CN112394214B - 时域高解析度的超导示波器及示波方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种时域高解析度的超导示波器及示波方法，包括：产生间隔时间可变的脉冲波的脉冲波产生模块；将信号源转换为与脉冲波同步的信号电流的超导干涉模块；超导采样模块，接收所述信号电流、记录电流及恒值电流，基于所述信号电流的触发对所述记录电流的值进行采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。本发明的信号电流与记录电流无需同步，灵活性高；运行频率可控性高；脉冲波的延迟时间可变，适于随机采样；且精确度高，采样速度快，解析度高。

Description

时域高解析度的超导示波器及示波方法

技术领域

本发明涉及超导应用领域，特别是涉及一种时域高解析度的超导示波器及示波方法。

背景技术

超导体(superconductor)，又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，当温度降到临界温度时，导体电阻的测量值降到低于摄氏零度时数值的10负7次方，可以认为电阻为零，导体转换为超导态。超导体不仅具有零电阻的特性，另一个重要特征是完全抗磁性。超导体的研究日趋深入，一方面，多种具有实用潜力的超导材料被发现，另一方面，对超导机理的研究也有一定进展。目前，超导体已经进行了一系列试验性应用，并且开展了一定的军事、商业应用，在通信领域可以作为光子晶体的缺陷材料。

1961年，英国科学家约瑟夫森发现了以他名字命名的约瑟夫森效应，根据约瑟夫森效应，当在约瑟夫森结两端偏置一个直流电压时，结中产生一定交变的电流，其频率与偏置的电压成正比，当偏置电压为1μV时，电流频率为483.6MHz，约瑟夫森效应的元件已为国际采用作为定义单位伏特的标准。利用超导约瑟夫森结可实现非常高频率的电子器件，因此，基于超导约瑟夫森结的超导数字器件和电路在信号检测、处理方面具有很大的优势。

现有示波器的信号频率和采样频率需要同步；示波器的运行频率受多个因素影响，难以控制；且时域的下限精确度低。如何基于超导材料提高示波器的性能，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种时域高解析度的超导示波器及示波方法，用于解决现有技术中示波器的信号频率和采样频率需要同步、频率难以控制以及时域的下限精确度低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种时域高解析度的超导示波器，所述时域高解析度的超导示波器至少包括：

脉冲波产生模块，基于一高频输入电流产生间隔时间可变的脉冲波；

超导干涉模块，连接于所述脉冲波产生模块的输出端，将信号源转换为与所述脉冲波同步的信号电流；

超导采样模块，接收所述信号电流、记录电流及恒值电流，基于所述信号电流的触发对所述记录电流的值进行采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。

可选地，所述脉冲波产生模块包括可控时间的延迟输送超导线路，第一输入电感线圈，第一约瑟夫森隧道结元件，第一输出电感线圈及第一电阻器；所述延迟输送超导线路的一端接收高频输入电流，另一端通过所述第一输入电感线圈接地；所述第一约瑟夫森隧道结元件一端连接电流源，另一端接地；所述第一输出电感线圈与所述第一电阻器串联后并联于所述第一约瑟夫森隧道结元件的两端，所述第一输出电感线圈与所述第一电阻器的连接节点输出所述脉冲波。

更可选地，所述延迟输送超导线路包括至少两层金属层，各金属层间隔设置，相邻两层金属层之间设置有介电层。

可选地，所述超导干涉模块包括第二输入电感线圈、第二约瑟夫森隧道结元件、第二输出电感线圈、第三约瑟夫森隧道结元件及第二电阻器；所述第二输入电感线圈的一端接收所述脉冲波，另一端接地；所述第二约瑟夫森隧道结元件的一端接收信号源，另一端接地；所述第二输出电感线圈与所述第三约瑟夫森隧道结元件串联后并联于所述第二约瑟夫森隧道结元件的两端；所述第二电阻器的一端连接于所述第二输出电感线圈与所述第二电阻器之间，另一端输出所述信号电流。

可选地，所述超导采样模块包括第四约瑟夫森隧道结元件及第三电阻器，所述第四约瑟夫森隧道结元件的第一端连接所述信号电流、所述记录电流及所述恒值电流，第二端接地；所述第三电阻器的一端连接所述第四约瑟夫森隧道结元件的第一端，另一端接地。

