Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Исследование полосы преобразования терагерцовых смесителей на эффекте электронного разогрева в NbZr, NbN и в одиночном гетеропереходе AlGaAsGaAs. Моно
.pdf
эта модель предполагает в себе малые уровни мощности как сигнального, так
и гетеродинного источников.
Мощность гетеродина подбирается из учёта максимальной
эффективности преобразования при напряжении смещения около 2
– 5 мВ,
что примерно соответствует рабочей точке оптимальной по
чувствительности. Таким образом, даже при флуктуации мощности
гетеродина изменение эффективности преобразования смесителя
минимально. Чтобы сигнальное излучение не изменяло рабочую точку, и
смеситель не выходил за пределы динамического диапазона, а также в силу
условий однородности электронного разогрева, мощность сигнального
генератора выбирается минимальной. Перестройка
сигнала ПЧ
осуществляется изменением частоты излучения гетеродина. После каждого
изменения частоты мощность гетеродина вновь подстраивается при помощи
квазиоптического аттенюатора так, чтобы смеситель оставался в заданной
рабочей точке. Мощность гетеродинного источника можно оценивать по току
смещения смесителя. Источник смещения позволяет в режиме генератора
напряжения определять ток смесителя с точностью до десятой доли
микроампера и перестраивать напряжение смещения с точностью до десятой
доли милливольта.
Амплитудно-частотная характеристика тракта ПЧ измерялась на пано-
рамных измерителях комплексных коэффициентов передачи Р4-36 и Р4-37 в
интересующем частотном диапазоне 0,05
– 4 ГГц.
§2.6 Методика измерения полосы ПЧ квазиоптических NbN
смесителей
Исследование полосы преобразования NbN смесителей проводилось
двумя методами по традиционной методике с двумя монохроматическими
источниками излучения и с помощью радиометрической методики, когда
излучение гетеродина подавалось на болометр, а его отклик на
61
промежуточной частоте на переменную горячую и холодную нагрузку
регистрировался с помощью синхронного вольтметра. Для работы в
диапазоне частот 2.5 ТГц мы использовали терагерцовый квантово-каскадный
лазер (QCL) и терагерцовый газовый лазер с накачкой от CO
лазера, а для
2
работы на частотах 0.3 ТГц и 0.6 ТГц лампы обратной волны (BWO) и диод
Ганна с умножителем частоты.
Схема установки измерения с двумя монохроматическими источниками
представлена на рис 19. Фотография установки представлены на рис. 20.
Использование очень стабильного терагерцового квантово-каскадного лазера
[116] или лампы обратной волны в качестве гетеродина позволяет получать
выборку полосы ПЧ с разрешающей способностью порядка 1 МГц.
Соответственно в качестве сигнального источника использовались
терагерцовый газовый лазер на частоте 2.5
ТГц и диод Ганна с умножителем
частоты на частотах 0.3 ТГц и 0.6 ТГц. Мощность обоих источников
регулировалась поляризационными квазиоптическими аттенюаторами.
Высокочастотное излучение гетеродинного и сигнального источников
фокусировалось при помощи линз из полимера полиметилпентен (TPX) и
совмещалось при помощи делителя луча из майларовой пленки толщиной
6 мкм, после еще раз фокусировалось параболическим зеркалом для
создания
узкого пучка и заводилось внутрь гелиевого криостата через окно из TPX. На
азотном экране криостата устанавливался кварцевый ИК фильтр, который
предохранял смесительный блок от нагрева инфракрасным излучением.
Применяемый в данных измерениях смесительный блок включал в себя плату
съема сигнала, содержащую адаптер питания. Съем сигнала ПЧ
осуществлялся посредством 50-омной микрополосковой линии.
62
Рис. 14. Блок-схема экспериментальной установки для измерения полосы
преобразования квазиоптических NbN смесителей методом смешения двух
когерентных источников
Далее сигнал сразу выводился из криостата и поступал на вход усилителя с
полосой 0.1
– 12 ГГц. Величина усиленного сигнала и значение сигнала ПЧ
регистрировалось при помощи анализатора спектра. В данном эксперименте
мы нормировали сигнал ПЧ HEB смесителя на сигнал ПЧ диода Шоттки, про
который известно, что его эффективность преобразования не зависит от
промежуточной частоты как минимум до 20 ГГц [117]. В обоих измерениях
использовался один и тот же
усилительный тракт.
63
CO
Ячейка
Галея
Квантово-каскадный
лазер
лазер
2
ТГц газовый лазер
Криостат с
HEB смесителем
Рис. 15. Фотография экспериментальной установки для измерения полосы
преобразования квазиоптических NbN смесителей
Радиометрическая методика заключается в использовании излучения
«черного тела» имеющего различную температуру в качестве сигнального
источника излучения. В этом случае также имеется делитель луча для
совмещения излучения от «черного тела» и от гетеродина, в качестве
которого выступал газовый лазер с частотой 2.5 ТГц (рис. 21). Смена
нагрузки осуществлялась посредством механического модулятора, таким
образом,
температура «черного тела» менялась от комнатной 300 К до темпе-
64
Рис. 16. Блок-схема экспериментальной установки для измерения полосы
преобразования квазиоптических NbN смесителей радиометрическим методом
ратуры азотной ванны 77 К. Усиление сигнала производилось при помощи
охлаждаемого широкополосного усилителя (0.5
– 12 ГГц) и последующих
каскадов теплых широкополосных усилителей. Путем перестройки полосно-
пропускающего фильтра с полосой ≈ 50 МГц мы проводили измерения
частотной зависимости сигнала на промежуточной частоте. На выходе
высокочастотный сигнал детектировался квадратичным детектором и
регистрировался синхронным вольтметром. Для устранения влияния на
эксперимент всевозможных шумов и резонансов тракта ПЧ производилась
его калибровка
при помощи согласованной 50-омной SMA-нагрузки на входе
охлаждаемого усилителя. Частотная зависимость шумов тракта ПЧ
измерялась при двух различных температурах SMA-нагрузки. Из данных
зависимостей рассчитывалась частотная зависимость, как коэффициента
усиления, так и шумовой температуры всей усилительной цепочки.
