[發明專利]一種約瑟夫森行波放大器及其制備方法

在審

• 申請號: 202010524020.4
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111641397A
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 薛光明;于海峰;金貽榮
• 申請（專利權）人: 北京量子信息科學研究院
• 主分類號: H03F7/04
• 分類號: H03F7/04
• 代理公司: 北京卓特專利代理事務所(普通合伙) 11572
• 代理人: 陳變花

本申請公開一種約瑟夫森行波放大器及其制備方法。所述約瑟夫森行波放大器包括兩層金屬層和中間介質層；第一金屬層為鋁薄膜，使用紫外光刻制備電容的下面板、電感和地平面；第二金屬層使用雙角度蒸發制備約瑟夫森結和電容的上面板；中間介質層使用單原子層沉積生長的氧化鋁薄膜，完全覆蓋第一金屬層；多個約瑟夫森結構成傳輸線，傳輸線兩端分別構成約瑟夫森行波放大器輸入端口和輸出端口；每個約瑟夫森結之間用平板電容與地連接，并在傳輸線彎折處采用共面波導線連接。采用本申請提供的約瑟夫森行波放大器能夠減少材料損耗，簡化制備工藝，提高器件制備的成品率。

技術領域

本申請涉及放大器制備技術領域，尤其涉及一種約瑟夫森行波放大器及其制備方法。

背景技術

約瑟夫森行波放大器是利用約瑟夫森結作為非線性電感元件實現參量放大的器件。器件由超導電路和約瑟夫森結構成，具有噪聲低、體積小、效率高和穩定性好等優點，其工作范圍一般在3-10GHz。

利用約瑟夫森結構成放大器的方案有很多種，行波放大器具有以下優點：1.增益在20dB以上的帶寬可以達到3GHz。2.由于輸出和輸入端口分開，不需要額外增加環形器來隔離輸入和輸出信號。3.可以串聯使用，增大增益。4.驅動微波與信號傳播方向必須相同，避免了驅動微波反射的問題。在微弱信號的測量有非常重要的應用，約瑟夫森行波放大器的噪聲可以接近量子極限，用于測量數個微波光子的信號。

然而現有的約瑟夫森行波放大器結構復雜，所用材料種類較多、且制備工藝也需要非常嚴格的納米加工技術和低損耗絕緣材料，一般實驗室很難加工?；诖?，亟需一種結構簡單、所用材料較少且器件尺寸較小，且制備工藝相對簡單的約瑟夫森行波放大器。

發明內容

本申請提供了一種約瑟夫森行波放大器，包括兩層金屬層和中間介質層；

第一金屬層為鋁薄膜，使用紫外光刻制備電容的下面板、電感和地平面；第二金屬層使用雙角度蒸發制備約瑟夫森結和電容的上面板；中間介質層使用單原子層沉積生長的氧化鋁薄膜，完全覆蓋第一金屬層；

多個約瑟夫森結構成傳輸線，傳輸線兩端分別構成約瑟夫森行波放大器輸入端口和輸出端口；每個約瑟夫森結之間用平板電容與地連接，并在傳輸線彎折處采用共面波導線連接。

如上所述的約瑟夫森行波放大器，其中，每三個約瑟夫森結構成一個單元，每個單元均包括LC諧振腔、三個約瑟夫森結和四個耦合電容；其中三個耦合電容用于形成傳輸線對地電容，保證傳輸線上的阻抗為50Ω，另外一個耦合電容用來形成傳輸線與LC諧振腔的耦合，實現單獨控制諧振腔與傳輸線耦合的大小。

如上所述的約瑟夫森行波放大器，其中，LC諧振腔由一個電感和兩個電容構成。

如上所述的約瑟夫森行波放大器，其中，約瑟夫森結的電感和平板電容匹配，保證傳輸線上的阻抗為50Ω。

如上所述的約瑟夫森行波放大器，其中，在輸入端口輸入需要放大的微弱信號微波和驅動微波，在輸出端口輸出經過放大的信號微波；驅動微波要遠遠強于信號微波，在輸入端口使用定向耦合器，直通端口接入放大器中，輸入端口接信號微波，在耦合端口接入驅動微波，由此將信號和驅動微波隔離起來，避免強驅動微波反射入信號微波端口，對信號微波造成干擾。

本申請還提供一種約瑟夫森行波放大器的制備方法，包括：

準備基片，旋涂雙層光刻膠，使用紫外光刻機曝光所需圖像，顯影后制作薄膜；

使用電子束蒸發沉積鋁薄膜，用剝離工藝去掉光刻膠及其上的鋁薄膜，完成圖形的轉移，完成地平面、電感和電容的下平板；

使用單原子層沉積設備制備氧化鋁薄膜，使用高溫生長方法，得到高密度，低損耗的介質層薄膜，介質層完全覆蓋第一層金屬薄膜；

雙角度蒸發約瑟夫森結第一層鋁薄膜，然后放入氧化腔體中熱氧化形成約瑟夫森結的絕緣層；