基于多个超导约瑟夫森结串联的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器

摘要

本发明公开了一种基于多个超导约瑟夫森结串联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，其中非线性LC谐振器由叉指电容和等效电感器构成，等效电感器由超导约瑟夫森结串联阵列及直流超导量子干涉仪构成，直流超导量子干涉仪由两个并联的超导约瑟夫森结组成的闭合环路构成，叉指电容连接阻抗匹配传输线，超导量子干涉仪的闭合环路处设置直流偏置线，通过调节直流偏置线的电流，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。本发明有效降低了结构设计复杂度，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，器件性能稳定可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及放大器设计领域，尤其涉及一种基于多个超导约瑟夫森结串联的阻抗匹配参量放大器。

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。约瑟夫森宽带参量放大器具有高增益、宽带及超低噪声性能的独特优势。

目前利用超导约瑟夫森结构成的宽带超导约瑟夫森电路器件中，多采用平板电容与非线性约瑟夫森电感并联的结构，其结构、工艺程序复杂，需要多层微纳加工制备技术，制备精度要求极高。同时，由于介电层缺陷直接影响器件质量，因此对平板电容介电层材料的损耗特性要求极高。基于此，需要一种结构简单、不受介电损耗材料影响、制备工艺简单可靠的新型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能够提供宽带、频率大范围可调的基于多个超导约瑟夫森结串联的阻抗匹配参量放大器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于多个超导约瑟夫森结串联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谐振器另一端连接直流偏置线；

非线性LC谐振器由叉指电容和等效电感器构成，等效电感器由超导约瑟夫森结串联阵列及直流超导量子干涉仪构成，直流超导量子干涉仪由两个并联的超导约瑟夫森结组成的闭合环路构成，叉指电容连接阻抗匹配传输线，超导量子干涉仪的闭合环路处设置直流偏置线，通过调节直流偏置线的电流，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。

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。

进一步的，所述阻抗匹配传输线由中心导体宽度渐变的共面波导传输线构成，阻抗匹配传输线一端与非线性LC谐振器连接，另一端与输入输出端口连接，中心导体宽度根据所需阻抗值变化。

进一步的，所述等效电感器的等效电感值与超导约瑟夫森结串联阵列中超导约瑟夫森结的数量呈正比。

进一步的，所述输入输出端口、阻抗匹配传输线、非线性LC谐振器的叉指电容和直流偏置线均采用紫外光刻工艺一次曝光一次刻蚀即可制备出图形，非线性LC谐振器的超导约瑟夫森结串联阵列和两个超导约瑟夫森结并联组成的直流超导量子干涉仪采用电子束曝光、双角度电子束蒸发工艺制备。

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，相比与目前的多层平板电容结构构成的非线性谐振器，本发明采用叉指电容结构，采用一次光刻即可完成，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作效率。2）整个器件由多个超导约瑟夫森结集成，可提供较大的电感值。3）整个器件的工作频率可以由超导量子干涉仪调控，可提供较大的工作频率变化范围。4）整个器件可以通过增加超导约瑟夫森结串联数目增加等效电感，提升器件的动态范围，避免饱和功率过小。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是本发明基于多个超导约瑟夫森结串联的阻抗匹配参量放大器的平面结构设计图。

图2是本发明非线性LC谐振器的电路设计图。

图3是本发明等效电感器的示意图。

图4是本发明不同偏置电流下谐振器频率的测量图。

图5是本发明器件增益带宽的测量结果图。

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，基于多个超导约瑟夫森结串联的阻抗匹配参量放大器，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和直流偏置线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另一端连接直流偏置线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，端口阻抗50W，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。

阻抗匹配传输线102采用共面波导传输线形式，采用Al或Nb材料，厚度约70 nm，中心导体宽度根据所需阻抗值变化，传输线一端阻抗50 W，与信号输入输出端口连接，与外部传输线特征阻抗匹配。传输线另一端串联非线性LC谐振器103，端口特征阻抗120 W，与非线性LC谐振器特征阻抗相匹配。通过上述设计能够确保器件整体的传输特性。

如图2-3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。电容部分采用叉指电容201，电感部分采用十个超导约瑟夫森结串联阵列301和两个超导约瑟夫森结并联组成的直流超导量子干涉仪302构成的等效电感器202。非线性LC谐振器103设置两个端口，电容器一侧的端口204连接阻抗匹配传输线，电感器一侧的端口203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。此外，非线性LC谐振器103的特征阻抗在120 W附近，保证与阻抗匹配传输线102的端口阻抗接近。

直流偏置线104设计在超导量子干涉仪302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直流偏置线作为偏置电路，调节偏置线上电流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谐振器的叉指电容201和直流偏置线104均采用紫外光刻工艺一次曝光一次刻蚀即可制备出图形，非线性LC谐振器的十个超导约瑟夫森结串联阵列301和两个超导约瑟夫森结并联组成的直流超导量子干涉仪302采用电子束曝光、双角度电子束蒸发工艺制备。

实施例

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，单个超导约瑟夫森结电感设计为110 pH，电容设计为0.8 pF，LC谐振腔谐振频率为5.2 GHz。

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。通过调节直流偏置电路（104）上的电流值，可以改变非线性LC谐振器的谐振频率，例如电流值从-0.6 mA变为0.3 mA时，器件的谐振频率发生了变化，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，测量得到的器件带宽增益特性。通过调节直流偏置电路（104）至合适的偏置电流工作点，利用微波信号发生器产生驱动信号并与矢量网络分析仪产生的信号合路后经过衰减器一同馈入输入输出口，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，可以得到器件的增益带宽特性，例如在400 MHz范围内有10 dB的增益，在200 MHz范围内有15 dB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。