一种大动态范围超导约瑟夫森参量放大器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种大动态范围超导约瑟夫森参量放大器及其制备方法，涉及放大器设计技术领域，包括输入输出端口和非线性LC谐振器；非线性LC谐振器包括由插指电极形成的电容和嵌入电容中的相互串联的多个长条形的约瑟夫森结形成的等效电感器；非线性LC谐振器一端与输入输出端口直接连通；通过改变流经约瑟夫森结中的电流。本发明专利技术提供的放大器器件可通过增加串联的约瑟夫森结面积或优化氧化条件从而增加超导约瑟夫森结的临界电流，进一步提升器件的动态范围；放大器器件的工作频率受直流偏置调控，通过改变直流偏置电压或电流，改变流经超导约瑟夫森结串联阵列的电流，可提供较大的工作频率变化范围。的工作频率变化范围。的工作频率变化范围。

【技术实现步骤摘要】
一种大动态范围超导约瑟夫森参量放大器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及放大器设计
，特别是涉及一种大动态范围超导约瑟夫森参量放大器及其制备方法。

技术介绍

[0002]超导约瑟夫森结是目前超导量子比特及其参量放大器电路的核心器件，具有无耗散特性、高度非线性、可调控性及易集成等优势。利用超导约瑟夫森结的等效非线性电感特性，可以与电容器结合，制备片上集成的非线性谐振腔，用于设计和实现接近量子极限噪声性能的参量放大器芯片。
[0003]目前公开的诸多宽带超导约瑟夫森参量放大器方案中，实现参量放大的核心单元非线性谐振腔通常由超导约瑟夫森结与平板电容并联实现，并通过阻抗变换的方式实现输入输出端口与非线性谐振腔的阻抗匹配。该类器件通常结构复杂，制备所需微纳加工工艺步骤繁多，电容介电层制备质量要求苛刻，阻抗变换电路加工要求精度高等，这些客观因素增加了器件的设计难度，降低了器件制备成品率及器件使用寿命。
[0004]此外，目前该类器件中约瑟夫森结临界电流普遍在较小，导致放大器动态范围较小，限制了该类放大器在较大强度信号放大场景的应用。
[0005]基于此，需要一种电路结构制备工艺简单、不受电容介电层制备影响、终端特征阻抗与外部传输线阻抗直接匹配的新型大动态范围的超导约瑟夫森参量放大器。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的是为了提供一种结构极其简约、工作频率可调，工作动态范围大，不需额外设计阻抗匹配电路的多个超导约瑟夫森结串联的超导约瑟夫森参量放大器。
[0007]本专利技术的目的可以通过采用如下技术方案达到：
[0008]一种大动态范围超导约瑟夫森参量放大器，包括输入输出端口和非线性LC谐振器；
[0009]所述非线性LC谐振器包括由插指电极形成的电容和嵌入电容中的相互串联的多个长条形的约瑟夫森结形成的等效电感器；
[0010]所述非线性LC谐振器一端与输入输出端口直接连通，另一端接参考地；
[0011]外部的偏置电流通过输入输出端口进入非线性LC谐振器，通过改变流经约瑟夫森结中的电流，以实现非线性LC谐振电路频率在工作频率设计值范围内可调。
[0012]优选的，所述输入输出端口用于依次通过直流偏置信号、待放大信号与用于提供信号放大所需能量的泵浦信号，
[0013]所述待放大信号经非线性LC谐振器混频放大后经输入输出端口输出，且放大后的信号通过输入输出端口输出，在输入输出端口接入微波环形器以实现输入信号和输入信号的分离，在所述环形器与输入输出端口之间接入偏置器以实现直流偏置信号与其他信号的分离。
[0014]优选的，所述非线性LC谐振器的非线性等效电感值与非线性LC谐振器中串联的约瑟夫森结的数量呈正比。
[0015]优选的，所述非线性LC谐振器中串联的约瑟夫森结通过金属模条相连接。
[0016]一种大动态范围超导约瑟夫森参量放大器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0017]步骤1、在硅片上旋涂对曝光剂量敏感度不同的两种电子束光刻胶，以形成双层胶结构；
[0018]步骤2、利用电子束曝光设备分两次曝光图形，使上述两次曝光图形转移到硅片上，其中一次采用大剂量曝光图形，另一次采用小剂量曝光图形；
[0019]步骤3、显影后，将硅片放入电子束蒸发设备中，在图形特定位置呈现出与两次曝光几何结构一致的非对称倒梯形结构；
[0020]步骤4、将曝光显影后的硅片放入电子束蒸发设备，进行双角度分别蒸发金属铝，蒸发结束后实施剥离，完成多个约瑟夫森结串联的直接阻抗匹配约瑟夫参量放大器制备
[0021]优选的，步骤4中的双角度蒸发具体为，第一角度蒸发形成放大器插指电容结构及约瑟夫森结底电极及部分电极连接线，第二角度蒸发形成约瑟夫森结上电极及部分电极之间的连接线，两次蒸发形成组合电路结构，实施去胶剥离后即完成放大器制备过程。
