YBa2Cu3O7高温超导双晶约瑟夫森结阵列毫米波辐射特性

刘新英，岳宏卫，谢清连，邓进丽，肖功利

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林　541004；2.广西师范学院 物理与电子工程学院，南宁 530001)

YBa2Cu3O7高温超导双晶约瑟夫森结阵列毫米波辐射特性

刘新英1，岳宏卫1，谢清连2，邓进丽1，肖功利1

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004；2.广西师范学院 物理与电子工程学院，南宁 530001)

摘要：针对高温超导约瑟夫森结器件的电磁辐射效率低、实用性差的问题，采用嵌入Quasi-Optical谐振腔的方式，研究YBa2Cu3O7高温超导双晶约瑟夫森结阵列的毫米波辐射特性。将基片作为介质谐振器，通过双晶约瑟森结阵列、介质谐振器和Quasi-Optical谐振腔的共同谐振作用加强了结阵列与外部微波电路的耦合。使用混频检测技术，在78.6 K温度下，实验制备并测量了由644个双晶约瑟夫森结组成的串联结阵列的毫米波辐射特性，得到辐射峰的中心频率为69.3 GHz，检测到的辐射功率约为20 pW，提高了辐射效率。

关键词：高温超导薄膜；Quasi-Optical谐振腔；约瑟夫森结；Shapiro台阶

自从高温超导体发现以来，高温超导约瑟夫森(Josephson)结的辐射特性及其应用一直是国际上的一个研究热点[1]。根据交流约瑟夫森频率电压关系

其中磁通量子Φ0=h/2e，在结两端加几毫伏的电压，就可以得到毫米波甚至太赫兹电磁波辐射，且电压与频率具有一一对应关系。由于约瑟夫森结具有低噪声、低功耗、高灵敏度、高工作频率和频率连续可调等优点，是一种特性优良的高频波信号源，获得了广泛的研究和应用[2-3]。

由于单个约瑟夫森结的临界电流及结电阻很小，很难与外部微波电路实现阻抗匹配，使得能够检测到的辐射功率很小，无实用价值。提高超导结器件辐射功率的一个有效方法是采用串联多个约瑟夫森结。研究表明，在相位锁定的条件下，串联约瑟夫森结阵列的辐射功率与串联结数N成正比，而辐射线宽与N成反比[4]，同时串联约瑟夫森结阵列具有较大的结电阻，能有效改善结器件与外部微波电路的阻抗匹配，从而提高结器件的电磁辐射检测功率。但要实现大数目的双晶串联结阵列的相位锁定，从而产生相干辐射，还比较困难，需要对制结工艺及结器件与外部微波检测电路的电磁耦合问题进行深入研究。1997年，日本的Lee等[5]实现了5个串联双晶约瑟夫森结阵列的相干辐射。2010年，岳宏卫等[6]观测到由166个结组成的串联双晶约瑟夫森结阵列的毫米波辐射。基于此，研究在78.6 K液氮工作温度下，嵌入到Quasi-Optical耦合系统的644个串联双晶约瑟夫森结阵列的毫米波辐射特性，观测到了69.3 GHz的电磁辐射，并检测到约20 pW的辐射功率。

1实验方法

1.1制备双晶约瑟夫森结阵列

实验使用的基片是双晶钇稳定氧化锆(YSZ)，晶界错位角24°，误差为±1°，尺寸大小为10 mm×10 mm×0.5 mm。为防止界面反应，在YSZ基片上沉积YBa2Cu3O7(YBCO)高温超导薄膜之前，先在其上制作一层10 nm的Y2O3缓冲层，然后再沉积300 nm的YBCO薄膜[7]。使用标准光刻工艺和Ar+离子刻蚀技术，沿晶界方向制作一系列串联的微桥，从而得到串联的双晶约瑟夫森结阵列。图1为集成有样品的样品台，其中包含了本实验所设计的644个串联双晶约瑟夫森结阵列局部光学显微照片。在光学显微照片中，黑色的微带是YBCO超导薄膜，灰色部分是YSZ基片，白色虚线为双晶YSZ基片的晶界。

