Активный сверхпроводящий детектор Российский патент 2023 года по МПК H01L23/00 

Изобретение относится к области техники электросвязи и измерительной техники, в частности к радиометрическим тепловым сенсорам на основе сверхпроводимости, и может применяться как для регистрации и измерения мощности сверхмалых электрических сигналов, так и системах дистанционного термодинамического контроля, в том числе в изображающих сенсорах в области миллиметровых, субмиллиметровых и инфракрасных волн в радиоастрономии и для систем поддержания общественной безопасности.

Изобретение является синтезом нескольких весьма близких аналогов и устройства-прототипа. Изобретение призвано, в первую очередь, реализовать теоретически возможные параметры сверхчувствительных сверхпроводящих детекторов с электронным газом для применения в матрицах для радио-видения, в том числе, в терагерцовом диапазоне частот.

Ближайшим аналогом изобретения по составу функциональных узлов является интегральное устройство, описанное в работе (Boris S. Karasik, Peter K. Day, Jonathan H. Kawamura, Bruce Bumble, and Henry G. LeDuc, Multiplexing of Hot Electron Nanobolometers Using Microwave SQUIDs, Proc. AIP Conference 1185, 257 (2009), doi: 10.1063/1.3292327). Данный аналог на уровне пикселя выполнен в виде интегральной структуры на одном чипе и имеет несколько функциональных частей: (1) сверхпроводящий микрорезонатор СВЧ диапазона 10 ГГц, слабо связанный с линией возбуждения; (2) сверхпроводящий магнитный сенсор - сквид, содержащий два джозефсоновских контакта, включенных параллельно между собой в цепь микрорезонатора СВЧ; (3) болометрический сенсор терагерцовых волн на основе сверхпроводящего мостика с электронным газом при температуре близкой к температуре сверхпроводящего перехода, интегрированного с планарной антенной и с цепью смещения мостика постоянным напряжением; (4) индуктор магнитного поля, воздействующий на сквид и включенный в цепь смещения мостика.

Данный аналог на уровне пикселя функционирует следующим образом. Сигнал в диапазоне ТГц частот принимается планарной антенной, интегрированной с мостиком, что приводит к генерации квазичастиц и разогреву электронной подсистемы в мостике. Такой разогрев приводит к изменению (возрастанию) импеданса мостика, меняя ток в его цепи; вследствие изменения этого тока индуктор, меняет магнитное поле, воздействующее на сквид. Под действием изменившегося магнитного поля сквид, включенный последовательно в токовую цепь резонатора, меняет свой комплексный импеданс, меняя частоту и добротность всего резонатора. Для регистрации изменения добротности в линию возбуждения резонатора подается фиксированная мощность на частоте в полосе резонатора (зондирующий сигнал). Полоса резонатора определяет полосу частот для селекции отклика данного пикселя. Вследствие изменения параметров резонатора в полосе селекции меняется коэффициент пропускания линии возбуждения. На выходе линии возбуждения установлен охлаждаемый полупроводниковый усилитель и измеритель мощности, которые позволяют измерять вариации пропускания линии в полосе частот селекции пикселя и сопоставлять такое изменение с мощностью терагерцового сигнала, принятого антенной. К линии возбуждения может быть последовательно соединено определенное число аналогичных пикселей с резонаторами, настроенными так, что их полосы не перекрываются. Это позволяет сформировать так называемую матрицу с частотной селекцией пикселя: возможен независимый и одновременный анализ сигналов, принятых разными пикселями, что аналогично одновременному приему информации от нескольких эфирных вещателей.

Техническим результатом вышеописанного устройства-аналога является увеличение возможного числа сенсоров на основе разогрева электронного газа в составе изображающей матрицы с частотным мультиплексированием. Такой результат достигается за счет перехода частотного диапазона селекции от диапазона кГц к диапазону ГГц, то есть к диапазону СВЧ, когда, согласно теории коммуникаций, в относительно узком диапазоне частот можно разместить большее число информационных каналов, а также использовать серийные охлаждаемые полупроводниковые усилители СВЧ, отказавшись от дорогостоящих и капризных сквид-усилителей низких частот.