可选地，所述超导采样模块包括第四约瑟夫森隧道结元件、第三电阻器、第三输入电感线圈及第四输入电感线圈，所述第三输入电感线圈的一端接收所述信号电流，另一端接地；所述第四输入电感线圈的一端接收所述记录电流，另一端接地；所述第四约瑟夫森隧道结元件的第一端接收所述恒值电流，第二端接地；所述第三电阻器的一端连接所述第四约瑟夫森隧道结元件的第一端，另一端接地。

更可选地，各约瑟夫森隧道结元件包括底电极、顶电极以及位于所述底电极与所述顶电极之间的氧化层，所述底电极与所述顶电极的材料包括超导材料，所述氧化层的材料包括所述底电极的氧化物材料。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种时域高解析度的超导示波方法，所述时域高解析度的超导示波方法至少包括：

产生间隔时间可变的脉冲波；

将信号源转换为与所述脉冲波同步的信号电流；

基于所述信号电流的触发对所述记录电流的值进行采样，并记录对应采样时刻的延迟时间；

基于所述记录电流的采样信号及对应采样时刻的延迟时间还原得到所述信号电流的采样信号。

可选地，将所述信号电流、所述记录电流及恒值电流加载到约瑟夫森隧道结元件的一端，当所述信号电流、所述记录电流及所述恒值电流的和等于约瑟夫森隧道结元件的临界电流时，所述信号电流触发对所述记录电流的采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。

可选地，恒值电流加载到约瑟夫森隧道结元件的一端，所述记录电流及所述信号电流分别产生磁场影响约瑟夫森隧道结元件的状态，当所述信号电流、所述记录电流及所述恒值电流的和等于约瑟夫森隧道结元件的临界电流时，所述信号电流触发对所述记录电流的采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。

更可选地，基于所述信号电流、所述记录电流及所述恒值电流的和等于约瑟夫森隧道结元件的临界电流，还原所述信号电流的采样信号。

更可选地，所述约瑟夫森隧道结元件的临界电流为300微安～1毫安。

可选地，提供一高频输入电流，基于所述高频输入电流触发产生所述脉冲波，改变所述高频输入电流的延迟时间，以控制所述脉冲波的延迟时间，进而调整所述记录电流采样时刻的延迟时间。

更可选地，所述高频输入电流为矩形波。

更可选地，所述高频输入电流的延迟时间为50皮秒～1奈秒。

可选地，所述第一约瑟夫森隧道结元件的临界电流包括300微安～1毫安。

可选地，所述脉冲波的脉冲宽度不大于10皮秒。

可选地，所述记录电流为三角波。

如上所述，本发明的时域高解析度的超导示波器及示波方法，具有以下有益效果：

本发明的时域高解析度的超导示波器及示波方法中信号电流与记录电流无需同步，灵活性高；运行频率由约瑟夫森隧道结元件、电感线圈及电阻器的参数决定，可控性高；脉冲波的延迟时间可变，适于随机采样；且脉冲波的脉冲宽度通过高频输入电流确定，精确度高，采样速度快，解析度高。

附图说明

图1显示为本发明的时域高解析度的超导示波器的结构示意图。

图2显示为本发明的脉冲波产生模块的结构示意图。

图3显示为本发明的超导干涉模块的结构示意图。

图4显示为本发明的超导采样模块的一种结构示意图。

图5显示为本发明的第四约瑟夫森隧道结元件的电流-电压特性曲线示意图。

图6显示为本发明的超导采样模块的输出端信号示意图。

图7显示为本发明的超导采样模块的另一种结构示意图。

图8显示为本发明的时域高解析度的超导示波方法得到信号源的采样信号的原理示意图。

元件标号说明

1 时域高解析度的超导示波器

11 脉冲波产生模块

111 延迟输送超导线路

12 超导干涉模块

13 超导采样模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种时域高解析度的超导示波器1，所述时域高解析度的超导示波器1包括：