图1　样品台Fig.1　Sample holder

1.2Quasi-Optical耦合检测系统

Fabry-Perot(FP)谐振腔工作在TEM00q基模模式时，腔内电磁场分布具有高斯光束的形式，在近轴区域的电磁场近似于空间平面波，且电磁能量聚集于束腰位置，这种特点的场分布非常适合研究超导结器件的微波辐射特性[6,8]，因此采用FP谐振腔作为微波耦合检测系统的核心部件[9]。但在研究超导结器件的微波辐射特性时，由于喇叭天线更有利于收集结器件辐射的电磁波，采用喇叭天线代替FP谐振腔中的半球面镜，与平面反射镜一起构成Quasi-Optical谐振腔。图2为构建的高温超导约瑟夫森结器件毫米波辐射Quasi-Optical耦合检测系统示意图。

图2　检测系统示意图Fig.2　Measurement system

该检测系统由Quasi-Optical谐振腔、隔离器、混频器、增益为64.5 dB的中频放大器和灵敏度为16.4 mV/μW的平方律检测器组成。其中Quasi-Optical谐振腔是检测系统的核心部件，由一个喇叭天线和一个平面镜组成，其间距可微调，通过谐振作用实现超导结器件电磁辐射的耦合输出。Quasi-Optical谐振腔与调节系统、传输波导管等部件集成后密封在不锈钢圆筒中，构成一个测试棒。把样品嵌入Quasi-Optical谐振腔，并把测试棒浸入盛有液氮的杜瓦瓶，使结器件工作在温度为78.6 K的液氮中，通过螺旋测微器微调喇叭天线与平面镜的距离，旋转波导管来改变Quasi-Optical谐振腔中电场的偏振方向及结器件晶界的角度，使超导结器件与外部微波检测电路达到最佳耦合状态。实验时，为了保证超导结器件在多次冷热交替下表面不结水珠，在密封的不锈钢圆筒中充满高纯氦气。另外，本振信号是由一个8～10 GHz基准信号源经8倍频后得到。超导结器件的电流-电压(I-V)特性曲线用四引线法测量。I-V特性测量系统由检测电路、超导结器件、样品台、示波器和PC组成，对结器件的特性进行检测和记录。测试结果在示波器上显示，便于实验的观测及对耦合参数微调。为保证结器件辐射信号不受外部电磁波干扰，所有测试均在金属屏蔽室内进行。

2仿真

相位锁定和提高结器件与外部微波检测系统的耦合强度是提高串联双晶约瑟夫森结阵列电磁辐射功率的2个有效途径。为了改善超导结器件与外部微波电路的耦合，将基片当作介质谐振器，通过串联结阵列、介质谐振器和Quasi-Optical谐振腔三者的共同作用来加强结器件与外部微波电路的耦合强度。

采用CST软件仿真Quasi-Optical谐振腔及介质基片内部的电磁场分布。仿真模型与实物尺寸一致。通过多次优化设计模型的结构参数，实现了Quasi-Optical谐振腔和介质谐振器(即基片)的共同谐振。图3(a)为嵌入基片后的Quasi-Optical谐振腔及介质基片在频率f=68GHz时沿x轴方向的电场强度分布，图3(b)为Quasi-Optical谐振腔的S11曲线。从图3可看出，Quasi-Optical谐振腔和基片在68 GHz频率都工作在某一谐振模式，基片与Quasi-Optical谐振腔的耦合程度较好。

图3　Quasi-Optical谐振腔仿真结果Fig.3　The simulation result of Quasi-Optical resonator

频率为68 GHz时，串联约瑟夫森结表面感应电流分布如图4所示。建模时，用理想电导体代替高温超导薄膜，交流电流源作为激励源。

图4　串联约瑟夫森结的表面感应电流分布Fig.4　The distribution of surface induction current in series-connected Josephson junction

