских контактов более 4.The amplifier can be characterized in that the ratio of the critical current of the fourth Josephson contact to the critical current of the remaining Josephson contacts is more than 4.

Усилитель может характеризоваться и тем, что бикристаллическая подложка выполнена из сапфира с углом разориентации границы 24°, а также тем, что слой ВТСП представляет собой соединение общей формулы YBa2Cu3O7-x и образован на подслое из CeO2.The amplifier can be characterized by the fact that the bicrystal substrate is made of sapphire with a misorientation angle of 24 °, and also because the HTSC layer is a compound of the general formula YBa 2 Cu 3 O 7-x and is formed on a CeO 2 sublayer.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении повышенной линейности отклика без использования цепей обратной связи в гигагерцовом диапазоне частот.The technical result of the invention is to provide increased linearity of the response without the use of feedback circuits in the gigahertz frequency range.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 представлена блок-схема СВЧ-усилителя;Figure 1 presents a block diagram of a microwave amplifier;

На фиг.2 представлена принципиальная схема двухконтактного СКВИДа с дополнительно введенными двумя джозефсоновскими контактами;Figure 2 presents a schematic diagram of a two-contact SQUID with an additional two Josephson contacts;

На фиг.3 представлена схематическая топология слоя ВТСП на изолирующей бикристаллической подложке с двумя идентичными джозефсоновскими контактами и дополнительным нелинейным джозефсоновским шунтированием индуктивного элемента;Figure 3 shows a schematic topology of a HTSC layer on an insulating bicrystal substrate with two identical Josephson contacts and an additional nonlinear Josephson bypass of the inductive element;

На фиг.4 представлен расчетный вид вольт-потоковой зависимости би-СКВИДа с четырьмя джозефсоновскими контактами в сравнении с вольт-потоковой зависимостью двухконтактного СКВИДа;Figure 4 presents the calculated form of the current-voltage dependence of bi-SQUID with four Josephson contacts in comparison with the voltage-current dependence of a two-contact SQUID;

На фиг.5 представлены отклики напряжения последовательно соединенных би-СКВИДов в случае номинальной величины критического тока IC джозефсоновских переходов и в случае ±2%-го отклонения IC от номинального значения.Figure 5 presents the voltage responses of the bi-SQUIDs connected in series in the case of a nominal critical current I C of Josephson junctions and in the case of a ± 2% deviation of I C from the nominal value.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

В основе изобретения лежит оптимизация конструкции устройства сверхпроводящего высокотемпературного СВЧ-усилителя на СКВИД: параллельно основной индуктивности двухконтактного СКВИДа подключены два последовательно соединенных джозефсоновских контакта, которые находятся всегда в сверхпроводящем состоянии и играют роль нелинейной индуктивности. Введение дополнительного нелинейного шунтирования индуктивного элемента посредством джозефсоновских контактов обеспечивает нелинейное преобразование входного магнитного сигнала в джозефсоновскую фазу двухконтактного интерферометра, что обеспечивает при надлежащем подборе параметров линейную зависимость выходного напряжения от величины приложенного потока.The invention is based on the optimization of the design of a device for a superconducting high-temperature microwave amplifier at SQUID: two Josephson contacts in series, which are always in the superconducting state and play the role of nonlinear inductance, are connected in parallel with the main inductance of a two-contact SQUID. The introduction of an additional nonlinear shunting of the inductive element by means of Josephson junctions provides a nonlinear transformation of the input magnetic signal into the Josephson phase of the two-contact interferometer, which provides, with proper selection of parameters, a linear dependence of the output voltage on the magnitude of the applied flux.

СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа (фиг.1, 2) содержит входную линию 1, би-СКВИД 2 с четырьмя джозефсоновскими контактами 21, 22, 23 и 24. Входная линия 1 характеризуется внутренним импедансом Zi (поз.3) и индуктивным элементом 4, задающим магнитный поток Ф через индуктивный элемент би-СКВИДа 2. Схема включает линию 5 задания рабочей точки би-СКВИДа, причем величина протекающего через эту линию тока равна IB, и выходную линию 6.A microwave amplifier based on a high-temperature SQUID (Fig. 1, 2) contains an input line 1, bi-SQUID 2 with four Josephson contacts 21, 22, 23 and 24. The input line 1 is characterized by an internal impedance Z i (pos. 3) and inductive element 4, which sets the magnetic flux Ф through the inductive element of bi-SQUID 2. The circuit includes a line 5 for setting the operating point of bi-SQUID, and the magnitude of the current flowing through this line is equal to I B , and the output line 6.

Би-СКВИД с четырьмя джозефсоновскими контактами представляет (фиг.3) структуру, размещенную на сапфировой бикристаллической подложке 7 с бикристаллической границей 8. Кристаллофизические параметры подложки и технология образования слоистой структуры (условно обозначена поз.9) в данном описании не приводятся и известны из уровня техники (см., например, E. Stepantsov et al., THz Josephson properties of grain boundary YBaCuO junctions on symmetric, tilted bicrystal sapphire substrates, J. Appl. Phys., v.96, N 6, pp.3357-3361, 2004).Bi-SQUID with four Josephson junctions represents (Fig. 3) a structure placed on a sapphire bicrystalline substrate 7 with a bicrystalline boundary 8. The crystallophysical parameters of the substrate and the technology for the formation of a layered structure (symbolically designated as pos. 9) are not given in this description and are known from techniques (see, e.g., E. Stepantsov et al., THz Josephson properties of grain boundary YBaCuO junctions on symmetric, tilted bicrystal sapphire substrates, J. Appl. Phys., v. 96, No. 6, pp.3357-3361, 2004).

СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного би-СКВИДа 2 включает идентичные и параллельно соединенные первый 21 и второй 22 джозефсоновские контакты, образованные в слое 10 высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) в форме петли и размещенные вдоль бикристаллической границы 8 подложки 7.A microwave amplifier based on high-temperature bi-SQUID 2 includes identical and parallel-connected first 21 and second 22 Josephson contacts formed in a loop-shaped layer 10 of a high-temperature superconductor (HTSC) and placed along the bicrystal boundary 8 of substrate 7.

Высокотемпературный би-СКВИД 2 содержит индуктивный элемент 11, включенный между смежными токоподводами джозефсоновских контактов 21 и 22, который также образован в слое 10. Введены третий 23 и четвертый 24 джозефсоновские контакты, причем критический ток первого и второго контактов 21 и 22 совпадает, третьего контакта - меньше этой величины, а четвертого контакта - превышает эту величину, т.е. IC(24)>IC(21,22)>IC(23).High temperature bi-SQUID 2 contains an inductive element 11 connected between adjacent current leads of Josephson contacts 21 and 22, which is also formed in layer 10. The third 23 and fourth 24 Josephson contacts are introduced, and the critical current of the first and second contacts 21 and 22 coincides, the third contact - less than this value, and the fourth contact - exceeds this value, i.e. I C (24) > I C (21.22) > I C (23) .

Слой 10 ВТСП в форме петли соединен с дорожкой 12, которая дважды пересекает бикристаллическую границу 8 и образует замкнутый контур с индуктивным элементом 11, расположенным по одну сторону 13 бикристаллической границы 8. По другую сторону 14 границы 8 размещены части 15, 16 слоя ВТСП.The loop-shaped HTSC layer 10 is connected to a track 12, which crosses the bicrystal boundary 8 twice and forms a closed loop with an inductive element 11 located on one side 13 of the bicrystalline boundary 8. On the other side 14 of the boundary 8, parts 15, 16 of the HTSC layer are located.

