CN108169562A - 一种利用微波实时改变机械振子频率的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，包括：微波源、微波分束器、衰减器、无氧铜腔体、第一级放大器、第二级放大器、矢量网络分析仪、混频器、频谱分析仪和控制电脑，本发明将悬空电容样品作为微机械振子，同时电容的周围存在螺旋电感，螺旋电感与电容共同构成了LC谐振电路。利用微波驱动LC谐振电路形成电磁振荡，同时也会引起电容上极板薄膜的机械振动，这导致了电容上下极板间距离的变化，从而对LC谐振电路的谐振频率产生了调制作用。本发明还公开了一种利用微波实时改变机械振子频率的方法。本发明实现了在低温下通过改变微波的输入功率来调控机械振子的振动频率。
Description
技术领域
本发明属于量子信息处理技术领域，具体涉及一种利用微波实时改变机械振子频率的装置和方法。
背景技术
量子信息处理是目前科学研究的热点，随着微加工制备工艺的进步与量子信息处理的研究需求，促使了越来越多的研究人员开始关注微机械振子的应用和研究。微机械振子由于具有较高的共振频率、极小的质量和耗散，已被广泛用于量子机理的研究中，随着微加工工艺制备的精细度不断提高，实验室中已经可以制作出微纳尺寸的机械振子，其足够小的尺寸使得它可以与多种固体系统耦合，例如超导量子比特、光腔和微波腔等，形成耦合量子系统，实现不同频率量子系统的相互作用。微机械振子可以做类似弹簧的微小振动，其振动频率与自身的材料性质、质量和几何外形有关，传统地改变微机械振子的振动频率的方式可以在微加工过程中改变微机械振子的质量和几何尺寸来实现，但这样的方式操作复杂，需要在制备工艺上花较长的时候来摸索制备条件并且设计多种适用于不同几何尺寸的原始模具，这给科研和应用都带来了不便，并且这样的机械振子振动频率的改变方式不具有实时性和连续性，只能靠采用不同质量和几何尺寸的微机械振子来得到特定的分立的振动频率，而不是实时地得到连续分布的振动频率，为此我们设计了利用微波实时改变机械振子频率的装置和方法。
发明内容
发明目的：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种利用微波实时改变机械振子频率的装置和方法，实现了在低温下通过改变微波的输入功率来实时调控机械振子的振动频率。
技术方案：
为达到上述目的，本发明采用的第一种技术方案为一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，包括：微波源、微波分束器、衰减器、无氧铜腔体、第一级放大器、第二级放大器、矢量网络分析仪、混频器、频谱分析仪和控制电脑，其中，所述无氧铜腔体处于20mK的低温下，用于装载悬空电容样品；所述衰减器和第一级放大器处于稀释制冷机的低温环境中，所述微波源、微波分束器、矢量网络分析仪、混频器、频谱分析仪、控制电脑以及第二级放大器都处在室温环境中；所述微波源用于提供频率和功率连续变化的微波信号给微波分束器，所述微波分束器用于将所述微波信号分成两路，其中一路微波信号将作为超导谐振电路的微波输入信号，通过衰减器输入到无氧铜腔体中，用于驱动超导谐振电路，另一路微波信号作为微波本地信号，用于与超导谐振电路的输出信号进行混频；所述矢量网络分析仪用于测量超导谐振电路的输出端口到输入端口的正向传输系数S21曲线；所述频谱分析仪用于测量超导谐振电路的输出信号，并观测机械振动的调制作用；所述混频器的输入端分别连接微波分束器和第二级放大器，用于将超导谐振电路的输出信号和本地信号进行混频，以此来得到机械振子的频率，混频器的输出端连接频谱分析仪，所述第二级放大器的输入端连接到第一级放大器的输出端，用于接收第一级放大器的输出信号，做进一步放大，所述控制电脑连接到频谱分析仪，用于记录频谱分析仪测量得到的数据。
进一步的，所述矢量网络分析仪同时连接衰减器的输入端和第一级放大器的输出端。
进一步的，在混频阶段，所述第二级放大器的输出端连接混频器与微波本地信号进行混频，在测量边带效应阶段，第二级放大器连接到频谱分析仪进行测试。
进一步的，所述第二级放大器的输出端直接连接到频谱分析仪进行测试。