Технический результат в аналоге достигается за счет опосредованного воздействия разогреваемого мостика на СВЧ резонатор за счет промежуточного сенсора - сквида, интегрированного в каждый пиксель и выполняющего функцию СВЧ модулятора, управляемого относительно медленным сенсором ТГц частот (мостиком). Это позволяет обойти проблему прямого взаимодействия мостика с СВЧ резонатором, так как авторы аналога считают, что мостик с электронным газом вблизи критической температуры теряет нелинейные свойства на СВЧ. В отличие от мостика с электронным газом, сквид сохраняет нелинейный импеданс на СВЧ до частот порядка 0,1 ТГц, преобразуя вариации тока в мостике в вариации мощности в линии возбуждения/считывания резонатора. При этом мостик в каждом пикселе смещается индивидуальным источником на постоянном (низкочастотном) напряжении, а отклик пикселя на ТГц-воздействие решистрируется при демодуляции в полосе частот СВЧ-резонатора этого пикселя.

Недостатками аналога следует считать (1) наличие цепи постоянного тока, соединенной с наиболее чувствительным элементом пикселя (с мостиком). Это связано с известной проблемой фильтрации помех, в особенности эффектов, связанных с фликкер-шумом; (2) отклик резонатора на максимальную модуляцию импеданса сквида оказался относительно мал; (3) добротность резонатора, определяющая ширину полосу частот занятую пикселем, оказывается невысокой, что, по-видимому, связано с импедансом сквида и способом его включения в резонатор; (4) реактивный характер вариации импеданса сквида приводит к сдвигу центральной частоты резонатора под действием сигнала, что означает сильный вклад (неизбежных) фазовых и частотных шумов опорного генератора в отклик пикселя.

Другим аналогом, релевантным данному изобретению, является детектор на основе наноболометра с горячими электронами в нормальном металле, использующий регистрацию термодинамического шума на низких (гигагерцовых) частотах (В.S. Karasik, С.В. McKitterick, Т. J. Reck, D.E. Prober. Normal Metal Hot-Electron Nanobolometer with Johnson Noise Thermometry Readout, https://arxiv.org/abs/1411.1118). Устройство на уровне пикселя также содержит мостик, включенный в планарную антенну и резонатор. На уровне матрицы используется суммирующая линия передачи СВЧ и общий параметрический усилитель.

Данный аналог функционирует следующим образом. Разогрев мостика сопровождается увеличением шумового напряжения на мостике. Шумовой сигнал фильтруется резонатором и подается в качестве одного из слагаемых в общую линию, передающую сигнал со всех пикселей на чувствительный усилитель. После усиления производится анализ интенсивности спектра в частотных интервалах, соответствующих разным пикселям (резонаторам).

Технический результат, достигаемый в данном аналоге, заключается также, как и в первом аналоге, в увеличении возможного числа сенсоров на одной общей линии считывания за счет перехода частотного диапазона селекции от килогерцовых частот к диапазону СВЧ, а также в предельном упрощении конструкции возможной матрицы таких сенсоров: генератор в линии и сквид-сенсор отсутствуют, а резонатор выступает в роли узкополосного фильтра между пикселем и сверхмалошумящим параметрическим усилителем.

Технический результат в аналоге достигается за счет использования классического принципа резонансного согласования. Индивидуальные резонаторы выступают в роли трансформаторов импеданса, согласующих импеданс мостиков с импедансом линии, канализирующей сигналы всех пикселей на вход сверхмалошумящего параметрического усилителя. В данном аналоге нас интересует, в первую очередь, передача сигнала с мостика на усилитель, а также концепция использования параметрического усилителя.