Третий и четвертый джозефсоновские контакты 23, 24 размещены в местах пересечений упомянутой дорожки 12 с бикристаллической границей 8. Ширина b дорожки 12 в месте 17 размещения четвертого джозефсоновского контакта 24 превышает одноименную a для третьего джозефсоновского контакта, таким образом, что a<0,2b (снизу величина a ограничена возможностями современной технологии). Это необходимо для того, чтобы обеспечить надлежащий вид преобразования входного магнитного сигнала в джозефсоновскую фазу двухконтактного интерферометра и упомянутой джозефсоновской фазы интерферометра - в выходной отклик напряжения.The third and fourth Josephson contacts 23, 24 are located at the intersections of the aforementioned track 12 with a bicrystal boundary 8. The width b of the track 12 at the location 17 of the fourth Josephson contact 24 is greater than the a of the same name for the third Josephson contact, so that a <0.2b ( below, the value of a is limited by the capabilities of modern technology). This is necessary in order to ensure the proper form of conversion of the input magnetic signal into the Josephson phase of the two-contact interferometer and the mentioned Josephson phase of the interferometer into the output voltage response.

Отношение критического тока джозефсоновского контакта 24 к критическому току джозефсоновских контактов 21, 22 более четырех. Это условие выбрано из соображений оптимизации линейности отклика напряжения и его амплитуды. Отношение нормированной индуктивности l индуктивного элемента 11 к нормированной индуктивности дорожки 12 более 10. Принципы подбора оптимального значения l в данном описании не приводятся и известны из уровня техники (см., например, Kornev V., Soloviev I., Klenov N., Mukhanov O., "Bi-SQUID: a novel linearization method for dc SQUID voltage response", Supercond. Sci. Technol., vol.22, p.114011, 2009). Отношение критического тока джозефсоновского контакта 23 к критическому току джозефсоновских контактов 21, 22 может находиться в диапазоне 0,5-1, т.е. IC(23)=(0,5-1)IC(21,22) и выбрано так, чтобы обеспечить надлежащий вид преобразования входного магнитного сигнала в джозефсоновскую фазу двухконтактного интерферометра и упомянутой джозефсоновской фазы интерферометра - в выходной отклик напряжения.The ratio of the critical current of the Josephson junction 24 to the critical current of the Josephson junction 21, 22 is more than four. This condition is selected for reasons of optimizing the linearity of the voltage response and its amplitude. The ratio of the normalized inductance l of the inductive element 11 to the normalized inductance of the track 12 is more than 10. The principles for selecting the optimal value l are not given in this description and are known from the prior art (see, for example, Kornev V., Soloviev I., Klenov N., Mukhanov O ., "Bi-SQUID: a novel linearization method for dc SQUID voltage response", Supercond. Sci. Technol., Vol.22, p. 114141, 2009). The ratio of the critical current of the Josephson junction 23 to the critical current of the Josephson junction 21, 22 can be in the range 0.5-1, i.e. I C (23) = (0.5-1) I C (21.22) and is selected so as to ensure the proper type of conversion of the input magnetic signal into the Josephson phase of the two-contact interferometer and the mentioned Josephson phase of the interferometer into the output voltage response.

