CN114665836B - 基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，包括输入输出端口、阻抗匹配传输线、非线性LC谐振器和直流偏置线，其中阻抗匹配传输线由两段的四分之一波长传输线构成，采用共面波导传输线形式，共面波导中心导体宽度与缝隙宽度根据所需阻抗值进行调整。本发明有效降低了阻抗匹配部分结构设计复杂度，实现非线性谐振器与外部传输线的阻抗匹配，总的谐振频率在较大范围内连续可调，器件性能优异可靠。

Description

基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器

技术领域

本发明涉及放大器设计领域，尤其涉及一种阻抗匹配约瑟夫森参量放大器。

背景技术

超导约瑟夫森结等效电感具备的高度非线性及可调控性，已经成为超导电子线路特别是超导约瑟夫森电路的核心器件，广泛应用在超导量子信息处理技术特别是超导量子比特及超导约瑟夫森器件的开发研究中。利用超导约瑟夫森结的非线性混频，可以实现接近量子极限噪声性能的放大器件。传统的窄带约瑟夫森参量放大器只有几十MHz的增益带宽，不能同时放大多个频段微波信号。利用阻抗匹配方法的约瑟夫森宽带参量放大器能够达到几百MHz。

目前利用超导约瑟夫森结构成的宽带阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，多采用渐变阻抗匹配设计，而在目前一般采用共面波导传输线结构的器件上很难直接渐变到较低的特性阻抗，需要复杂的设计和工艺流程。同时，这些复杂的结构也使得器件可靠性降低。基于此，需要一种结构设计简单，制备工艺流程简单，性能可靠的宽带阻抗匹配约瑟夫森参量放大器。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构设计简单、制备工艺流程简单的基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，包括输入输出端口、阻抗匹配传输线、非线性LC谐振器和偏置线，其中：阻抗匹配传输线一端与输入输出端口连接，另一端与非线性LC谐振器连接；非线性LC谐振器的另一端靠近偏置线；

所述阻抗匹配传输线由两段的四分之一波长传输线构成，采用共面波导传输线形式，共面波导中心导体宽度与缝隙宽度根据所需阻抗值进行调整，具体设计规则如下：设两段四分之一波长变换线的特征阻抗为Z₁和Z₂，输入输出端口和非线性LC谐振器的阻抗为Z₀、Z_L，则当Z_L≤24Ω 时，Z₂设置为常规硅基共面波导结构工艺上可实现的最小特征阻抗值，Z₁值由Z_1*Z₂ = Z_0*Z_L确定；当Z_L＞24Ω时，Z₁、Z₂值由和Z_1*Z₂ = Z_0*Z_L确定。

进一步的，所述四分之一波长传输线采用铝或铌材料，厚度为70nm~120nm。

进一步的，非线性LC谐振器包括电容器部分和电感器部分，两者是并联关系，其中电容部分采用平板电容，电感部分采用两个超导约瑟夫森结并联组成的直流超导量子干涉仪构成等效电感器，平板电容连接阻抗匹配传输线，直流超导量子干涉仪的闭合环路处靠近偏置线，通过调节偏置线的电流，改变直流超导量子干涉仪环路中的磁通，来实现非线性LC谐振器的频率调节。

更进一步的，所述平板电容上极板为铝，下极板为铌或铝，介质层为氮化硅。

进一步的，所述输入输出端口是同一个端口，信号通过输入输出端口进入，放大后通过输入输出端口输出，在输入输出端口接微波环形器实现输入输出信号分离。

更进一步的，所述输入输出端口、阻抗匹配传输线、非线性LC谐振器的平板电容的下极板和偏置线采用紫外光刻工艺一次曝光一次刻蚀制备出图形，平板电容介质层由等离子增强化学气相沉积生长，并由紫外光刻工艺和刻蚀工艺制备，平板电容上极板由紫外光刻工艺、电子束蒸发工艺和剥离工艺制备，非线性LC谐振器的直流超导量子干涉仪采用紫外光刻或电子束光刻、双角度电子束蒸发工艺制备。

一种微波纠缠光源，集成所述的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，实现参量转换功能。

一种超导量子多比特的状态测量方法，基于所述的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，实现参量放大功能。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）整个器件设计结构简单，相比较之前的渐变阻抗设计，本发明采用双节四分之一波长阻抗变换线设计，变换线部分可通过一次光刻即可完成，大大简化了制备步骤，提高了器件制备的成品率和稳定性及制备效率。2）阻抗变换设计中心频率可随需要变换满足不同频段的宽带增益需求。3）整个器件的工作频率在阻抗变换设计带宽内可以由超导量子干涉仪调控。4）基于阻抗匹配传输线的设计，器件可以实现非常高的增益，同时具有大带宽、高增益性能。5）整个器件由一个直流超导量子干涉仪作为调控元件，可以有效减少磁通噪声的影响。