脉冲波产生模块11，超导干涉模块12及超导采样模块13。

如图1所示，所述脉冲波产生模块11基于一高频输入电流产生间隔时间可变的脉冲波Ip。

具体地，如图2所示，在本实施例中，所述脉冲波产生模块11包括可控时间的延迟输送超导线路111，第一输入电感线圈L1_in，第一约瑟夫森隧道结元件J1，第一输出电感线圈L1_out及第一电阻器R1。所述延迟输送超导线路111的一端接收高频输入电流Ir，另一端经由所述第一输入电感线圈L1_in接地；所述第一约瑟夫森隧道结元件J1的一端连接电流源Ia，另一端接地；所述第一输出电感线圈L1_out与所述第一电阻器R1串联后并联于所述第一约瑟夫森隧道结元件J1的两端，所述第一输出电感线圈L1_out与所述第一电阻器R1的连接节点输出所述脉冲波Ip。

更具体地，所述高频输入电流Ir为重复的高频波形，在本实施例中，所述高频输入电流Ir为矩形波，所述高频输入电流Ir的频率不小于1MHz，所述高频输入电流Ir的频率决定所述时域高解析度的超导示波器1的采样速度。

更具体地，所述延迟输送超导线路111用于提供可变的延迟时间。所述延迟输送超导线路111包括至少两层金属层，各金属层间隔设置，相邻两层金属层之间设置有介电层。所述延迟输送超导线路111的阻抗与所述第一输入电感线圈L1_in匹配。

更具体地，所述电流源Ia低于所述第一约瑟夫森隧道结元件J1的临界电流，所述第一约瑟夫森隧道结元件J1处于超导态时，所述电流源Ia经由所述第一约瑟夫森隧道结元件J1到地。所述高频输入电流Ir延迟后通过所述第一输入电感线圈L1_in，在所述第一输入电感线圈L1_in上产生磁场，该磁场使所述第一约瑟夫森隧道结元件J1从超导态转换为高阻态，所述电流源Ia经所述第一输出电感线圈L1_out及所述第一电阻器R1到地；此时通过所述第一约瑟夫森隧道结元件J1的电流快速下降，所述第一约瑟夫森隧道结元件J1从高阻态恢复到超导态；由此产生所述脉冲波Ip，所述脉冲波Ip的时间常数L/R极短，在本实施例中小于10皮秒，所述脉冲波Ip决定所述时域高解析度的超导示波器1的解析度。

需要说明的是，所述脉冲波产生模块11的具体结构包括但不限于本实施例，任意可产生设定频率的脉冲波的电路或模块均适用于本发明。

如图1所示，所述超导干涉模块12连接于所述脉冲波产生模块11的输出端，将信号源Is0转换为与所述脉冲波Ip同步的信号电流Is。

具体地，如图3所示，所述超导干涉模块12包括第二输入电感线圈L2_in、第二约瑟夫森隧道结元件J2、第二输出电感线圈L2_out、第三约瑟夫森隧道结元件J3及第二电阻器R2。所述第二输入电感线圈L2_in的一端连接所述脉冲波Ip，另一端接地；所述第二约瑟夫森隧道结元件J2的一端连接所述信号源Is0，另一端接地；所述第二输出电感线圈L2_out与所述第三约瑟夫森隧道结元件J3串联后并联于所述第二约瑟夫森隧道结元件J2的两端；所述第二电阻器R2的一端连接于所述第二输出电感线圈L2_out与所述第二电阻器R2的连接节点，另一端输出所述信号电流Is。

更具体地，所述信号源Is0低于所述第二约瑟夫森隧道结元件J2的临界电流，所述第二约瑟夫森隧道结元件J2处于超导态时，所述信号源Is0经由所述第二约瑟夫森隧道结元件J2到地。所述脉冲波Ip通过所述第二输入电感线圈L2_in到地，在所述第二输入电感线圈L2_in上产生磁场，该磁场使所述第二约瑟夫森隧道结元件J2、所述第二输出电感线圈L2_out及所述第三约瑟夫森隧道结元件J3组成的干涉仪从超导态转换为高阻态，所述信号源Is0经由所述第二输出电感线圈L2_out及所述第二电阻器R2输出；通过所述干涉仪的电流快速下降，所述干涉仪恢复超导态；进而得到所述信号电流Is，所述信号电流Is与所述脉冲波Ip同步。

