WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

В параграфе 2.5.3 исследуется эффект взаимной синхронизации джозефсоновской генерации в элементах суммирующей цепочки. Подключение внешней нагрузки к цепочке приводит к образованию внешней цепи электродинамической связи элементов цепочки, в результате чего через элементы цепочки протекают высокочастотные токи, ответственные за синхронизацию джозефсоновской генерации. В случае синхронного режима генерации суммарная амплитуда джозефсоновских осцилляций на последовательной цепочке из N элементов будет в N раз больше, чем амплитуда осцилляций на одном элементе, в то время как в асинхронном режиме генерации среднеквадратичная величина размаха осцилляций на цепочке увеличится только в N раз по сравнению с амплитудой осцилляций на одном элементе. Отличие в размахе осцилляционного процесса в N раз очень важно с точки зрения задачи фильтрации, т е. задачи отделения выходного сигнала от джозефсоновских осцилляций близкой частоты. Если в качестве последовательной суммирующей цепочки использовать СКИФ-структуру (сильно нерегулярная цепочка), то в этом случае приложенный магнитный поток обуславливает разную модуляцию ВАХ элементов этой цепочки и, как следствие, асинхронный режим джозефсоновской генерации. При использовании регулярной структуры цепочки асинхронный режим генерации может быть достигнут путем задания некоторого разброса (20…30%) величин характерного напряжения VC джозефсоновских переходов в цепочке от элемента к элементу. Практически такая квазирегулярная цепочка интерферометров может быть сформирована путем введения соответствующего разброса (заложенного в фотошаблон регулярной цепочки) шунтов туннельных Nb джозефсоновских переходов.

Раздел 2.6 посвящен численному моделированию совместной работы цепей усилителя.

В разделе представлен расчет динамики интерферометра суммирующей цепочки, индуктивно связанного с ячейкой цепи уширения (выходной ячейкой сплиттерного дерева) при различных значениях коэффициента взаимной индукции M. Полученные результаты представлены на рис. 4.

Для изучения отклика интерферометра постоянный магнитный поток задавался непосредственно из ячейки цепи уширения. Для этой цели в ячейку включался генератор постоянного тока для формирования необходимого магнитного потока. Оказалось, что максимальный размах отклика напряжения интерферометра в такой конструкции увеличивается с увеличением взаимной индуктивности M (см. рис. 4а). Это можно объяснить влиянием на интерферометр подключенной к нему ячейки, в результате чего эффективная индуктивность интерферометра уменьшается с ростом коэффициента M:

Lэфф = L2(1 - k ), (2) 2 где = M /(L1L2 ), L2 – индуктивность ячейки интерферометра, L1 – индуктивность ячейки цепи уширения.

Для изучения динамики рассматриваемой цепи в режиме усиления одноквантовых импульсов ячейка цепи уширения подключалась к сплиттерному дереву. Одноквантовый импульс, поступавший из сплиттерного дерева, уширялся в выходной ячейке и воздействовал магнитным образом на интерферометр. На рис. 4б показана зависимость амплитуды выходных импульсов от тока смещения интерферометра при различных значениях отношения M / L1. Численное моделирование показало, что амплитуда выходных импульсов не зависит от степени уширения импульсов, если их ширина * *min, где *min = 15…30. Указанное значение *min допускает максимальную частоту следования импульсов на уровне 10% - 20% характерной частоты C.

Важно отметить, что при M / L1 > 0.5 разность между максимальной величиной отклика интерферометра и амплитудой выходного импульса существенно сокращается с ростом M.

а) б) Рис. 4. а) Зависимость максимального размаха отклика напряжения интерферометра, индуктивно связанного с ячейкой цепи уширения, от тока смещения при различных значениях коэффициента связи M / L1, где M – коэффициент взаимной индукции, L1 – индуктивность ячейки цепи уширения. Нормированное значение индуктивностей ячейки цепи уширения и интерферометра l1 = l2 = 3. На вставке показана зависимость максимального отклика напряжения от отношения M / L1 при I / IC = 2. б) Зависимость амплитуды выходного импульса напряжения на интерферометре от тока смещения при различных значениях M / L1.

Поэтому при разработке топологии схемы крайне важно добиваться наибольшего коэффициента связи, когда M / L1 > 0.5.