附图说明

图1是本发明基于多双节四分之一波长变换线阻抗匹配参量放大器的平面结构设计图。

图2是本发明阻抗变换线部分电路设计图。

图3是本发明非线性LC谐振器的电路设计图。

图4是本发明随偏置电压变化下谐振器频率的测量结果图。

图5是本发明器件增益性能的测量结果图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，基于多双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，包含四部分：输入输出端口101、阻抗匹配传输线102、非线性LC谐振器103和偏置线104。阻抗匹配传输线102一端与输入输出端口101连接，另一端与非线性LC谐振器103连接；非线性LC谐振器103另一端连接偏置线104。

输入输出端口101连接外部传输线与器件内部阻抗匹配传输线102，一般性认为输入输出端口阻抗为50 Ω，保证与外部传输线特征阻抗匹配。外部待放大信号通过输入输出端口101进入器件，放大后通过输入输出端口101输出，在输入输出口端接环形器，用于输入信号与输出信号的分离。

如图2所示，阻抗匹配传输线102由两段的四分之一波长传输线201和202构成，采用共面波导传输线形式，共面波导中心导体宽度与缝隙宽度根据所需阻抗值进行调整。传输线一端203阻抗50 Ω，与信号输入输出端口101连接，与外部传输线特征阻抗匹配。传输线另一端204串联非线性LC谐振器103，端口特征阻抗与非线性LC谐振器特征阻抗相匹配。阻抗变换电路部分由两段四分之一波长变换线构成，其特征阻抗值根据输入端口阻抗和非线性LC谐振器阻抗设置。

这里给出设计规则：设输入输出端口阻抗为Z₀，非线性LC谐振器需匹配的阻抗为Z_L，两段四分之一波长变换线的特征阻抗设置值分别为Z₁和Z₂，首先满足规则Z_1*Z₂ = Z_0*Z_L，同时，Z₁，Z₂的具体值设置受到硅基共面波导传输线结构限制。一般性认为输入输出端口特征阻抗值为50 Ω，此时，当Z_L≤24 Ω 时，Z₂设置为常规硅基共面波导结构工艺上可实现的最小特征阻抗值，一般为28 Ω，Z₁值相应确定；当Z_L＞24 Ω时，Z₁，Z₂满足规则，由此确定二者的值。作为一种可选实施方式，两段的四分之一波长传输线201和202可采用铝或铌材料，厚度可选在为70 nm到120 nm之间，具体根据实验条件调整。

如图3所示，非线性LC谐振器103包括两个部分，电容器部分和电感器部分，两者是并联关系。电容部分采用平板电容301，电感部分采用两个超导约瑟夫森结并联组成的直流超导量子干涉仪302，可看作等效电感器，所述等效电感器的等效电感值等于由两个并联的超导约瑟夫森结组成直流超导量子干涉仪的受调制电感和寄生电感之和。非线性LC谐振器103设置两个端口，电容器一侧的端口303连接阻抗匹配传输线，电感器一侧的端口304接地。驱动信号通过阻抗匹配传输线部分端口204进入非线性LC谐振器并沿同一端口204输出。作为一种可选实施方式，所述平板电容301上极板为铝，下极板为铌或铝，介质层为氮化硅。

偏置线104设计在超导量子干涉仪103的环路附近，非线性LC谐振器103的频率由进入超导量子干涉仪302超导环内磁通量来控制，即将在超导量子干涉仪附近设计的片上偏置线作为偏置电路，调节偏置线的直流电压值控制超导环内磁通量，最终实现非线性LC谐振器的频率调节。

对于上述阻抗匹配参量放大器结构，输入输出端口101、阻抗匹配传输线102、非线性LC谐振器的平板电容301下极板和偏置线104均可采用紫外光刻工艺一次曝光一次刻蚀即可制备出图形，电容介质层通过等离子增强化学气相沉积，紫外光刻一次曝光以及一次刻蚀制备，非线性LC谐振器的两个超导约瑟夫森结并联组成的直流超导量子干涉仪302可采用紫外光刻工艺或电子束光刻工艺、双角度电子束蒸发工艺制备。