需要说明的是，所述超导干涉模块12的具体结构包括但不限于本实施例，还可以是单个约瑟夫森隧道结元件或在本实施例的所述超导干涉模块12的基础上增加一组输出电感线圈及约瑟夫森隧道结元件的电路结构，任意可基于所述信号源产生与所述脉冲波同步的信号电流的电路或模块均适用于本发明。

如图1所示，所述超导采样模块13接收所述信号电流Is、记录电流Id及恒值电流Ib，基于所述信号电流Is的触发对所述记录电流Id的值进行采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。

具体地，如图4所示，作为本发明的一种实现方式，所述超导采样模块13包括第四约瑟夫森隧道结元件J4及第三电阻R3，所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的第一端接收所述信号电流Is、所述记录电流Id及所述恒值电流Ib，所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的第二端接地；所述第三电阻R3的一端连接所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的第一端，另一端接地。当所述信号电流Is、所述记录电流Id及所述恒值电流Ib的和等于所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的临界电流Ic时对所述记录电流Id进行采样，以获得所述记录电流Id的采样信号Idj以及对应采样时刻的延迟时间tj，其中，j为采样时刻对应的标号。

更具体地，所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的临界电流Ic包括但不限于300微安～1毫安。在本实施例中，所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的临界电流Ic设置为500微安。

更具体地，所述记录电流Id作为所述信号电流Is的记录器，所述记录电流Id为任意小于Ic-Ib的变化电流，在本实施例中，所述记录电流Id为三角波，其它变化电流均适用于本发明，不限于本实施例所列举的三角波。

更具体地，所述恒值电流Ib用于调整加载于所述第一约瑟夫森隧道结元件J1第一端的电流大小，所述恒值电流Ib可以是正值、负值或零，基于所述记录电流Id、所述临界电流Ic的具体数值进行设定。

更具体地，所述信号电流Is、所述记录电流Id及所述恒值电流Ib加载到所述第四约瑟夫森隧道结元件J4上，当所述信号电流Is、所述记录电流Id及所述恒值电流Ib的和小于所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的临界电流Ic时，即Ib+Is+Id<Ic时，所述第四约瑟夫森隧道结元件J4处于超导态，所有的电流都经由所述第四约瑟夫森隧道结元件J4到地，没有电流流过所述第三电阻R3，如图5所示，流经所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的电流沿着节点0到节点1的方向不断增大。当所述信号电流Is、所述记录电流Id及所述恒值电流Ib的和等于所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的临界电流Ic时，即Ib+Is+Id＝Ic时，所述第四约瑟夫森隧道结元件J4从超导态转换为高电阻态，电流经由所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的第一端输出到所述第三电阻R3；流经所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的电流以1/R3(R3为所述第三电阻的阻值)的速度快速下降，如图5所示，从节点1下降至节点2，再下降至节点0，所述第四约瑟夫森隧道结元件J4恢复超导态。因此，在各采样节点均满足：所述信号电流Is、所述记录电流Id及所述恒值电流Ib的和等于所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的临界电流Ic。如图4及图6所示，所述超导采样模块13输出所述记录电流Id的采样信号(Id1、Id 2、Id3…Idj)以及对应采样时刻的延迟时间(t1、t2、t3…tj)，其中，延迟时间t1、t2、t3及tj由所述延迟输送超导线路111的延迟时间决定，且t1、t2、t3及tj不存在依次增大的关系，各延迟时间由所述延迟输送超导线路111随机产生，所述记录电流Id与所述信号电流Is无需同步。

需要说明的是，本发明的各模块制备于衬底上，所述衬底包括但不限于硅、碳、锗化稼、或碳化硅，任意非导体材料均适用于本发明。

需要说明的是，本发明中的各约瑟夫森隧道结元件包括底电极、顶电极以及位于所述底电极与所述顶电极之间的氧化层。所述底电极与所述顶电极采用超导材料，包括但不限于铌、氮化铌、铝、铅。所述氧化层采用任意氧化物材料，包括但不限于所述底电极对应的氧化物材料。

实施例二

如图7所示，本实施例提供一种时域高解析度的超导示波器1，与实施例一的不同之处在于，所述超导采样模块13还包括第三输入电感线圈L3_in及第四输入电感线圈L4_in.