К недостаткам данного аналога можно отнести следующее: (1) селекция полосы шума высокодобротным резонатором означает ограничение интегральной мощности шума, получаемой от пикселя, при фиксированном разогреве ТГц излучением; это на порядки снижает КПД пикселя, которое можно определить как отношением мощности шума, переданной в усилитель в полосе резонатора, к мощности разогрева в полосе приемной терагерцовой антенны; (2) малая интегральная мощность шумового сигнала на выходе сенсора предъявляет не только чрезвычайно высокие требования к (параметрическому) усилителю, но и предполагает обязательное наличие второго полупроводникового охлаждаемого усилителя, без которого невозможно создание комнатного интерфейса с данным устройством; (3) увеличение температурной чувствительности такого болометрического пикселя невозможно без увеличения полосы резонатора, что неизбежно ведет к ограничению числа пикселей на одной общей линии. Создание параметрического усилителя, в котором отсутствует компромисс между чувствительностью и шириной полосы является отдельной научно-технической проблемой. При практической реализации аналога для килопиксельной матрицы, скорее всего, потребуется несколько параллельных каналов (несколько параметрических усилителей), что может, несмотря на предельную простоту самой матрицы, чересчур усложнить устройство матричного регистратора. Ни параметрический усилитель, ни способ его согласования с общей линией матрицы для данного аналога не обсуждаются.

В качестве третьего аналога можно рассмотрим детектор-прототип, описанный и испытанный в работе (А.В. Меренков, Т.М. Ким, В.И. Чичков, С.В. Калинкин, С.В. Шитов. Сверхпроводящий болометрический детектор с высокочастотным считыванием при температуре 400 mK. Физика твердого тела. 2022. Т. 64, вып. 10. С. 1404-1411. DOI: 10.21883/FTT.2022.10.53081.50НН). Данный сверхпроводящий болометрический детектор, представляет собой интегральную планарную структуру, изготовленную на диэлектрической подложке и содержащую следующие части: четвертьволновой резонатор на основе сверхпроводящей планарной передающей линии СВЧ, сверхпроводящий пленочный микромостик с электронным газом при температуре близкой к температуре сверхпроводящего перехода, включенный в токовый разрыв резонатора, планарную антенну, согласованную с мостиком в полосе частот приема планарной антенны, отрезок линии передачи СВЧ для возбуждения/считывания резонатора с контактами для подключения внешнего генератора СВЧ. Все вышеперечисленные узлы являются типовыми для сверхпроводящих детекторов с частотной селекцией пикселей. Отличительной чертой данного аналога является способ подключения резонатора к мостику и к линии возбуждения/считывания, что позволяет решить проблему включения мостика с «удобным» импедансом в диапазоне 0,1-10 Ом прямо в резонатор без дополнительного трансдюсера и источника смещения постоянным током, как это сделано в первом аналоге.

Данный аналог функционирует следующим образом. Терагерцовый сигнал разогревает микромостик с электронным газом, находящийся при температуре вблизи температуры сверхпроводящего перехода. Как и в первом аналоге, разогрев мостика меняет добротность СВЧ резонатора, который связан с линией возбуждения/считывания в диапазоне частот резонатора. Принципиальным отличием является прямое воздействие импеданса мостика на добротность резонатора.

Технический результат, достигаемый в данном аналоге, по сравнению с первым аналогом заключается в упрощении конструкции, позволяющей использовать мостик с «удобным» импедансом в диапазоне 0,1-10 Ом, включая его в резонатор без дополнительного трансдюсера и без использования устройства смещения постоянным напряжением. Параметрический усилитель, в принципе, может быть использован вместо полупроводникового, но вопрос широкополосности такого усилителя для большой матрицы остается проблемой.

Технический результат по согласованию относительно высокоомного мостика в данном аналоге достигается за счет использования принципа частичного включения нагрузки в резонатор, что позволяет управлять уровнем рассеиваемой мощности и поддерживать высокую добротность независимо от импеданса мостика. Известно, что небольшой сегмент вблизи открытого конца планарного резонатора можно рассматривать как небольшую часть полной электрической емкости, определяющей частоту резонатора. Мысленно отсечем такой сегмент, назовем его «концевой» емкость C_b, считая, что

где C_b - концевая емкость резонатора;

C_R - полная емкость резонатора.