为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验设计。

本实施样品中，直流超导量子干涉仪的无磁通偏置电感为91 pH，直流超导量子干涉仪的寄生电感为5 pH，平板电容为4.5 pF，LC谐振腔无磁通偏置下的谐振频率为7.64GHz。阻抗变换部分由两段特征阻抗分别为38 Ω和28 Ω，长度均为4500 μm的共面波导传输线构成。

图4为本实施例的实际器件样品在20 mK低温环境下，测量得到的非线性LC谐振器谐振频率。通过调节偏置电路（104）上的直流电压值，可以改变非线性LC谐振器的谐振频率，例如电压值从-2 V逐渐变化至0 V时，器件的谐振频率发生了变化，可从最高7.64 GHz变化到最低4 GHz，从而实现了频率可调。

图5为本实施例的实际器件样品在20 mK低温环境下，测量得到的器件宽带增益特性。通过调节偏置电路至合适的直流偏置电压工作点，利用微波信号发生器产生驱动信号由偏置线馈入，利用矢量网络分析仪产生的信号经过衰减器馈入输入输出口，输出信号经过环形器与输入信号分离，然后经过低温放大器和常温放大器后输入矢量网络分析仪，测得S21曲线。通过对比施加驱动信号前后S21曲线的变化，可以得到器件的带宽增益特性，例如在400 MHz范围内有10 dB增益，在300 MHz范围内有15 dB的增益，在250 MHz范围内有20dB的增益。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，其特征在于，包括输入输出端口（101）、阻抗匹配传输线（102）、非线性LC谐振器（103）和直流偏置线（104），其中：阻抗匹配传输线（102）一端与输入输出端口（101）连接，另一端与非线性LC谐振器（103）连接；非线性LC谐振器（103）另一端连接直流偏置线（104）；

所述阻抗匹配传输线（102）由两段的四分之一波长变换线（201和202）构成，采用共面波导传输线形式，共面波导中心导体宽度与缝隙宽度根据所需阻抗值进行调整，具体设计规则如下：设两段四分之一波长变换线的特征阻抗为Z₁和Z₂，输入输出端口（101）和非线性LC谐振器（103）的阻抗为Z₀、Z_L，则当Z_L≤24Ω 时，Z₂设置为常规硅基共面波导结构工艺上可实现的最小特征阻抗值，Z₁值由Z_1*Z₂ = Z_0*Z_L确定；当Z_L＞24Ω时，Z₁、Z₂值由和Z_1*Z₂ = Z_0*Z_L确定。

2.根据权利要求1所述的基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，其特征在于，所述四分之一波长变换线（201和202）采用铝或铌材料，厚度为70nm~120nm。

3.根据权利要求1所述的基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，其特征在于，非线性LC谐振器（103）包括电容部分和电感部分，两者是并联关系，其中电容部分采用平板电容（301），电感部分采用两个超导约瑟夫森结并联组成的直流超导量子干涉仪（302）构成等效电感器，平板电容（301）连接阻抗匹配传输线（102），直流超导量子干涉仪（302）的闭合环路处连接直流偏置线（104），通过调节直流偏置线（104）的电流，改变直流超导量子干涉仪（302）环路中的磁通，来实现非线性LC谐振器（103）的频率调节。

4.根据权利要求3所述的基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，其特征在于，所述平板电容（301）上极板为铝，下极板为铌或铝，介质层为氮化硅。

5.根据权利要求1所述的基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，其特征在于，所述输入输出端口（101）是同一个端口，信号通过输入输出端口（101）进入，放大后通过输入输出端口（101）输出，在输入输出端口（101）接微波环形器实现输入输出信号分离。

6.根据权利要求3所述的基于双节四分之一波长变换线的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，其特征在于，所述输入输出端口（101）、阻抗匹配传输线（102）、非线性LC谐振器的平板电容（201）的下极板和直流偏置线（104）采用紫外光刻工艺一次曝光一次刻蚀制备出图形，平板电容介质层由等离子增强化学气相沉积生长，并由紫外光刻工艺一次曝光和一次刻蚀制备，平板电容上极板由紫外光刻工艺、电子束蒸发工艺和剥离工艺制备，非线性LC谐振器的直流超导量子干涉仪（302）采用紫外光刻或电子束光刻、双角度电子束蒸发工艺制备。

7.一种微波纠缠光源，其特征在于，集成权利要求1-6任一项所述的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，实现参量转换功能。

8.一种超导量子多比特的状态测量方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，实现参量放大功能。

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