进一步的，所述无氧铜腔体的两侧分别安装一个SMA接头，分别作为输入端和输出端，所述无氧铜腔体的内部安装PCB板，悬空电容样品位于PCB板的凹槽中；所述SMA接头的第一中心导体与PCB板的第二中心导体用焊锡相连，所述第二中心导体与悬空电容样品的共面波导传输线用铝线相连。
进一步的，所述悬空电容样品为微加工工艺制作的微尺度的电容样品，包括硅基底、铝膜接地面、共面波导传输线、上极板、下极板和螺旋电感；所述硅基底是整个悬空电容样品的载体，上极板、下极板、螺旋电感、铝膜接地面和共面波导传输线均制作在硅基底上，所述共面波导传输线位于硅基底的正中间，上极板、下极板与螺旋电感构成的LC谐振电路分布在共面波导传输线的两侧，每侧各1个，一共2个，所述螺旋电感分布在所述上极板和下极板的四周。
本发明提供的第二种技术方案为一种利用微波实时改变机械振子频率的方法，包括以下步骤：
(1)、将矢量网络分析仪分别连接在衰减器的输入端和第一级放大器的输出端，测量超导谐振电路的输出端口到输入端口的正向传输系数S21曲线，观测到 2个吸收峰；
(2)、根据所述步骤(1)所得到的吸收峰，选取其中一个吸收峰的频率，从微波源中输出此频率的微波，使用微波分束器将这束微波分成两路微波信号，一路作为驱动超导谐振电路的微波输入信号，另一路作为微波本地信号；
(3)、将所述步骤(2)所得到的微波输入信号，输入衰减器，所述微波输入信号经过SMA接头输入装载悬空电容样品的无氧铜腔体，依次经过PCB板的第二中心导体、悬空电容样品的共面波导传输线耦合进LC谐振电路，在无氧铜腔体的输出端得到微波输出信号；
(4)、所述步骤(3)所得到的微波输出信号依次经过第一级放大器和第二级放大器两级放大，得到微波放大信号，将所述微波放大信号输入频谱分析仪，观测到边带效应的多个峰值；
(5)、根据所述步骤(4)所得到的微波放大信号和所述步骤(2)所得到的微波本地信号，同时将所述微波放大信号和微波本地信号接入混频器中进行混频，得到的结果是中间频率与边带频率的差值，该差值即为机械振子的振动频率；
(6)、改变微波源输出的微波信号的功率，重复上述步骤(2)至(5)，即能实现利用微波实时改变机械振子的振动频率。
与现有的技术相比，本发明具有下述优点：本发明是基于悬空电容样品的利用微波实时改变机械振子频率的装置和方法，将硅基片上的极小尺寸的悬空电容看作微机械振子，利用其电磁特性、机械振动等特性，将悬空电容作为微波与机械振子耦合的媒介。微波通过传输线传递电磁能量，由于在悬空电容的周围分布着螺旋电感，这些螺旋电感可以将传输线上的电磁能耦合进悬空电容形成电磁振荡，同时会激励电容上电极薄膜在竖直方向上做机械振动，通过本发明的装置和方法，可以改变微波的输入功率，研究电容上极板薄膜振动的频率随功率的变化规律，这克服了需要在工艺上不断改进流程来得到不同质量和尺寸的机械振子带来的不便，减少了微加工的成本和时间。本装置和方法具有可调节性和便捷性，能够实时改变机械振子频率，对机械振子的研究和应用有着重要的意义。
附图说明
图1：利用微波实时改变机械振子频率的装置示意图；
图2：无氧铜腔体示意图；
图3：悬空电容样品示意图；
图4：LC谐振电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步阐述：
如图1所示，本发明利用微波实时改变机械振子频率的装置主要包括：微波源101、微波分束器102、衰减器103、无氧铜腔体104、第一级放大器105、第二级放大器110、矢量网络分析仪106、混频器107、频谱分析仪108和控制电脑109。在测量过程中，所述无氧铜腔体104处于20mK的低温下，所述衰减器 103和第一级放大器105处于稀释制冷机的低温环境中，其余的设备，如微波源 101、微波分束器102、矢量网络分析仪106、混频器107、频谱分析仪108、控制电脑109以及第二级放大器110都处在室温环境中。其中，所述微波源101用于提供频率和功率连续变化的微波信号给微波分束器102，微波分束器102用于将所述微波信号分成两路，其中一路微波信号作为超导谐振电路的微波输入信号，此信号通过衰减器103输入至无氧铜腔体104中，来驱动超导谐振电路，另一路微波信号作为微波本地信号(简称本地信号)，用于与之后的微波输出信号进行混频来得到机械振子的振动频率。