[0022]本专利技术的有益技术效果：
[0023]本专利技术提供的放大器器件可通过增加串联的约瑟夫森结面积或优化氧化条件从而增加超导约瑟夫森结的临界电流，进一步提升器件的动态范围；放大器器件的工作频率受直流偏置调控，通过改变直流偏置电压或电流，改变流经超导约瑟夫森结串联阵列的电流，可提供较大的工作频率变化范围；
[0024]整个放大器器件不包含由并联约瑟夫结的超导环路构成的磁通敏感元件超导量子干涉仪，结构简约，可有效减少器件周围磁场噪声对器件工作状态的影响，样品封装和使用可不必要专门设计磁屏蔽装置。该器件所使用的约瑟夫森结相比同类器件临界电流具有数量级的提升，器件工作动态范围显著变宽，性能得到显著提升，应用场景更广泛。
附图说明
[0025]图1为按照本专利技术的实施例的放大器示意图；
[0026]图2为按照本专利技术的实施例的非线性LC谐振器示意图；
[0027]图3为按照本专利技术的实施例的谐振频率示意图；
[0028]图4为按照本专利技术的实施例的工作频率可调示意图；
[0029]图5为按照本专利技术的实施例的增益曲线示意图；
[0030]图6为按照本专利技术的实施例的动态范围表征示意图。
具体实施方式
[0031]为使本领域技术人员更加清楚和明确本专利技术的技术方案，下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0032]如图1
‑
图6所示，本实施例提供的大动态范围超导约瑟夫森参量放大器，包括输入输出端口101和非线性LC谐振器102；输入输出端口101是输入信号和输出信号共用的一个
端口，
[0033]非线性LC谐振器102包括由插指电极201形成的电容和嵌入电容中的相互串联的多个长条形的约瑟夫森结202形成的等效电感器；
[0034]非线性LC谐振器102一端通过50欧姆的共面波导线与输入输出端口101直接连通，另一端与参考地103相连接，参考地103为放大器周围的接地金属膜；
[0035]外部传输线可通过输入输出端口101直接与非线性LC谐振器102相连接；
[0036]外部传输线通过输入输出端口101将驱动信号和待放大的微波信号输入非线性LC谐振器，实现对输入的待放大信号接近量子极限噪声性能的参量放大；
[0037]外部的偏置电流通过输入输出端口101进入非线性LC谐振器102，通过改变流经约瑟夫森结202中的电流，以实现非线性LC谐振电路102频率在工作频率设计值范围内可调。
[0038]在本实施例中，如图1所示，输入输出端口101用于依次通过直流偏置信号、待放大信号与用于提供信号放大所需能量的泵浦信号，
[0039]待放大信号和提供放大所需能量的泵浦信号通过环形器、隔直电容后经偏置器射频端进入，射频+直流端输出后经过输入输出端口101进入非线性谐振器，放大后的信号通过输入输出端口101输出，在输入输出端口101处接入偏置器和隔直电容，最终通过微波环形器实现输入信号与输出信号的分离；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大动态范围超导约瑟夫森参量放大器，其特征在于：包括输入输出端口(101)和非线性LC谐振器(102)；所述非线性LC谐振器(102)包括由插指电极(201)形成的电容和嵌入电容中的相互串联的多个长条形的约瑟夫森结(202)形成的等效电感器；所述非线性LC谐振器(102)一端与输入输出端口(101)直接连通，另一端接参考地(103)；外部的偏置电流通过输入输出端口(101)进入非线性LC谐振器(102)，通过改变流经约瑟夫森结(202)中的电流，以实现非线性LC谐振电路(102)频率在工作频率设计值范围内可调。2.根据权利要求1所述的大动态范围超导约瑟夫森参量放大器，其特征在于：所述输入输出端口(101)用于依次通过直流偏置信号、待放大信号与用于提供信号放大所需能量的泵浦信号，所述待放大信号经非线性LC谐振器(102)混频放大后经输入输出端口(101)输出，且放大后的信号通过输入输出端口(101)输出，在输入输出端口(101)接入微波环形器以实现输入信号和输入信号的分离，在所述环形器与输入输出端口(101)之间接入偏置器以实现直流偏置信号与其他信号的分离。3.根据权利要求1所述的大动态范围超导约瑟夫森参量放大器，其特征在于：所述非线性LC谐振器(102)的非线性等效电感值与非线性LC谐振器(102)中串联的约瑟夫森结(202)的数量...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢亚鹏，王丹阳，何国锋，王新刚，祁林，花春飞，
申请(专利权)人：河南城建学院，
类型：发明
国别省市：