65
Используя данные характеристики тракта ПЧ, легко получить частотную
зависимость эффективности преобразования смесителя.
Данная методика позволяет проводить измерения с одним
монохроматическим источником, что в особенности представляет интерес для
проведения исследований полосы промежуточных частот на высоких
частотах гетеродина, где отсутствуют перестраиваемые источники. Как
недостаток данной методики можно отметить трудоемкость, которая связанна
с различными
калибровками.
66
T
Глава 3. Полоса преобразования квазиоптических HEB
смесителей на основе сверхпроводящих пленок NbN и
NbZr
Данная глава посвящена результатам исследований частотных
характеристик HEB смесителей на основе плёнок NbN и микромостиков NbZr
нанесенных на подложки из сапфира.
§ 3.1 Полоса преобразования NbZr смесителей вблизи критической температуры на частоте 130 ГГц
Смесители, исследуемые в данном параграфе, были изготовлены на
основе тонких пленок NbZr. На рис. 22 представлена зависимость
сопротивления от температуры NbZr микромостика толщиной порядка 50 нм,
которая по форме является типичной и для остальных смесителей на основе
этого материала.
Чтобы определить направление оптимизации и развития смесителей на
основе сверхпроводящей NbZr пленки, необходимо глубже исследовать
механизм энергетической
материале. Для этого необходимо исследовать полосу преобразования NbZr
смесителей в ситуации, когда физическая температура близка к критической
температуре плёнки и распределение эффективной электронной температуры
однородно по всей площади сверхпроводящего мостика. В этом
квазиравновесном состоянии температура электронов
смеситель переводился в рабочую точку вблизи температуры
представлена ВАХ для смесителя на основе NbZr при различной температуре
смесителя. Нужно отметить, что при этом мощности гетеродинного и
сигнального источников были малы и не влияли на положение рабочей точки
релаксации электронной подсистемы в этом
. Путем нагрева
c
T
. На рис. 23
c
67
при фиксированном напряжении смещения на образце. Вторым критерием
выбора рабочей точки служило хорошее значение сигнал-шум. Напряжение
смещения на смесителе должно быть достаточно низким, в этом случае
протекающий через мостик ток
саморазогрева постоянным током смещения будет незначителен
I0 мал, следовательно, вклад эффекта
2
1
ICC .
00
Рис. 17. Температурная зависимость сопротивления смесителя, на основе
сверхпроводящей пленки NbZr толщиной 50нм
Таким образом, можно пренебречь влиянием эффекта
термоэлектрической обратной связи по постоянному току, который приводит
к изменению времени релаксации электронной температуры и соответственно
полосы ПЧ смесителя. Полоса ПЧ смесителя при физической температуре,
близкой к критической, определяется только соотношением времён
и
, что позволяет проще интерпретировать полученные нами результаты.
es
68
,
phe
ph e
Рис. 18. Вольтамперная характеристика смесителя на основе сверхпроводящей
пленки NbZr при различных температурах, дополнительно представлен участок
ВАХ с выбранной рабочей точкой
В силу всего сказанного выше полоса преобразования смесителя на
эффекте электронного разогрева будет зависеть как от температуры, в силу
зависимости от температуры времени электрон-фононного взаимодействия,
так и от толщины сверхпроводниковой плёнки, из-за ее зависимости от
времени ухода неравновесных фононов в подложку, а также от акустического
согласования между материалами сверхпроводящей
плёнки и подложки.
На рис. 24 представлены результаты измерения полосы преобразования
смесителей, на основе сверхпроводниковых пленок NbZr различной
толщины: 10 нм, 20 нм и 50 нм. Типичный размер чувствительного элемента
во всех случаях составлял примерно 1 мкм в ширину и 10 мкм в длину. В
рамках модели однородного электронного разогрева зависимость выходной
мощности
P(fIF) HEB смесителя от промежуточной частоты f
)0(
P
)(
fP
IF
, (41)
2
)(1
ff
dBIF
3
выглядит как:
IF
69
где P(0) – мощность на выходе смесителя при нулевом значении fIF, f
3dB
–
частота, на которой выходная мощность сигнала ПЧ спадает на 3дБ.
Сплошными линиями на рис. 24 показаны результаты аппроксимации
данных, полученных в наших экспериментах, при помощи выражения (41).
Рис. 19. Частотные зависимости сигнала ПЧ для смесителей на основе
сверхпроводниковых пленок NbZr различной толщины (●-10 нм, ▲-20 нм и ■-
50 нм). Линиями показаны теоретические кривые, метки в виде стрелок
соответствуют значениям f
3dB
Стрелками указанны частоты соответствующие 3дБ уменьшению
мощности сигнала на выходе смесителя, которые составили 0.45 ГГц,
0.23 ГГц и 0.12 ГГц для мостиков с толщинами 10 нм, 20 нм и 50 нм,
соответственно. Из полученных значений f
энергетической релаксации τ
для смесителей на основе сверхпроводниковой
b
пленки NbZr, работающих в качестве болометра. Значение τ
частоты f
3dB
как:
1
b
. (42)
f
2
3dB
70
мы можем оценить время
3dB
зависит от
b
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]