Согласно закону Кирхгофа, ток, который проходит по сечению проводника резонатора, отделяющему концевую емкость, равен токам смещения, текущим через саму концевую емкость. Если включить мостик с сопротивлением R_b в этот разрыв, то эквивалентное значение активного импеданса, r_b, включенного в резонатор, можно рассчитать, используя комплексный импеданс параллельно и последовательно включенных элементов цепи, и этот импеданс окажется на порядки меньше сопротивления мостика:

где r_b - эквивалентное значение потерь, вносимых мостиком;

R_b - сопротивление мостика.

Физически это означает, что омические потери, вносимые в резонатор произвольным R_b могут быть сделаны сколь угодно малыми, так как ток через R_b ограничен частичным значением C_b/C_R. Это и есть эффект частичного включения. Поскольку место включения мостика и терагерцовой антенны в данном аналоге привязано к открытому концу четвертьволнового резонатора, то участок возбуждения резонатора не может быть выполнен «традиционным» образом, как описано в первом аналоге и в работах по детекторам на кинетической индуктивности (Peter K Day, Henry G LeDuc, Benjamin A Mazin, Anastasios Vayonakis, Jonas Zmuidzinas. A broadband superconducting detector suitable for use in large arrays. Nature. 2003 Oct 23;425(6960):817-21 DOI:10.1038/nature02037), где резонатор возбуждается электрическим полем со стороны открытого конца за счет емкостного элемента связи. Резонатор в рассматриваемом аналоге возбуждается обратным путем - магнитным полем через общий индуктивный элемент связи.

Технический результат по прямому включению мостика с электронным газом в резонатор в данном аналоге основан также на правильном выборе частоты для возбуждения/считывания резонатора. Теория Маттиса-Бардина позволяет оценить сопротивление R_b(T) и крутизну сверхпроводящего перехода мостика, dR_b/dT, под воздействием СВЧ тока резонатора. Определив оптимальное сопротивление мостика, можно рассчитать точку включения такого нелинейного резистора в резонатор, как описано в работе (A. Kuzmin, S.V. Shitov, A. Scheuring, J.M. Meckbach, K.S. Il'in, S. Wuensch, A.V. Ustinov, M. Siegel. Development of TES Bolometers with High-Frequency Readout Circuit. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. January 2013. DOI:10.1109/TTHZ.2012.2236148). Экспериментальное исследование аналога-прототипа показало, что мостик с электронным газом может быть равно чувствителен к разогреву током антенны (ТГц частоты) и СВЧ-током резонатора (ГГц частоты, или RF). При этом на RF частотах мостик может сохранять нелинейность, аналогичную сенсору на сверхпроводящем переходе (TES). Эти свойства аналога позволили присвоить такой технологии детектирования название RFTES (Radio Frequency Transition Edge Sensor).

Преимуществом данного аналога является возможность использовать диапазон активных сопротивлений 0,1-10 Ом, сохраняя добротность резонатора Q на уровне 10⁴, а также малое влияние фазовых шумов генератора возбуждения/считывания резонатора. Принципиальное снижение влияние фазового и частотного шума генератора, используемого для возбуждения/считывания резонатора, объясняется активным импедансом мостика с электронным газом, что позволяет работать на центральной частоте резонатора, где отклик резонатора dP на изменение частоты df мал, то есть dP/df ≈ 0.