具体地，所述第三输入电感线圈L3_in的一端接收所述信号电流Is，另一端接地；所述第四输入电感线圈L4_in的一端接收所述记录电流Id，另一端接地；所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的第一端接收所述恒值电流Ib，第二端接地；所述第三电阻器R3的一端连接所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的第一端，另一端接地。

更具体地，所述恒值电流Ib经由所述第四约瑟夫森隧道结元件J4到地，所述恒值电流Ib不足以改变所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的状态；所述记录电流Id流过所述第四输入电感线圈L4_in，并于所述第四输入电感线圈L4_in上产生磁场，由于所述记录电流Id产生的磁场较小，所述记录电流Id与所述恒值电流Ib的和仍然无法改变所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的状态。所述信号电流Is流过所述第三输入电感线圈L3_in，并于所述第三输入电感线圈L3_in上产生磁场，当所述信号电流Is、所述记录电流Id及所述恒值电流Ib的和等于所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的临界电流Ic时，所述恒值电流Ib、所述记录电流Id产生的磁场及所述信号电流Is产生的磁场共同作用使所述第四约瑟夫森隧道结元件J4从超导态进入高阻态，电流从所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的第一端流入所述第三电阻器R3，流经所述第四约瑟夫森隧道结元件J4的电流快速下降，进而在所述超导采样模块13的输出端获得所述记录电流Id的采样信号以及对应采样时刻的延迟时间。

具体原理参见实施例一，在此不一一赘述。

实施例三

本实施例提供一种时域高解析度的超导示波方法，在本实施例中，所述时域高解析度的超导示波方法基于实施例一或实施例二的时域高解析度的超导示波器实现，在实际使用中不限于实施例一或实施例二的装置，任意可实现本发明的时域高解析度的超导示波方法的装置或软件均适用，在此不一一赘述。

所述时域高解析度的超导示波方法包括：

1)产生间隔时间可变的脉冲波。

具体地，提供一高频输入电流Ir，基于所述高频输入电流Ir触发脉冲波Ip，并通过改变所述高频输入电流Ir的延迟时间来控制所述脉冲波Ip的延迟时间，进而调整采样延迟时间。

更具体地，所述高频输入电流Ir包括但不限于矩形波。在本实施例中，所述高频输入电流Ir的延迟时间包括50皮秒～1奈秒，所述高频输入电流Ir的频率不小于1MHz，所述脉冲波Ip的脉冲宽度不大于10皮秒。

2)将信号源转换为与所述脉冲波同步的信号电流。

具体地，在所述脉冲波Ip为高电平时触发所述信号源Is0，以得到与所述脉冲波Ip同步的信号电流Is，所述信号电流Is与所述脉冲波Ip频率相同、延迟时间相同(同步)。

3)基于所述信号电流的触发对所述记录电流的值进行采样，并记录对应采样时刻的延迟时间，通过不停的采样重组所述记录电流Id的波形。

具体地，作为本发明的一种实现方式，将所述信号电流Is、记录电流Id及恒值电流Ib加载于约瑟夫森隧道结元件(在实施例一及实施例二中，约瑟夫森隧道结元件对应所述第四约瑟夫森隧道结元件J4)的一端，当所述信号电流Is、所述记录电流Id及所述恒值电流Ib的和等于约瑟夫森隧道结元件的临界电流Ic时，所述信号电流Is触发对所述记录电流Id的采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。

具体地，作为本发明的另一种实现方式，恒值电流Ib加载到约瑟夫森隧道结元件(在实施例一及实施例二中，约瑟夫森隧道结元件对应所述第四约瑟夫森隧道结元件J4)的一端，所述记录电流Id及所述信号电流Is分别产生磁场影响约瑟夫森隧道结元件的状态，当所述信号电流Is、所述记录电流Id及所述恒值电流Ib的和等于约瑟夫森隧道结元件的临界电流Ic时，所述信号电流Is触发对所述记录电流Id的采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。

更具体地，在本实施例中，所述约瑟夫森隧道结元件的临界电流Ic设置为300微安～1毫安。所述记录电流Id包括但不限于三角波，且所述记录电流Id为任意小于Ic-Ib的变化电流。

