РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 9, с. 1135-1139
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 537.312.62;621.385.6
ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫЙ ДЖОЗЕФСОНОВСКИЙ ДЕТЕКТОР ИМПУЛЬСНОГО СУБТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ © 2004 г. В. В. Широтов, Ю. Я. Дивин
Поступила в редакцию 12.03.2004 г.
Представлены результаты исследования динамического диапазона по мощности импульсного субте-рагерцового излучения для частотно-селективного детектора, созданного на основе УБа2Си307 _ х джозефсоновского перехода. Экспериментально показано, что динамический диапазон расширяется при понижении сопротивления перехода. Продемонстрировано, что достигнутые величины динамического диапазона данного детектора достаточны для работы с современными импульсными источниками субтерагерцового излучения.
ВВЕДЕНИЕ
Ранее было показано, что на основе бикрис-таллических тонкопленочных джозефсоновских переходов из высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7 _ х возможно создание частотно-селективных джозефсоновских детекторов, работающих в субтерагерцовой и терагерцовой областях частот [1, 2]. Эти переходы в диапазоне рабочих температур Т = 80...40 К обладают вольт-амперной характеристикой (ВАХ) близкой к ВАХ, следующей из упрощенной резистивной модели [3], а их характерные напряжения Ус = ¡сЯп (Яп - сопротивление перехода в нормальном состоянии, 1с - его критический ток) достигают значений примерно 300 мкВ при Т = 77 К. Кроме того, было продемонстрировано [4], что даже при рабочей температуре Т = 77 К частотно-селективный детектор, построенный на основе таких джозефсоновских переходов и использующий низкочастотный усилитель, обладает в субтерагерцовой спектральной области широким динамическим диапазоном Б по мощности входных сигналов и низким порогом чувствительности Р0.
Динамический диапазон детектора по мощности, согласно определению, Б = РУР0, где Р5 - мощность, при которой данный детектор перестает быть квадратичным, а Р0 - порог чувствительности или минимальная мощность обнаружимого сигнала. В работе [4] за верхнюю границу Р5 было предложено принимать мощность, при которой амплитуда основной особенности в селективном отклике джозефсоновского перехода на монохроматическое внешнее излучение при У1 = Н//2в превосходит в 40 раз амплитуду паразитной второй особенности при У2 = 2У1. Этот критерий, учитывающий специфику взаимодействия собственных джозефсоновских колебаний в переходе с наведенным внешним излучением сигналом и особенности обработки экспериментальных данных в гильберт-спектроскопии [5], гарантирует малые
искажения восстановленного спектра. А именно, использование методики гильберт-спектроскопии при значении мощности излучения меньше этой границы приведет к результату, в котором спектральная плотность мощности паразитной спектральной линии при удвоенной частоте не будет превосходить 10% спектральной плотности мощности основной линии. Нижняя граница динамического диапазона по мощности, или порог чувствительности детектора P0 = NEP х AF1/2 определяется уровнем эквивалентной шумовой мощности (Noise Equivalent Power - NEP) приемника и частотной полосой использованной электронной схемы AF.
Результаты работы [4], демонстрирующие конечный, но довольно большой по величине динамический диапазон, позволяют создать скоростной макет частотно-селективного джозефсоновского детектора, пригодный для работы с быстро изменяющимся во времени импульсным излучением. Согласно имеющимся оценочным формулам [3], постоянная времени электрических процессов, происходящих внутри джозефсоновского перехода, очень мала и составляет величину порядка 1011 с для бикристаллического YBa2Cu3O7 _ х перехода при азотных рабочих температурах. Поэтому быстродействие данного вида детектора определяется в основном частотной полосой и постоянной времени электронной схемы, обеспечивающей его работу.
Создание скоростного частотно-селективного джозефсоновского детектора открывает возможность использования его и основанной на нем гильберт-спектроскопии для анализа излучения как от традиционных, так и от новых, преимущественно импульсных источников [6-8]. Эти новые источники позволяют получать излучение субтерагерцовой и терагерцовой частотных областей со спектральной плотностью мощности, значительно превышающей таковую для стационар-
¡(У), мА
0.4
-0.4
АУ(У), отн. ед.
4
2
--- 1
| I 1 1
0 -2 -4
0.1
0.2 У, мВ
0.3
0.4
Рис. 1. Автономная ВАХ джозефсоновского перехода (кривая 1) и его селективный отклик на слабое импульсное излучение с частотой / = 94 ГГц (кривая 2).
ных источников. Частоты повторения импульсов излучения современных источников находятся обычно в мегагерцовой области. Поэтому представляются интересными разработка и создание детектора, обладающего электронной схемой с полосой порядка 10 МГц и выше. Создание подобных схем возможно с помощью стандартной схемотехники.