图4中，浅色微带表示超导基片，深灰色的微带表示YBCO超导薄膜，中间深色三角表示交流电流源(用来代替约瑟夫森结)。浅色箭头的方向表示表面电流的流向，表面电流的大小与其颜色的深浅对应。从图4可看出，在频率68 GHz，各结上的表面感应电流流向一致，且感应电流主要集中在双晶结阵列的结区附近，为双晶结阵列提供了一个较强的交流偏置，有利于实现结阵列的相位锁定。

3实验结果和分析

3.1毫米波辐照特性

测量超导结器件毫米波辐照特性的目的在于检查结器件与外部微波电路的耦合度。理论和实验研究都证明超导约瑟夫森结器件在外加微波辐照下，会产生微波感应台阶，即Shapiro台阶[10]。图5为在温度T=78.6 K条件下，644个串联双晶约瑟夫森结阵列的毫米波辐照特性曲线。图5中a为无外加辐照时的I-V特性曲线，b为在外加频率f=68 GHz毫米波辐照下的I-V特性曲线，图5左上角是零电压附近曲线的放大图。从曲线a可看出，此结阵列的临界电流IC=0.73 mA，结阵列的总电阻为138.7 Ω，改善了结阵列与外部电路的阻抗匹配。从曲线b可看出，在外加68 GHz毫米波辐照下，零台阶受到明显的压制，几乎被压制到零，同时第一级Shapiro台阶高度达到最大，说明此时结阵列与外部微波电路达到最佳耦合状态。第一级Shapiro台阶处的电压为90.6 mV，满足约瑟夫森关系

其中：e为电子电量；h为普朗克常数；n为台阶级数；N为串联结的个数；f为外加微波频率。

图5　644个串联双晶约瑟夫森结的毫米波辐照特性曲线Fig.5　Millimeter-wave radiation characteristics of 644 series-connected bicrystal Josephson junctions

3.2毫米波辐射特性

在系统处于最佳耦合状态下，保持样品和喇叭天线的位置不变，固定本振频率，缓慢扫描通过结阵列的电流，测得结阵列的毫米波辐射特性曲线如图6所示。图6中曲线c为在温度T=78.6K条件下，644个串联双晶约瑟夫森结阵列发生辐射时，由平方律检测器检测到的中频电压曲线。从曲线c可观察到2个明显的对称辐射峰，在结阵列两端电压为90.6 mV处，电磁波辐射功率达到最大值，中频输出电压的峰值VIF,max=330 mV，根据中频放大器增益(64.5 dB)和平方律检测器的灵敏度，计算出结阵列的辐射功率约为20 pW。为了说明辐射峰位置与系统的耦合关系，图6中还加入了结阵列在没有外加辐照时的I-V特性曲线(曲线a)和在最佳耦合状态下串联双晶约瑟夫森结阵列在68GHz的外加毫米波辐照下的I-V特性曲线(曲线b)。由图6可知，辐射最强时结阵列所处的位置正是其与外部微波系统耦合最好时的位置，但辐射线宽较大，说明结阵列并未实现完全的相位锁定，这可能是由于结参数的不一致性和热噪声等因素的影响所致。

4结束语

通过构建高温超导约瑟夫森结器件毫米波辐射Quasi-Optical耦合检测系统，实验制备由644个双晶结组成的结阵列，采用混频检测技术测量了结阵列的毫米波辐射特性。在78.6 K温度下，检测到2个对称的辐射峰，辐射峰的中心频率为69.3 GHz，辐射功率达到20 pW量级。为进一步研究高温超导约瑟夫森结器件作为太赫兹信号源打下了良好的基础，也为实现毫米波固体频率源在航空航天、医疗诊断等领域的应用提供了可能。

参考文献:

[1]KLUSHIN A M,HE Ming,LEVITCHEV M Y,et al.Optimization of the coupling of mm wave power to arrays of high-Tc Josephson junctions[C]//Journal of Physics: Conference Series,2008:174-176.