Для проверки предлагаемой конструкции было также произведено численное моделирования работы прототипа усилителя, с суммирующей цепочкой, состоящей из N = интерферометров, не подключенной к выходной нагрузке. Было показано, что при M / L1 = 0.5 и токе смещения IBB/IC = 2.2 амплитуда выходного импульса напряжения составляет порядка Vвых 4VC. По проведенным оценкам с учетом 50-омной нагрузки и необходимое количество интерферометров для получения амплитуды выходного сигнала V = 0.8…1.2 мВ будет составлять N 32 при использовании стандартной ниобиевой технологии HYPRES с плотностью критического тока jC = 1 кА/см2 [20].

Раздел 2.7 посвящен разработке выходного фильтра усилителя.

Выходной фильтр разрабатывался совместно с лабораторией микроволной микроэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Выходной фильтр предназначался для отделения выходного сигнала с максимальной частотой FS = 9 ГГц от джозефсоновской генерации.

Характерная частота джозефсоновских переходов в суммирующей цепочке FC 90 ГГц. Был разработан выходной фильтр второго порядка с емкостью на выходе, включенной последовательно. Входной и выходной импедансы фильтра на частоте сигнала соответствовали требованию согласования цепочки из N = 64 интерферометров с 50-омной выходной линией. На высокой частоте (частоте джозефсоновской генерации) входной импеданс фильтра был достаточно высоким (больше 100 Ом) и, следовательно, практически не вызывал шунтирования цепочки. Разработанный фильтр характеризуется резкой границей пропускания и обеспечивает подавление джозефсоновской генерации более чем в 100 раз (согласно характеристике пропускания S21).

Глава 3. Разработка топологии и фотошаблонов Раздел 3.1 посвящен описанию характеристик используемой ниобиевой технологии.

Стандартный процесс изготовления интегрированных схемы в HYPRES [20] включает в себя использование 10 слоев из которых 2 резистивных слоя и 4 слоя металлизации, с минимальным характерным размером формируемой структуры 1 мкм2. В качестве сверхпроводящего материала используется ниобий. Для формирования джозефсоновских переходов Nb/AlOx/Nb на первом этапе производится напыление на всю подожку слоев Nb, Al, с последующим окислением, и Nb. На следующем этапе производится выделение областей джозефсоновских переходов методом 1 мкм2 литографии и последующего травления. Для шунтирования джозефсоновских переходов, формирования резисторов в цепях питания и прочих сопротивлений используется слой молибдена с погонным сопротивлением 1 Ом/квадрат (при температуре 4.2 К). Второй резистивный слой PdAu с сопротивлением 0.02 Ом/квадрат используется в основном для металлизации контактных площадок. Для обеспечения изоляции между джозефсоновскими переходами, резисторами, земляным слоем и различными соединениями напыляется диоксид кремния. В процессе изготовления используются подложки из оксида кремния. Размер чипов 5х5 мм2.

Раздел 3.2 посвящен описанию оптимизации топологии разрабатываемых структур.

В параграфе 3.2.1 описывается программа L-METER [21] для расчета индуктивностей сверхпроводящих цепей, проектируемых в фотошаблоне. Помимо топологии анализируемой структуры, входными данными программы служат описание эквивалентной схемы и характеристики используемых слоев. Выходными данными программы являются собственные и взаимные индуктивности рассчитываемой цепи. В качестве примера в диссертации приводится расчет сопряжения ячейки цепи уширения с интерферометром суммирующей цепочки.

В параграфе 3.2.2 описывается поэтапная оптимизация топологии для подавления геометрических резонансов в суммирующей цепочке. В первой итерации была использована топология, в которой каждая ячейка цепочки имела индивидуальный экран, не соединенный гальванически с экранами других ячеек. Это позволяет избежать формирования единой микрополосковой линии по всей длине цепочки. Недостатком такой топологии является Значительное увеличение индуктивности элементов схемы, расположенных между экранами ячеек. Кроме того, оказалось, что такая топология способствует захвату магнитных потоков и их фиксированию в области ячеек цепочки.

В следующей итерации был использован общий экран. Для подавления геометрических резонансов было использовано равномерное подключение к цепочке высокоомных резисторов, задающих волновые потери в этой структуре. Недостатком такого демпфирования резонансов, как показали измерения, является дополнительное шунтирование цепочки, которое особенно сильно сказывается при использовании цепочек с большим числом ячеек.

Для устранения этого недостатка в третий итерации было использовано неравномерное распределение потерь вдоль цепочки. При таком способе демпфировании резонансов сохраняется суммарная проводимость подключенных к цепочке резисторов, но проводимости резисторов уменьшаются по линейному или квадратичному закону от заземленного конца цепочки примерно до ее середины. Такое неравномерное демпфирование позволяет эффективно подавлять геометрические резонансы без существенного шунтирования цепочки.