Обобщая вышесказанное, приведенные аналоги основаны на эффекте резонансного согласования нелинейного импеданса с линией вывода сигнала к усилителю. Недостатком RFTES, который был обнаружен в процессе экспериментальных исследований, явилась общая для аналогов проблема - недостаточно эффективная связь чипа, установленного на ступени 30 мК криостата растворения, с полупроводниковым усилителем, расположенном на некотором удалении - на ступени 3-К того же криостата. Такая конфигурация, несмотря на хорошее согласование на чипе, приводит к увеличению влияния шумов усилителя и тем самым ограничивает перспективы дальнейшего повышения чувствительности болометрических детекторов с электронным газом и СВЧ считыванием. В традиционной радиотехнике похожую проблему, возникающую из-за длинных кабелей между антенной и приемным устройством, решают путем близкого расположения антенны и высокочастотного предусилителя, называя эту конструкцию «активная антенна». Аналогично поступают для приема сигналов на спутниковую антенну (спутниковую «тарелку»), располагая рупорный блок детектора и усилитель в едином корпусе. Такую конструкцию активной антенны по-другому называют антенной с активным детектором. Для сверхпроводящих приемных устройств на практике используют полупроводниковые усилители. Насколько известно автору изобретения, универсальный сверхмалошумящий параметрический усилитель, упоминаемый во втором аналоге, в настоящее время еще не реализован. Подобный усилитель, установленный непосредственно около детектора/болометра на ступени 30 мК криостата растворения, должен обладать сверхмалым тепловыделением. В этой связи следует обратить внимание на СВЧ усилители на основе сквидов постоянного тока, которые являются параметрическими усилителями с джозефсоновской самонакакой, то есть не требуют ни дополнительного генератора, ни комнатной электроники в цепи обратной связи, что дает им преимущества перед низкочастотными сквид-усилителями, используемыми с TES и HEDD болометрами. Приемлемые параметры можно реализовать, например, с помощью параметрического усилителя СВЧ на основе ПТ-сквида, исследованного в работе (G.V. Prokopenko, S.V. Shitov, I.L. Lapitskaya, V.P. Koshelets, J. Mygind, "Dynamic Characteristics of S-band DC SQUID Amplifier", IEEE Trans. on Appl. Supercond., vol. 13, No 2, pp.1042-1045 (June 2003) DOI: 10.1109/TASC.2003.814146). Ожидаемые параметры усилителя, построенного по этим принципам, при физической температуре T_ph на рабочей частоте резонатора f [GHz] с добротностью резонатора Q могут быть следующими: усиление G ≈ 40/f, T_n ≈ 0.2T_ph, Δf ≈ f/Q.

Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в принципиальном улучшении связи сверхпроводящего терморезистивного датчика, например, мостика с электронным газом, с параметрическим усилителем, встроенным в пиксель, а также в технической простоте получения такого результата.

Технический результат достигается в изобретении путем использования нового решения по объединению сверхмалошумящего параметрического усилителя на основе ПТ-сквида в непосредственной близости от детектора. Это обеспечивает передачу полезного сигнала со сверхпроводящего терморезистивного сенсора, например, от мостика с электронным газом, к предусилителю практически без потерь, что аналогично известному радиотехническому принципу под названием «активный детектор». Такое решение позволяет практически снять ограничение по ширине полосы усиления большой матрицы с частотной селекцией.

Технический результат достигается в изобретении за счет того, что частотно-селективный резонатор детектора выполняет функцию согласующего трансформатора импеданса между терморезистивным сенсором, например, мостиком с электронным газом, и параметрическим сквид-предусилителем, обеспечивая максимально возможную передачу сигнала от сенсора на усилитель в пределах одного интегрального чипа. Сверхпроводящий мостик с антенной помещен в резонатор и функционирует так же, как описано в третьем аналоге (детектор-прототип). Принципиальное отличие изобретения от детектора-прототипа состоит в наличии двух дополнительных элементов: ПТ-сквида и сегмента резонатора - индуктора, создающего связь по магнитному полю между мостиком и входной петлей ПТ-сквида. Двухконтактный сквид выступает в роли узкополосного параметрического усилителя с входным импедансом порядка 1 Ом, что физически означает появление в резонаторе дополнительных потерь. При этом считывание сигнала с пикселя может производиться как с выхода ПТ-сквида, так и традиционно, с линии возбуждения резонатора.

Согласование мостика и усилителя использует рассмотренный выше принцип частичного включения потерь, который распространен на индуктивную часть резонатора. Если рассмотреть включение резистора параллельно малому сегменту общей индуктивности L_c, при выполнении следующих условий:

где L_c - индуктивность сегмента резонатора, связанная со сквидом;

L_R - полная индуктивность резонатора.

где R_sq - активный импеданс сквида;

ω - круговая частота резонатора.