所述矢量网络分析仪106可以连接衰减器103 的输入端和第一级放大器105的输出端，用于测量超导谐振电路的输出端口到输入端口的正向传输系数S21曲线；所述频谱分析仪108用于测量超导谐振电路的输出信号，并观测机械振动的调制作用；所述混频器107的输入端分别连接微波分束器102和第二级放大器110，用于将超导谐振电路的输出信号和微波本地信号进行混频，以此来得到机械振子的频率，混频器107的输出端连接频谱分析仪 108，频谱分析仪108可以接收混频器107的输出信号进行频谱分析，所述第二级放大器110的输入端可以连接到第一级放大器105的输出端，用于接收第一级放大器105的输出信号，做进一步放大，第二级放大器110的输出端可以连接混频器107与本地信号进行混频，也可以直接连接到频谱分析仪108进行测试，所述控制电脑109连接到频谱分析仪108，用于记录频谱分析仪108测量得到的数据。在测量中，矢量网络分析仪106可以测得超导谐振回路的两个吸收峰。选择其中一个吸收峰的频率，以此频率作为微波源101输出的微波信号的频率，此时可以使用频谱分析仪108测量出机械振子振动的边带效应，同时可以将微波输出信号和微波本地信号同时输入混频器107，再将混频器107的输出信号输入频谱分析仪108，得到机械振子的振动频率。
如图2所示，本发明的无氧铜腔体104主要用于承载悬空电容样品204。无氧铜腔体104的两侧开有圆孔，目的是在两侧安装SMA接头201，并允许SMA 接头201的第一中心导体203进入无氧铜腔体104的内部。PCB板205通过螺孔固定在无氧铜腔体104的内部，PCB板205的中心内部凹槽处可放置悬空电容样品204，SMA接头201的第一中心导体203与PCB板205的第二中心导体 202通过焊锡焊接在一起，同时SMA接头201的第一中心导体203与悬空电容样品204的共面波导传输线302通过铝线点焊在一起，使得微波输入信号可以依次通过SMA接头201的第一中心导体203和PCB板205的第二中心导体202 进入悬空电容样品204上的共面波导传输线302，微波输入信号通过共面波导传输线302可以与共面波导传输线302两侧的LC谐振电路304产生耦合，即将电磁能量传递到LC谐振电路304中产生电磁振荡。
如图3所示，这是本发明的一个悬空电容样品示意图，所述悬空电容样品204 为微加工工艺制作的微尺度的电容样品，主要包含硅基底303、共面波导传输线 302、LC谐振电路304和铝膜接地面301。由于悬空电容的整个制备流程与半导体工艺相兼容，所以采用硅做基底，工艺流程涉及到匀胶、光刻、显影、长膜、湿法刻蚀等微加工工艺，硅基底303是整个悬空电容样品204的载体，LC谐振电路304、铝膜接地面301和共面波导传输线302均制作在硅基底303上，所述共面波导传输线302位于硅基底303的正中间，共面波导传输线302与铝膜接地面301的材料都是高纯度的铝膜，其中，共面波导传输线302负责微波信号的输入并将能量耦合进LC谐振电路304，所以共面波导传输线302与PCB板205的第二中心导体202相连接，铝膜接地面301需与PCB板205的接地面用铝丝点焊在一起。由于在悬空电容样品204的共面波导传输线302两侧存在2个LC谐振电路304，所以当微波输入信号从共面波导传输线302进入时，会与共面波导传输线302附近的螺旋电感403产生耦合，微波能量进入LC谐振电路304，形成电磁振荡，此时使用矢量网络分析仪106可以观测到2个吸收峰。
如图4所示，这是本发明的LC谐振电路示意图，主要包含上极板401、下极板402和螺旋电感403。其中，上极板401与下极板402正对，中间存在80nm 左右的真空层，构成平行板电容器，电容的正对面积仅仅有50×50μm2。悬空电容样品204的共面波导传输线302两侧一共分布着2个这样的LC谐振电路304，但值得注意的是，两个LC谐振电路304中的螺旋电感403的长度是不一样的，这导致了电磁震荡时存在2个不同的吸收频率。在本发明中，由上极板401和下极板402构成的平行板电容器一方面在LC谐振电路304中起着电容的作用，同时也充当着机械振子的角色，因为上极板401受四周张力的维持处于绷紧的状态，在上下方向可以做类似弹簧的机械振动，该振动由于改变了上下极板之间的距离，从而改变了电容值和微波谐振频率。通过输入吸收峰频率的微波，我们可以利用频谱分析仪108测得边带现象，边带是因为上下极板间距离变化，导致LC谐振电路304的谐振频率的变化，即机械振动对微波谐振频率产生了调制作用。利用混频可以将谐振回路的中心频率与边带频率做差值，得到的频率即为机械振子的振动频率。