Структура непосредственно самого высокотемпературного би-СКВИДа 2 имеет два слоя: по всей плоскости подложка 7 покрывается подслоем оксида церия CeO2, поверх которого без разрыва вакуума наносится пленка ВТСП - соединение YBa2Cu3O7-x. Далее при необходимости для формирования входных и выходных линий на подложку со сформированной литографией в слоях CeO2/YBCO структурой наносится слой изолятора - SiO2, и в нем литографией формируют часть элементов согласования. Затем наносится слой золота, в котором формируют остальные элементы СВЧ-усилителя. Толщины пленок составляют: подслой CeO2 - 30 нм, слой ВТСП (YBCO) - 250 нм, слой SiO2 - 400 нм, слой золота - 200 нм. Бикристаллические сапфировые подложки с углом разориентации 24° обеспечивают получение значений характерного джозефсоновского напряжения VC на уровне 0,2 мВ при 77 K (A. Kalabukhov, et al., "Design, fabrication and experimental investigation of high-Tc dc SQUID RF amplifier with a slot-line input circuit" - in Extended Abstract of International Superconductive Electronics Conference (ISEC'05), Noordwijkerhout, The Netherlands, September 5-9, 2005, Report P-H 23).The structure of the highest-temperature bi-SQUID 2 itself has two layers: on the entire plane, the substrate 7 is coated with a sublayer of cerium oxide CeO 2 , on top of which a HTSC film - YBa 2 Cu 3 O 7-x compound is deposited without breaking the vacuum. Then, if necessary, to form input and output lines, an insulator layer, SiO 2 , is deposited on a substrate with lithography formed in CeO 2 / YBCO layers, and part of the matching elements are formed in it by lithography. Then a layer of gold is applied in which the remaining elements of the microwave amplifier are formed. The film thicknesses are: CeO 2 sublayer - 30 nm, HTSC layer (YBCO) - 250 nm, SiO 2 layer - 400 nm, gold layer - 200 nm. Bicrystalline sapphire substrates with a misorientation angle of 24 ° provide a characteristic Josephson voltage V C of 0.2 mV at 77 K (A. Kalabukhov, et al., "Design, fabrication and experimental investigation of high-Tc dc SQUID RF amplifier with a slot-line input circuit "- in Extended Abstract of International Superconductive Electronics Conference (ISEC'05), Noordwijkerhout, The Netherlands, September 5-9, 2005, Report PH 23).

На фиг.4 представлен расчетный вид вольт-потоковой зависимости би-СКВИДа с четырьмя джозефсоновскими контактами в сравнении с вольт-потоковой зависимостью двухконтактного СКВИДа. Из сравнения представленных результатов видно, что при величине нормированной индуктивности l=0,5 двухконтактного интерферометра и отношении критического тока IC контакта 24 к критическому току IC контактов 21(22), равному 4, отклик напряжения V би-СКВИДа на магнитный сигнал Ф существенно линеаризуется, обеспечивая достижение технического результата. Для достижения технического результата необходимо также чтобы отношение нормированной индуктивности l индуктивного элемента 11 к нормированной индуктивности дорожки 12 было более 10.Figure 4 presents the calculated form of the current-voltage dependence of bi-SQUID with four Josephson contacts in comparison with the voltage-current dependence of a two-contact SQUID. A comparison of the presented results shows that when the normalized inductance is l = 0.5 of a two-pin interferometer and the ratio of the critical current I C of contact 24 to the critical current of I C of contacts 21 (22) is 4, the response of voltage V bi-SQUID to the magnetic signal Ф significantly linearized, ensuring the achievement of a technical result. To achieve a technical result, it is also necessary that the ratio of the normalized inductance l of the inductive element 11 to the normalized inductance of the track 12 be more than 10.

На фиг.5 представлены отклики напряжения V последовательно соединенных би-СКВИДов в случае номинальной величины критического тока IC джозефсоновских контактов и в случае ±2%-го отклонения критического тока от номинального значения. Видно, что отклонение критического тока от номинального значения приводит в основном к изменению амплитуды откликов, практически не изменяя при этом линейности и формы откликов.Figure 5 presents the responses of the voltage V of the bi-SQUIDs connected in series in the case of the nominal value of the critical current I C of Josephson contacts and in the case of a ± 2% deviation of the critical current from the nominal value. It can be seen that the deviation of the critical current from the nominal value leads mainly to a change in the amplitude of the responses, while practically not changing the linearity and shape of the responses.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата в гигагерцовом диапазоне частот в части повышения линейности отклика без использования цепей обратной связи.Thus, the data presented indicate the achievement of a technical result in the gigahertz frequency range in terms of increasing the linearity of the response without the use of feedback circuits.