При этих условиях эффективное сопротивление потерь включения сквида составит

Таким образом r_sq может быть сделано очень малым, много меньше входного импеданса сквида. Если на частоте резонатора подобрать параметры цепи так, чтобы выполнить условие равенства вносимых потерь от сквида и от мостика:

то мы реализуем условие полного согласования источника сигнала R_b и сквид-усилителя, R_sq. При этом связь резонатора с линией возбуждения может быть сделана малой, и потерями в резонаторе за счет этой связи можно пренебречь.

Изобретение поясняется чертежами, где представлены: на фиг. 1 общий вид чипа активного сверхпроводящего детектора, на фиг. 2 - эквивалентная электрическая схема, поясняющая согласование терморезистивного датчика и усилителя в составе чипа активного сверхпроводящего детектора.

Фиг. 1 иллюстрирует устройство чипа активного сверхпроводящего детектора, который включает в себя следующие элементы, обозначенные цифрами: диэлектрическая подложка 1, которая является оптически прозрачной на частотах принимаемого электромагнитного излучения и покрыта сплошным слоем сверхпроводящего металла, выполняющим роль СВЧ экрана, в котором сформированы остальные элементы устройства: резонатор 2, выполнен в виде четвертьволнового отрезка копланарного волновода, который закорочен на одном конце на экран, а в районе отрытого конца резонатора установлен терморезистивный мостик 3, согласованный с двухщелевой планарной антенной 4. Резонатор возбуждается линией 5, на которую с контактов 6 подается монохроматический сигнал в полосе резонатора, и которая имеет с резонатором общий проводник 7, через который осуществляется магнитная связь, а также остается возможность традиционного метода считывания с контактов 6, если встроенный параметрический усилитель выключен (находится в сверхпроводящей состоянии). Параметрический усилитель на основе ПТ-сквида состоит из индуктора 8, по которому протекает ток резонатора, и который создает магнитный поток в петлю сквида 9, куда включены два джозефсоновских контакта 10, имеющие средний вывод 11, на который подается токовое смещение и выводится усиленный сигнал. Концевая емкость резонатора 12 определяет коэффициент включения мостика в резонатор.

Фиг. 2 (а) иллюстрирует эквивалентную схему активного сверхпроводящего детектора: цифры на эквивалентной схеме соответствую цифрам на фиг. 1. Резонатор 2, нагруженный мостиком 3 с сопротивлением R_b, описывается емкостью C_R, концевой емкостью 12 (C_b), и индуктивностями L_R и 8 (L_c). Элементы терагерцовой антенны 4 не показаны, так как ее импеданс пренебрежимо мал на частотах в полосе резонатора. Линия возбуждения 5 с контактами 6 представлена лишь сегментом магнитной связи 7, величина которого не играет принципиальной роли в данном рассмотрении. Импеданс петли сквида 9 пренебрежимо мал по сравнению с импедансом джозефсоновских контактов 10. Выходная цепь сквида 11 не показана, так как она не влияет на работу схемы. Фиг. 2(б) иллюстрирует преобразование эквивалентной схемы с фиг. 2(a) в цепь с последовательным включением потерь, обозначенных резисторами r_sq и r_b. Параметры цепи выбираются так, чтобы эти эквивалентные потери в рабочем режиме были равны.