利用微波实时改变机械振子频率的方法如下：
(1)、将矢量网络分析仪106分别连接在衰减器103的输入端和第一级放大器 105的输出端，测量超导谐振电路的输出端口到输入端口的正向传输系数S21曲线，可以观测到2个吸收峰；
(2)、根据所述步骤(1)所得到的吸收峰，选取其中一个吸收峰的频率，从微波源101中输出此频率的微波。使用微波分束器102将这束微波分成两路微波信号，一路作为驱动超导谐振电路的微波输入信号，另一路作为微波本地信号。
(3)、根据所述步骤(2)所得到的微波输入信号，将此信号输入衰减器103，微波输入信号经过SMA接头201输入装载悬空电容样品204的无氧铜腔体 104中，经过PCB板205的第二中心导体202、悬空电容样品204的共面波导传输线302耦合进LC谐振电路304，产生电磁振荡，同时激励悬空电容样品204的上极板401做机械振动，导致电容上下极板间距变化，从而对微波的谐振频率产生调制作用，在无氧铜腔体104的输出端得到微波输出信号。
(4)、根据所述步骤(3)所得到的微波输出信号，微波输出信号依次经过第一级放大器105和第二级放大器110两级放大，得到微波放大信号，将微波放大信号输入频谱分析仪108，可以观测到多个峰值，其中中间的峰值为LC 谐振电路304的谐振频率，而中间峰值的两侧分别对称地分布了多个峰值，即为边带现象，是由电容的上极板401振动引起的对本身谐振频率的调制。
(5)、根据所述步骤(4)所得到的微波放大信号和所述步骤(2)所得到的微波本地信号，同时将微波放大信号和微波本地信号接入混频器107中进行混频，得到的结果是中间频率与边带频率的差值，这个差值即为机械振子的振动频率。
(6)、改变微波源101输出微波的功率，重复上述步骤(2)至(5)，即可实现利用微波实时改变机械振子的振动频率。
Claims (7)
1.一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于，包括：
微波源(101)、微波分束器(102)、衰减器(103)、无氧铜腔体(104)、第一级放大器(105)、第二级放大器(110)、矢量网络分析仪(106)、混频器(107)、频谱分析仪(108)和控制电脑(109)，其中，所述无氧铜腔体(104)处于20mK的低温下，用于装载悬空电容样品(204)；所述衰减器(103)和第一级放大器(105)处于稀释制冷机的低温环境中，所述微波源(101)、微波分束器(102)、矢量网络分析仪(106)、混频器(107)、频谱分析仪(108)、控制电脑(109)以及第二级放大器(110)都处在室温环境中；所述微波源(101)用于提供频率和功率连续变化的微波信号给微波分束器(102)，所述微波分束器(102)用于将所述微波信号分成两路，其中一路微波信号将作为超导谐振电路的微波输入信号，通过衰减器(103)输入到无氧铜腔体(104)中，用于驱动超导谐振电路，另一路微波信号作为微波本地信号，用于与超导谐振电路的输出信号进行混频；所述矢量网络分析仪(106)用于测量超导谐振电路的输出端口到输入端口的正向传输系数S21曲线；所述频谱分析仪(108)用于测量超导谐振电路的输出信号，并观测机械振动的调制作用；所述混频器(107)的输入端分别连接微波分束器(102)和第二级放大器(110)，用于将超导谐振电路的输出信号和本地信号进行混频，以此来得到机械振子的频率，混频器(107)的输出端连接频谱分析仪(108)，所述第二级放大器(110)的输入端连接到第一级放大器(105)的输出端，用于接收第一级放大器(105)的输出信号，做进一步放大，所述控制电脑(109)连接到频谱分析仪(108)，用于记录频谱分析仪(108)测量得到的数据。
