Flux-flow Josephson oscillator as the broadband tunable terahertz source to open space

Abstract

The flux-flow oscillator (FFO) based on a long Josephson junction has been implemented as a broadband tunable terahertz (THz) source to open space. For this purpose, the transmitting slot antenna has been coupled to the oscillator. Additionally, an elliptical lens with a diameter of 10 mm has been matched to the antenna, forming a narrow output beam of the THz emission. Two designs for the antenna, integrated with the oscillator and developed for operation at different frequency ranges of 0.32-0.55 THz and 0.4-0.7 THz, have been investigated. The FFO has been phase locked to an external reference oscillator by utilizing a harmonic mixer. Its linewidth in the phaselocking regime is determined by the phase noise of the reference oscillator and the number of harmonics used and has been measured to be less than 0.1 MHz. A free-running FFO linewidth from about 2 MHz to several MHz, depending on the operating point, has been obtained. Output emission to open space has been measured by a superconducting integrated spectrometer located in a separate cryostat. The FFO operation as an external source with the achieved emission power and spectral characteristics has demonstrated its applicability for different tasks and purposes where tunable THz sources are required.

Источник Терагерцевого Излучения В Открытое Пространство На Основе Распределенного Джозефсоновского Перехода

“…Форма спектральной линии излучения регистрируется фазовой стабилизации, определяемое как доля мощности, сосредоточенной в узком центральном пике, составила от 77% до 97%. В работах [9,11] было показано, что форма спектральной линии излучения в открытое пространство соответствует форме линии излучения, измеряемой в петле обратной связи через выходной тракт гармонического смесителя, с учетом шума опорного синтезатора, который дает вклад в шум сигнала генератора, пропорциональный квадрату номера гармоники ∼ n 2 . Таким образом, сигнал, излученный в открытое пространство, имеет спектральные характеристики, близкие к представленным на рис.…”

“…Указанный приемник основан на смесителе в виде туннельного перехода " сверхпроводник−изолятор−сверхпроводник" (СИС) и назван интегральным приемником благодаря интеграции РДП на одной микросхеме с СИС-смесителем. Некоторое время назад нами была предложена и успешно реализована концепция интеграции РДП на одной микросхеме с передающей щелевой антенной [6][7][8][9][10][11][12] с целью передачи ТГц-излучения в открытое пространство. Частотные характеристики различных конструкций передающей антенны, рассчитанных на разные частотные диапазоны (импеданс, доля излученной мощности, диаграмма направленности), исследованы и представлены в работах [6,7].…”

“…Затем, с целью фазовой синхронизации излучения, мы дополнительно встроили в инте-1380 XXIV Международный симпозиум " Нанофизика и наноэлектроника" гральную микросхему гармонический смеситель (ГС), работающий в цепи обратной связи с РДП совместно с системой ФАПЧ. Согласование по мощности ГС и РДП были подробно исследованы в работах [8][9][10][11], а спектральные характеристики излучения в открытое пространство исследованы в работах [9,12]…”

Параметры Туннельного Барьера Сверхпроводниковых Структур На Основе Ниобия

“…Изготовленные таким образом структуры использовались при создании приемных устройств для радиоастрономии [5,6,16], сверхпроводниковых интегральных приемников для исследования атмосферы [21,22], а также сверхпроводниковых генераторов с передающей щелевой антенной [23,24] для передачи THz-излучения в открытое пространство. Следует также отметить, что большое значение при расчетах имеет параметр эффективной массы электрона в барьере, равный примерно половине массы электрона в металле [27].…”

Terahertz Spectroscopy of Gas Absorption Using the Superconducting Flux-Flow Oscillator as an Active Source and the Superconducting Integrated Receiver

“…Recently we proposed and elaborated the idea of utilizing the FFO as an external source of emitting the THz radiation to open space [ 27 , 28 , 29 , 30 ] by coupling the junction with an on-chip transmitting lens antenna. As we ensured that the THz emission is provided to open space, the harmonic mixer (HM) for frequency and phase locking were additionally embedded in the integrated structure, resulting in an “FFO and antenna and HM” on-chip structure [ 27 , 30 ]. The main frequency of radiation, f , is defined by the Josephson equation hf = 2 eV DC , where h is the Planck constant, e is the electron charge, and V DC is the dc voltage of the Josephson junction.…”