Изобретение реализуется методами, аналогичными тем, что применяются для большинства других микросхем СВЧ. На первом этапе производится расчет топологии с помощью одного из известных пакетов электромагнитного моделирования [Cadence AWR Microwave Office https://www.awr.com/awr-software/products/awr-design-environment, Ansys HFSS https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss и др.], исходя из желаемой полосы частот, а изготовление - с использованием стандартных приемов тонкопленочных технологий [Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - М.: Высш. шк., 1986. - 368 с., ил.]. На гладкую поверхность диэлектрической подложки 1, подходящей формы и предварительно очищенную, осаждается пленка 10-50 нм из материала, который проявляет эффект электронного газа, например, гафний, и формируется мостик 3. После мостика формируются более массивные компоненты схемы из пленок толщиной 100-200 нм: резонатор 2, антенна 4, линия возбуждения 5 с контактами 6 и участком связи с резонатором 7, индуктор резонатора со сквидом 8, петля сквида 9, а также контакт смещения сквида 11. Сверхпроводящие пленки осаждаются одним из известных методов: термическим испарением, магнетронным или электронно-лучевым осаждением в вакууме - это зависит от конкретных материалов. Сверхпроводящим материалом пленок может быть ниобий, алюминий, нитрид ниобия и др. Осажденные пленки подвергаются литографической обработке в условиях чистой зоны. Структура, включающая в себя мостик 3, тело резонатора и относительно массивные электроды могут быть сформированы с помощью процессов обратной литографии (lift-off), плазмохимического или жидкостного травления пленок с использованием полимерных масок, полученных методом оптической или электронно-лучевой литографии. Материал и морфология мостика 3 должны удовлетворять условию, что его критическая температура лежит ниже критической температуры подводящих электродов. Выбранный технологический процесс должен быть совместим с процессом изготовления ПТ-сквида, важнейшей частью которого являются джозефсоновские контакты 10. Туннельные джозефсоновские контакты сквида могут быть получены окислением поверхности алюминия в атмосфере чистого кислорода.

Преимущества изобретения состоят в улучшении чувствительности сверхпроводящего терморезистивного датчика до предела, разрешенного фундаментальными соотношениями для чувствительности детектора, а именно квантовыми флуктуациями регистрируемого излучения, а также в технической простоте получения такого результата. Условие узкополосного резонансного согласования между мостиком и усилителем гарантирует высокую степень помехозащищенности канала усиления. Изобретение позволяет реализовать максимально возможную передачу сигнала от сверхпроводящего терморезистивного мостика к предусилителю на основе ПТ-сквида, который может иметь собственные шумы вблизи квантового предела на частоте резонатора. Индивидуальный параметрический усилитель позволяет объединить виртуально неограниченное число пикселей без возникновения проблемы широкополосного усиления. В таком пикселе сохраняется возможность традиционного считывания с использованием линии возбуждения резонатора, куда можно подключить продвинутый полупроводниковый или параметрический усилитель. При этом встроенный усилитель можно отключить без потерь сигнала, переведя сквид в сверхпроводящее состояние.

Изобретение относится к области приема электромагнитных сигналов и может применяться для обнаружения сверхмалых сигналов в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, а также инфракрасного излучения, в том числе в радиоастрономии. Параметры устройства на конкретный частотный диапазон могут быть рассчитаны с применением стандартных методов электромагнитного моделирования, а чип изготовлен методами тонкопленочной технологии. Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в принципиальном улучшении чувствительности сверхпроводящего терморезистивного датчика вблизи фундаментального порога чувствительности детектора, ограниченного квантовыми флуктуациями регистрируемого излучения, а также в технической простоте получения такого результата. Технический результат достигается в изобретении за счет нового решения по интеграции сверхмалошумящего параметрического усилителя на основе ПТ-сквида в непосредственной близости от детектора. Это обеспечивает передачу полезного сигнала со сверхпроводящего терморезистивного сенсора к предусилителю практически без потерь, что аналогично радиотехническому принципу под названием «активный детектор». 2 ил.

Активный сверхпроводящий детектор, представляющий собой интегральную планарную структуру, изготовленную на диэлектрической подложке и содержащую следующие части: резонатор на основе сверхпроводящей планарной передающей линии СВЧ; терморезистивный пленочный мостик, включенный в токовый разрыв резонатора; планарную антенну, согласованную с мостиком в полосе частот приема антенны; отрезок линии передачи СВЧ для возбуждения резонатора с контактами для подключения внешнего генератора СВЧ, а также сквид постоянного тока, и отличающийя тем, что в токовый разрыв резонатора включен индуктор, генерирующий магнитное поле, которое воздействует на сквид, а мостик и индуктор в точках их подключения к резонатору одновременно удовлетворяют условию согласования с импедансом резонатора в полосе частот резонатора.