利用Fabry-Perot谐振腔和介质谐振天线实现约瑟夫森结-中国科学.PDF

中国科学: 物理学 力学 天文学 2010 年 第40 卷 第9 期: 1079 ~ 1084 SCIENTIA SINICA Phys, Mech Astron SCIENCE CHINA PRESS 论 文 利用Fabry-Perot 谐振腔和介质谐振天线实现 约瑟夫森结阵列的自辐射 ①* ① ① ① ①② ① ① ① 王争 , 岳宏卫 , 樊彬 , 赵新杰 , 宋凤斌 , 何明 , 季鲁 , 阎少林 , ② KLUSHIN A M ①南开大学信息学院电子系, 天津300071; ②Institute of Bio- and Nanosystems and JARA Fundamentals of Future Information Technology, Forschungszentrum Jülich, D-52425 Jülich, Germany * E-mail: zhengw@, kingdomofwz@ 收稿日期: 2010-04-12; 接受日期: 2010-05-10 国家重点基础研究发展计划(编号: 2006CB601006)、国家高技术研究发展计划(编号: 2006AA03Z213, 2009AA03Z208)和高等学校博士 学科点专项科研基金(编号: 200800551009)资助项目 摘要 本文提出了一种利用Fabry-Perot 谐振腔和介质谐振天线, 同时集成偶极天线阵实现约瑟夫森结阵列 自辐射的方法. 在介质基片上制作集成偶极天线阵的双晶约瑟夫森结阵列, 并将其嵌入到Fabry-Perot 谐振腔 内. 将基片作为一介质谐振天线, 使其与 Fabry-Perot 谐振腔谐振在同一频率下, 从而通过高频电磁耦合机制 实现结之间以及结与外部微波电路之间的耦合. 文中分别进行了数值仿真和实验研究. 对一个包含 166 个双 晶约瑟夫森结的结阵列进行了液氮温度时的测试, 在片外(off-chip)检测到了75.2 GHz, 10 pW 的辐射信号, 与 仿真结果吻合. 该方法为基于约瑟夫森效应的太赫兹(THz)源提供了一种可能. 关键词 约瑟夫森结阵列, 自辐射, 介质谐振天线, Fabry-Perot 谐振腔 PACS: 74.81.Fa, 85.25.Am, 78.90.+t, 07.05.Tp 基于半导体的太赫兹(THz, 1×1012 Hz)连续波辐 值; 此外, 单个约瑟夫森结的阻抗极小, 大约为 1 Ω, 射源已经得到了广泛、深入的研究[1], 但由于半导体 因此很难实现与外电路的匹配. 解决以上两个问题 本身的能带特征, 始终无法产生0.5~1.5 THz 频段内 的办法是采用大规模的约瑟夫森结阵列, 并使其同 的信号[2,3]. 而约瑟夫森结(Josephson Junction)作为一 步振荡, 即相位锁定的结阵列. 种理想的电压-频率转换器为开发这个频段内的信号 为了实现相位锁定, 需要使所有的结与外部电 源提供了可能. 根据约瑟夫森效应(f =2eV /h=483.6 路产生均匀的耦合, 然而随着结数量的增加这将变 J J GHz/mV, VJ 为结两端的电压), 当一个约瑟夫森结两 得非常困难. 多种方法已被提出用来实现结阵列与 端施加的电压达到毫伏量级时, 在结内部就能产生 外部电路的耦合. 常用的包括利用微带线[4] 、薄膜谐 太赫兹频率的交