Claims (5)

1. СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа, включающий параллельно соединенные первый и второй джозефсоновские контакты, образованные в слое высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) в форме петли и размещенные вдоль бикристаллической границы подложки, и входной индуктивный элемент, включенный между смежными токоподводами упомянутых джозефсоновских контактов,
отличающийся тем, что
дополнительно введены третий и четвертый джозефсоновские контакты, причем критический ток первого и второго джозефсоновских контактов совпадает, третьего - меньше величины критического тока первого и второго переходов, а четвертого контакта - превышает эту величину,
петля в слое ВТСП замкнута дорожкой, которая дважды пересекает бикристаллическую границу и образует замкнутый контур с упомянутым индуктивным элементом, расположенным по одну сторону бикристаллической границы, при этом
третий и четвертый джозефсоновские контакты размещены в местах пересечений упомянутой дорожки с бикристаллической границей по обе стороны от первого и второго джозефсоновских контактов, а ширина дорожки в месте размещения четвертого джозефсоновского контакта превышает одноименную для третьего джозефсоновского контакта.
1. A microwave amplifier based on a high-temperature SQUID, including parallel-connected first and second Josephson contacts formed in a layer of a high-temperature superconductor (HTSC) in the form of a loop and placed along the bicrystal boundary of the substrate, and an input inductive element connected between adjacent current leads of the said Josephson contacts
characterized in that
additionally introduced the third and fourth Josephson contacts, the critical current of the first and second Josephson contacts coincides, the third is less than the critical current of the first and second transitions, and the fourth contact exceeds this value,
the loop in the HTSC layer is closed by a path that crosses the bicrystal boundary twice and forms a closed loop with the mentioned inductive element located on one side of the bicrystal boundary, while
the third and fourth Josephson contacts are located at the intersections of the mentioned track with a bicrystal boundary on both sides of the first and second Josephson contacts, and the width of the track at the location of the fourth Josephson contact is greater than that of the third Josephson contact.
2. СВЧ-усилитель по п.1, отличающийся тем, что ширина дорожки в месте размещения четвертого джозефсоновского контакта превышает одноименную для третьего джозефсоновского контакта.2. The microwave amplifier according to claim 1, characterized in that the width of the track at the location of the fourth Josephson junction exceeds that of the third Josephson junction. 3. СВЧ-усилитель по п.1, отличающийся тем, что отношение критического тока упомянутого четвертого джозефсоновского контакта к критическому току остальных джозефсоновских контактов более 4.3. The microwave amplifier according to claim 1, characterized in that the ratio of the critical current of said fourth Josephson contact to the critical current of the remaining Josephson contacts is more than 4. 4. СВЧ-усилитель по п.1, отличающийся тем, что бикристаллическая подложка выполнена из сапфира с углом разориентации 24°.4. The microwave amplifier according to claim 1, characterized in that the bicrystal substrate is made of sapphire with a misorientation angle of 24 °. 5. СВЧ-усилитель по п.1, отличающийся тем, что слой ВТСП представляет собой соединение общей формулы YBa2Cu3O7-x и образован на подслое из CeO2. 5. The microwave amplifier according to claim 1, characterized in that the HTSC layer is a compound of the general formula YBa 2 Cu 3 O 7-x and is formed on a CeO 2 sublayer.
RU2013128638/28A 2013-06-24 2013-06-24 Shf-amplifier based on high-temperature squid with four josephson contacts RU2544275C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013128638/28A RU2544275C2 (en) 2013-06-24 2013-06-24 Shf-amplifier based on high-temperature squid with four josephson contacts

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013128638/28A RU2544275C2 (en) 2013-06-24 2013-06-24 Shf-amplifier based on high-temperature squid with four josephson contacts

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013128638A RU2013128638A (en) 2014-12-27
RU2544275C2 true RU2544275C2 (en) 2015-03-20

Family

ID=53278577

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013128638/28A RU2544275C2 (en) 2013-06-24 2013-06-24 Shf-amplifier based on high-temperature squid with four josephson contacts