В параграфе 3.2.3 описана оптимизация защиты цепей усилителя от влияния замороженного магнитного потока. Для этих целей создавались специальные неоднородности в топологии структуры, такие как прорези в экранирующем слое. После первой итерации для дополнительной защиты схем было применено двойное экранирование.

В случае двойного экранирования, отверстия для захвата квантов замороженного магнитного потока проделывались в обоих экранах и окружались сквозными соединениями всех слоев, образуя структуру наподобие колодца. Структуры с двойным экраном работали гораздо более стабильно, в течение нескольких часов при измерениях в неэкранированном помещении.

Раздел 3.3 посвящен описанию используемых генераторов одноквантовых импульсов.

В качестве генераторов одноквантовых импульсов на входе усилителя использовались два источника сигнала: сильно демпфированный джозефсоновский переход, характеристики которого описаны в параграфе 2.2.3 и стандартный преобразователь импульсов постоянного напряжения в одноквантовые импульсы, известный как dc/SFQ преобразователь [16]. Оба источника одиночных квантов магнитного потока были подсоединены ко входу цепи изохронного мультиплицирования импульсов через объединитель импульсов Merger [16], который препятствовал прохождению импульсов от одного генератора к другому. Для контроля генерации одноквантовых импульсов на dc/SFQ преобразователе, импульсы также поступали на вход SFQ/dc преобразователя [21], который преобразовывал генерируемые одноквантовые импульсы в широкие импульсы напряжения.

Раздел 3.4 посвящен описанию состава чипов, изготовленных в трех последовательных итерациях.

В число изготовленных структур входили усилители и отдельные цепочки интерферометров для исследования различных параметров структур и сопоставления с теоретическими расчетами. Среднее значение нормального сопротивления джозефсоновских переходов в интерферометрах суммирующих цепочек во всех итерациях составляло порядка RN = 1.4 Ом, что соответствует C = 0.5. Вводился также разброс нормальных сопротивлений джозефсоновских переходов в суммирующей цепочке в пределах 20%.

В первой итерации были реализованы усилители с количеством интерферометров в суммирующей цепочке N = 64, 128, 256, отличающиеся структурой цепочки (регулярная / нерегулярная), наличием или отсутствием разброса шунтов джозефсоновских переходов, а также величиной уширения импульсов. Помимо усилителей были реализованы отдельные цепочки интерферометров, отличающиеся также способом подключения к нагрузке: через высокоомный резистор, через емкость, LR или LCR фильтр.

Во второй итерации были изготовлены усилители с числом интерферометров: N = 32, 64, 128, оптимизированной цепью уширения и равномерным демпфированием суммирующей цепочки. Один из усилителей был подключен к фильтру, описанному в разделе 2.7. Помимо усилителей была реализована СКИФ структура, состоящая из N = 56 интерферометров.

В третий итерации изготавливались 4 усилителя с количеством интерферометров в суммирующей цепочке N = 32, 64, отличающихся типом неравномерного демпфирования и временем уширения.

Глава 4. Экспериментальное исследование Раздел 4.1 посвящен описанию техники проведения измерений.

Изготовление и измерение интегральных схем производились в лаборатории фирмы HYPRES [20]. Для проведения измерений чипов со сверхпроводниковыми схемами использовалась криогенная штанга, предназначенная для измерений в диапазоне частот от до 25 ГГц. Штанга оснащена держателем чипа, обеспечивающим электрический контакт с контактными площадками чипа. Для защиты измеряемой интегральной схемы от внешних магнитных наводок держатель чипа снабжен двумя цилиндрическими экранами из металла. Держатель снабжен также пластиковым кожухом для защиты экранов от механического воздействия. Смонтированная штанга опускается в дьюар с жидким гелием, который также находится внутри высокого (выше дьюара) цилиндрического экрана из металла. Измерения проводились в специальной экранированной комнате.

Для проведения экспериментальных исследований использовалось высокоточное измерительное оборудование фирм Agilent/HP и Tektronix. Кроме того, для измерений на постоянном токе использовалась управляемая компьютером многофункциональная система OCTOPUX. Для проведения высокочастотного тестирования интегральной схемы и визуализации выходных импульсов исследуемого усилителя был использован стробоскопический осциллограф Tektronix CSA 803, который позволял проводить измерения в режиме, характеризуемом шкалой по оси напряжений 2 мВ/дел и по оси времени 20 пс/дел.

Раздел 4.2 посвящен описанию результатов измерений на постоянном токе.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»