4)基于所述记录电流的采样信号及对应采样时刻的延迟时间还原得到所述信号电流的采样信号。

具体地，在采样时刻，所述信号电流Is、所述记录电流Id及所述恒值电流Ib的和等于所述约瑟夫森隧道结元件的临界电流Ic，因此，在已知采样时刻所述记录电流Id及所述恒值电流Ib的值的情况下，基于公式：Is＝Ic-Id-Ib可得到所述信号电流Is的采样信号，如图8所示，其中，将图6上下倒置可得到图8，即为所述信号电流Is的采样信号。

以所述高频输入电流Ir为频率＝1 MHz的矩形波，所述记录电流Id为频率＝100KHz的三角形波为例，所述脉冲波Ip的频率与所述高频输入电流Ir相同(也是1MHz)，取样次数为1MHz；每次取样在不同的延迟时间tj得到一个Idj值(延迟时间tj由延迟输送超导线路111决定)，一秒钟内取样一百万次，对于输入的重复信号，第二秒钟取得另外一百万组tj与Idj数值。最后，基于所述信号电流Is、所述记录电流Id、所述恒值电流Ib及所述第一约瑟夫森隧道结元件J1的临界电流Ic的关系转换恢复得到所述信号电流Is的采样信号(Is1、Is2、Is3及Isj分别为不同采样点的信号电流的采样信号)。

如果所述高频输入电流Ir为频率＝100 MHz的矩形波，所述记录电流Id为频率＝10KHz的三角形波，所述脉冲波Ip的频率与所述高频输入电流Ir相同(也是100MHz)，取样次数为100MHz；每次取样在不同的延迟时间tj得到一个Idj值，一毫秒内取样十万次，对于输入的重复信号，第二秒钟取得另外十万组tj与Idj数值。由于所述脉冲波Ip的脉冲宽度不大于10皮秒，因此，取样速度可以高到十亿次。

本发明的时域高解析度的超导示波器及示波方法通过高频输入电流设置采样速度，通过延迟输送超导线路设置采样点，再通过信号电流、记录电流、恒值电流及第一约瑟夫森隧道结元件的临界电流的关系还原信号电流，可实现对信号源高解析度、高精确度的随机取样。

综上所述，本发明提供一种时域高解析度的超导示波器及示波方法，包括：脉冲波产生模块，基于一高频输入电流产生间隔时间可变的脉冲波；超导干涉模块，连接于所述脉冲波产生模块的输出端，将信号源转换为与所述脉冲波同步的信号电流；超导采样模块，接收所述信号电流、记录电流及恒值电流，基于所述信号电流的触发对所述记录电流的值进行采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。本发明的时域高解析度的超导示波器及示波方法中信号电流与记录电流无需同步，灵活性高；运行频率由约瑟夫森隧道结元件、电感线圈及电阻器的参数决定，可控性高；脉冲波的延迟时间可变，适于随机采样；且脉冲波的脉冲宽度通过高频输入电流确定，精确度高，采样速度快，解析度高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种时域高解析度的超导示波器，其特征在于，所述时域高解析度的超导示波器至少包括：

脉冲波产生模块，基于一高频输入电流产生间隔时间可变的脉冲波；所述脉冲波产生模块包括可控时间的延迟输送超导线路，第一输入电感线圈，第一约瑟夫森隧道结元件，第一输出电感线圈及第一电阻器；所述延迟输送超导线路的一端接收高频输入电流，另一端通过所述第一输入电感线圈接地；所述第一约瑟夫森隧道结元件一端连接电流源，另一端接地；所述第一输出电感线圈与所述第一电阻器串联后并联于所述第一约瑟夫森隧道结元件的两端，所述第一输出电感线圈与所述第一电阻器的连接节点输出所述脉冲波；

超导干涉模块，连接于所述脉冲波产生模块的输出端，将信号源转换为与所述脉冲波同步的信号电流；

超导采样模块，接收所述信号电流、记录电流及恒值电流，基于所述信号电流的触发对所述记录电流的值进行采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。