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2544275C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792981C1 (en) * 2022-12-28 2023-03-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук JOSEPHSON PARAMETRIC TRAVELING WAVE AMPLIFIER BASED ON bi-SQUIDS

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0414426A1 (en) * 1989-08-24 1991-02-27 Trw Inc. Superconducting analog-to-digital converter with grounded four-junction squid bidirectional counter
US7095227B2 (en) * 2002-08-05 2006-08-22 International Superconductivity Technology Center, The Juridical Foundation Superconducting driver circuit
RU2325004C1 (en) * 2006-09-27 2008-05-20 Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова Shf-amplifier based on high-temperature superconducting quantum interference device (squid)
RU2353051C2 (en) * 2007-06-06 2009-04-20 Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова Superconducting wide-band shf amplifier
US8179133B1 (en) * 2008-08-18 2012-05-15 Hypres, Inc. High linearity superconducting radio frequency magnetic field detector

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0414426A1 (en) * 1989-08-24 1991-02-27 Trw Inc. Superconducting analog-to-digital converter with grounded four-junction squid bidirectional counter
US7095227B2 (en) * 2002-08-05 2006-08-22 International Superconductivity Technology Center, The Juridical Foundation Superconducting driver circuit
RU2325004C1 (en) * 2006-09-27 2008-05-20 Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова Shf-amplifier based on high-temperature superconducting quantum interference device (squid)
RU2353051C2 (en) * 2007-06-06 2009-04-20 Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова Superconducting wide-band shf amplifier
US8179133B1 (en) * 2008-08-18 2012-05-15 Hypres, Inc. High linearity superconducting radio frequency magnetic field detector

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792981C1 (en) * 2022-12-28 2023-03-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук JOSEPHSON PARAMETRIC TRAVELING WAVE AMPLIFIER BASED ON bi-SQUIDS

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013128638A (en) 2014-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1547167B1 (en) Superconducting quantum interference device
RU2325004C1 (en) Shf-amplifier based on high-temperature superconducting quantum interference device (squid)
EP0327123B1 (en) Superconducting quantum interference device
RU2554612C2 (en) High-frequency superconducting memory element
Nordman Superconductive amplifying devices using fluxon dynamics
KR20020010724A (en) Optical superconducting device
RU2544275C2 (en) Shf-amplifier based on high-temperature squid with four josephson contacts
EP1884791A1 (en) Superconducting quantum interference device
Kaplunenko et al. Novel design of rapid single flux quantum logic based on a single layer of a high‐T c superconductor
Lacquaniti et al. Engineering overdamped niobium-based Josephson junctions for operation above 4.2 K
RU2353051C2 (en) Superconducting wide-band shf amplifier
Lacquaniti et al. Analysis of the Temperature Stability of Overdamped ${\hbox {Nb}}/{\hbox {Al-}}{\hbox {AlO}} _ {x}/{\hbox {Nb}} $ Josephson Junctions
Balashov et al. Passive phase shifter for superconducting Josephson circuits
Uzun et al. Fabrication of high-Tc superconducting multilayer structure with YBa2Cu3O7− x thin films separated by SrTiO3 interlayers
RU2554614C2 (en) Josephson 0-pi switch
RU2620760C2 (en) Superconducting quantum grid on the basis of skif structures
RU2792981C1 (en) JOSEPHSON PARAMETRIC TRAVELING WAVE AMPLIFIER BASED ON bi-SQUIDS
US5834794A (en) Superconducting device
Nevirkovets et al. Characterization of Amplification Properties of the Superconducting-Ferromagnetic Transistor
Mück et al. Radio frequency SQUIDs and their applications
Nevirkovets et al. Measurement results of the superconducting-ferromagnetic transistor
Constantinian et al. Shot noise in YBCO bicrystal Josephson junctions
Ramos et al. First steps towards a high-Tc squid amplifier
Kornev et al. Size effects in active superconductor antennas
WO2023199279A1 (en) Superconducting interferometer