[2]尤育新，赵志月，王进，等.高温超导体中约瑟夫森涡旋流阻的振荡效应[J].物理学报，2008,57(11):7252-7256.

[3]ZHOU Tiege,SONG Fengbin.The model of capacitively coupled intrinsic Josephson junction array and its chaotic behavior[J].Acta Physica Sinica,2007,56(11):6307-6314.

[4]SONG Fengbin,LEVITCHEV M Y,MARKELOV V A,et al.Milli-meter wavelength radiation from arrays of discrete high-temperature superconductor Josephson junctions[J].Superconductor Science and Technology,2010,23(3):34026-340316.

[5]LEE K,IGUCHI I,KIM J,et al.Millimeter-wave self radiation from high-Tc Josephson junction arrays[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,1997,7(2):3399-3402.

[6]岳宏卫，王争，樊彬，等.高温超导双晶约瑟夫森结阵列毫米波相干辐射[J].物理学报，2010,59(8):5755-5758.

[7]何明，宋凤斌，岳宏卫，等.高温超导约瑟夫森结阵列的相位锁定[J].低温与超导，2008,36(3):1-3.

[8]王福音，宋凤斌，杨扬，等.亚毫米波频段的法布里-珀罗谐振器仿真[J].系统仿真学报，2009(17):5582-5585.

[9]岳宏卫，谢清连，韦保林，等.嵌入Fabry-Perot谐振腔的Tl-2212双晶约瑟夫森结的特性[J].广西师范大学学报(自然科学版)，2011,29(2):10-14.

[10]SHAPIRO S.Josephson currents in superconducting tunneling: the effect of microwaves and other observations[J]. Physical Review Letters,1963,11(2):80-82.

编辑：张所滨

Millimeter-wave radiation characteristics of YBa2Cu3O7high temperature superconducting bicrystal Josephson junction arrays

LIU Xinying1, YUE Hongwei1, XIE Qinglian2, DENG Jinli1, XIAO Gongli1

(1.School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2.College of Physics and Electronic Engineering, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

Abstract：In view of the low efficiency and practicability of the electromagnetic radiation of high temperature superconducting Josephson junction devices, the millimeter-wave radiation characteristics of YBa2Cu3O7 high temperature superconducting bicrystal Josephson junction arrays embedded in a Quasi-Optical resonator is studied.The substrate is taken as a dielectric resonator, the high-frequency electromagnetic coupling between Josephson junction arrays and external microwave circuits is improved by the interaction of Josephson junction arrays, the dielectric resonator and Quasi-Optical resonator. The radiation properties of serial arrays containing 644 bicrystal Josephson junctions are measured by superheterodyne technology at the temperature of 78.6 K,and the detected radiation power is approximately 20 pW at the central frequency of 69.3 GHz. The radiation efficiency is improved.

Key words：high temperature superconducting thin film; Quasi-Optical resonator; Josephson junction; Shapiro step

收稿日期：2015-12-26

基金项目：国家自然科学基金(11264009，61465004)；广西自然科学基金(2015GXNSFDA139001)；广西高校新型电功能材料重点实验室开放基金(EFM201402)；桂林电子科技大学研究生教育创新计划(YJCXS201514)

通信作者：岳宏卫(1967-)，男，广西贺州人，副教授，博士，研究方向为超导电子学器件与毫米波源。E-mail:guetyhw@163.com

中图分类号：O511+.9

文献标志码：A

文章编号：1673-808X(2016)02-0169-04

引文格式： 刘新英，岳宏卫，谢清连，等.YBa2Cu3O7高温超导双晶约瑟夫森结阵列毫米波辐射特性[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(2):169-172.