2.根据权利要求1所述的一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于：所述矢量网络分析仪(106)同时连接衰减器(103)的输入端和第一级放大器(105)的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于：在混频阶段，所述第二级放大器(110)的输出端连接混频器(107)与微波本地信号进行混频，在测量边带效应阶段，第二级放大器(110)连接到频谱分析仪(108)进行测试。
4.根据权利要求1所述的一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于：所述第二级放大器(110)的输出端直接连接到频谱分析仪(108)进行测试。
5.根据权利要求1所述的一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于：所述无氧铜腔体(104)的两侧分别安装一个SMA接头(201)，分别作为输入端和输出端，所述无氧铜腔体(104)的内部安装PCB板(205)，悬空电容样品(204)位于PCB板(205)的凹槽中；所述SMA接头(201)的第一中心导体(203)与PCB板(205)的第二中心导体(202)用焊锡相连，所述第二中心导体(202)与悬空电容样品(204)的共面波导传输线(302)用铝线相连。
6.根据权利要求5所述的一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于：所述悬空电容样品(204)为微加工工艺制作的微尺度的电容样品，包括硅基底(303)、铝膜接地面(301)、共面波导传输线(302)、上极板(401)、下极板(402)和螺旋电感(403)；所述硅基底(303)是整个悬空电容样品(204)的载体，上极板(401)、下极板(402)、螺旋电感(403)、铝膜接地面(301)和共面波导传输线(302)均制作在硅基底(303)上，所述共面波导传输线(302)位于硅基底(303)的正中间，上极板(401)、下极板(402)与螺旋电感(403)构成的LC谐振电路(304)分布在共面波导传输线(302)的两侧，每侧各1个，一共2个，所述螺旋电感(403)分布在所述上极板(401)和下极板(402)的四周。
7.一种利用微波实时改变机械振子频率的方法，其特征是包括以下步骤：
(1)、将矢量网络分析仪(106)分别连接在衰减器(103)的输入端和第一级放大器(105)的输出端，测量超导谐振电路的输出端口到输入端口的正向传输系数S21曲线，观测到2个吸收峰；
(2)、根据所述步骤(1)所得到的吸收峰，选取其中一个吸收峰的频率，从微波源(101)中输出此频率的微波，使用微波分束器(102)将这束微波分成两路微波信号，一路作为驱动超导谐振电路的微波输入信号，另一路作为微波本地信号；
(3)、将所述步骤(2)所得到的微波输入信号，输入衰减器(103)，所述微波输入信号经过SMA接头(201)输入装载悬空电容样品(204)的无氧铜腔体(104)，依次经过PCB板(205)的第二中心导体(202)、悬空电容样品(204)的共面波导传输线(302)耦合进LC谐振电路(304)，在无氧铜腔体(104)的输出端得到微波输出信号；
(4)、所述步骤(3)所得到的微波输出信号依次经过第一级放大器(105)和第二级放大器(110)两级放大，得到微波放大信号，将所述微波放大信号输入频谱分析仪(108)，观测到边带效应的多个峰值；
(5)、根据所述步骤(4)所得到的微波放大信号和所述步骤(2)所得到的微波本地信号，同时将所述微波放大信号和微波本地信号接入混频器(107)中进行混频，得到的结果是中间频率与边带频率的差值，该差值即为机械振子的振动频率；
(6)、改变微波源(101)输出的微波信号的功率，重复上述步骤(2)至(5)，即能实现利用微波实时改变机械振子的振动频率。
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