Благодаря малой постоянной времени, широкой рабочей области частот и высокой чувствительности, частотно-селективный джозефсонов-ский детектор и гильберт-спектроскопия могут оказаться предпочтительными по сравнению с традиционными детекторами и спектрометрами, которые обычно используются при анализе излучения от импульсных источников. Первые результаты по разработке скоростного макета частотно-селективного джозефсоновского детектора и тестированию его при работе с импульсным излучением субтерагерцовой частотной области были изложены в работе [9]. Представляемая работа посвящена исследованиям динамического диапазона по мощности поглощенного излучения такого макета при использовании джозефсонов-ских переходов с различными электрическими параметрами.
1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе использовались тонкопленочные УБа2Си307 _ х джозефсоновские переходы на бик-ристаллической подложке из №ва03 с углом разо-риентации 2 х 14° [2]. Технические решения, использовавшиеся при создании скоростного макета частотно-селективного джозефсоновского детектора описаны в работе [9]. Основными из них являлись широкополосное квазиоптическое согласование излучения с джозефсоновским перехо-
дом и использование криогенного предусилителя ЬКА-1618 [10] для усиления снимаемых электрических сигналов. Электрическая схема, обеспечивающая работу детектора, обладала шумами на уровне 0.16 нВ/Гц1/2 и частотной полосой 14 МГц.
При расширении частотной полосы измерения сигналов детектора следует ожидать повышения порога чувствительности и, соответственно, сужения динамического диапазона. А именно, при переходе от полосы примерно в 1 Гц, имевшей место в работе [4], к новой полосе, составляющей около 10 МГц, эти величины должны измениться примерно в 3000 раз (или на 35 дБ). Тогда, учитывая результаты работы [4], для динамического диапазона нового макета детектора следует ожидать величины порядка 100 (или 20 дБ).
Проверка работоспособности скоростного макета частотно-селективного джозефсоновского детектора, проведенная в работе [9], свидетельствует о хорошем воспроизведении в сигнале детектора временной структуры импульсного излучения при длительности импульсов более 70 нс. Соответственно, могут быть четко определены моменты времени, в которые джозефсоновский переход находится и не находится под воздействием внешнего излучения, а значения величин, соответствующих селективному отклику перехода АУ и его невозмущенной ВАХ У(Г), могут быть измерены в течение одного периода повторения последовательности импульсов. Тогда обе эти характеристики, необходимые для последующего восстановления спектра излучения по методике гильберт-спектроскопии [5], могут быть измерены одновременно при сканировании электрического смещения на переходе со скоростью, определяемой периодом повторения импульсов. Быстрота проведения измерений в данной работе, как и в работе [9], определялась скоростью срабатывания цифровой электронной системы, обслуживающей работу макета, и составила около 7 мс на массив данных, содержащий 512 точек.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 представлены ВАХ одного из джо-зефсоновских переходов с Яп = 0.9 Ом и Ус = ¡сЯп = = 320 мкВ при Т = 77 К, а также его селективный отклик на импульсное излучение малой мощности с частотой / = 94 ГГц. Измерения проведены при использовании полной частотной полосы аналоговой электронной схемы, составляющей 14 МГц. Временная структура излучения представляла собой непрерывную последовательность импульсов с периодом повторения 1 мкс и длительностью отдельного импульса около 200 нс. Из результатов, представленных на рис. 1, можно сделать вывод о пригодности макета частотно-селективного джозефсоновского детектора к быстрой работе с импульсным излучением.
0
0
Результаты, представленные на рис. 1, аналогичны результатам, которые получали при медленных узкополосных измерениях [4, 11]. Автономная ВАХ реального бикристаллического джозефсоновского перехода имеет форму, близкую к гиперболической, которая следует из резистив-ной модели перехода при учете собственных тепловых шумов. В зависимости селективного отклика от напряжения на переходе имеется единственная особенность, представляющая собой нечетно-симметричный резонанс в области напряжения, связанного формулой Джозефсона с частотой / внешнего излучения, У1 = Н//2в. Полученные результаты соответствуют режиму малого сигнала, и все необходимые условия использования частотно-селективного джозефсоновского детектора соблюдены.
В данной работе были проведены серии измерений селективных откликов джозефсоновских переходов при различных мощностях внешнего импульсного излучения с частотой / = 94 ГГц. Зависимости амплитуд резонансных особенностей при напряжениях У1 = Н//2в и У2 = 2У1 в селективных откликах упомянутого выше джозефсоновского перехода с Яп = 0.9 Ом от мощности внешнего излучения представлены на рис. 2а. За счет превышения динамическим сопротивлением перехода величины его нормального сопротивления в условиях проведения измерений, собственные шумы данного перехода практически совпадали с шумами усилителя.
Здесь, как и в работе [4], использована калибровка на мощность, поглощенную в переходе, и представлена характеристика самого детектора, а вл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.