2.根据权利要求1所述的时域高解析度的超导示波器，其特征在于：所述延迟输送超导线路包括至少两层金属层，各金属层间隔设置，相邻两层金属层之间设置有介电层。

3.根据权利要求1所述的时域高解析度的超导示波器，其特征在于：所述超导干涉模块包括第二输入电感线圈、第二约瑟夫森隧道结元件、第二输出电感线圈、第三约瑟夫森隧道结元件及第二电阻器；所述第二输入电感线圈的一端接收所述脉冲波，另一端接地；所述第二约瑟夫森隧道结元件的一端接收信号源，另一端接地；所述第二输出电感线圈与所述第三约瑟夫森隧道结元件串联后并联于所述第二约瑟夫森隧道结元件的两端；所述第二电阻器的一端连接于所述第二输出电感线圈与所述第二电阻器之间，另一端输出所述信号电流。

4.根据权利要求1所述的时域高解析度的超导示波器，其特征在于：所述超导采样模块包括第四约瑟夫森隧道结元件及第三电阻器，所述第四约瑟夫森隧道结元件的第一端连接所述信号电流、所述记录电流及所述恒值电流，第二端接地；所述第三电阻器的一端连接所述第四约瑟夫森隧道结元件的第一端，另一端接地。

5.根据权利要求1所述的时域高解析度的超导示波器，其特征在于：所述超导采样模块包括第四约瑟夫森隧道结元件、第三电阻器、第三输入电感线圈及第四输入电感线圈，所述第三输入电感线圈的一端接收所述信号电流，另一端接地；所述第四输入电感线圈的一端接收所述记录电流，另一端接地；所述第四约瑟夫森隧道结元件的第一端接收所述恒值电流，第二端接地；所述第三电阻器的一端连接所述第四约瑟夫森隧道结元件的第一端，另一端接地。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的时域高解析度的超导示波器，其特征在于：各约瑟夫森隧道结元件包括底电极、顶电极以及位于所述底电极与所述顶电极之间的氧化层，所述底电极与所述顶电极的材料包括超导材料，所述氧化层的材料包括所述底电极的氧化物材料。

7.一种时域高解析度的超导示波方法，基于如权利要求1-6任意一项所述的时域高解析度的超导示波器实现，其特征在于，所述时域高解析度的超导示波方法至少包括：

提供一高频输入电流，基于所述高频输入电流触发产生所述脉冲波，改变所述高频输入电流的延迟时间，以控制所述脉冲波的延迟时间，产生间隔时间可变的脉冲波，进而调整所述记录电流采样时刻的延迟时间；

将信号源转换为与所述脉冲波同步的信号电流；

基于所述信号电流的触发对所述记录电流的值进行采样，并记录对应采样时刻的延迟时间；

基于所述记录电流的采样信号及对应采样时刻的延迟时间还原得到所述信号电流的采样信号。

8.根据权利要求7所述的时域高解析度的超导示波方法，其特征在于：将所述信号电流、所述记录电流及恒值电流加载到约瑟夫森隧道结元件的一端，当所述信号电流、所述记录电流及所述恒值电流的和等于约瑟夫森隧道结元件的临界电流时，所述信号电流触发对所述记录电流的采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。

9.根据权利要求7所述的时域高解析度的超导示波方法，其特征在于：恒值电流加载到约瑟夫森隧道结元件的一端，所述记录电流及所述信号电流分别产生磁场影响约瑟夫森隧道结元件的状态，当所述信号电流、所述记录电流及所述恒值电流的和等于约瑟夫森隧道结元件的临界电流时，所述信号电流触发对所述记录电流的采样，并记录对应采样时刻的延迟时间。

10.根据权利要求8或9所述的时域高解析度的超导示波方法，其特征在于：基于所述信号电流、所述记录电流及所述恒值电流的和等于约瑟夫森隧道结元件的临界电流，还原所述信号电流的采样信号。

11.根据权利要求10所述的时域高解析度的超导示波方法，其特征在于：所述约瑟夫森隧道结元件的临界电流为300微安～1毫安。

12.根据权利要求7所述的时域高解析度的超导示波方法，其特征在于：所述高频输入电流为矩形波。

13.根据权利要求7所述的时域高解析度的超导示波方法，其特征在于：所述高频输入电流的延迟时间为50皮秒～1奈秒。

14.根据权利要求7所述的时域高解析度的超导示波方法，其特征在于：所述脉冲波的脉冲宽度不大于10皮秒。

15.根据权利要求7所述的时域高解析度的超导示波方法，其特征在于：所述记录电流为三角波。

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