Регистрация / Вход
Прислать материал

Терагерцовые интегральные приемники и генераторы на основе сверхпроводниковых наноструктур

Номер контракта: 14.613.21.0046

Руководитель: Кошелец Валерий Павлович

Должность руководителя: заведующий лабораторией

Докладчик: Кинев Николай Вадимович, научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
супергетеродинные приемники и генераторы гетеродина терагерцового диапазона, сверхпроводниковые наноструктуры и интегральные схемы, радиоастрономия и спектроскопия.

Цель проекта:
Проект направлен на развитие научно-технического и технологического комплекса страны. Реализация предполагаемых научно-технических результатов проекта, полученных совместно с иностранным партнером, позволит предоставить научно-исследовательским организациям России новые и эффективные генераторы и интегральные приемники терагерцового диапазона для проведения широкого круга исследований и практических приложений. Апробация интегральных приемников и твердотельных генераторов ТГц излучения даст возможность перейти к созданию новых видов научно-технической продукции для научных исследований (радиоастрономия, мониторинг атмосферы Земли, спектроскопия) и практических приложений (медицинская диагностика, систем безопасности). 2. Конкретной целью проекта является разработка и исследование сверхчувствительных интегральных приемных устройств и генераторов терагерцового диапазона на основе сверхпроводниковых наноструктур.

Основные планируемые результаты проекта:
• Разработаны интегральные генераторы и приемники с рабочей частотой до 1 ТГц, проведено моделирование микросхем с использованием пленок NbN и NbTiN; эти разработки заложат научно-технологические основы для создания сверхчувствительных приемных систем ТГц диапазона.
• Разработаны генераторы непрерывного излучения с частотой 1 ТГц и выше на основе естественной кристаллической системы Bi2Sr2CaCu2O8 (BSCCO), содержащей до 1000 джозефсоновских переходов (эта задача будет решаться иностранным партнером из Китая). Разработаны и апробированы методики измерения спектральных характеристик генераторов нового поколения (с использованием приемника, созданного в ИРЭ им. В.А. Котельникова).
• Проведен анализ механизмов и режимов генерации терагерцового излучения из BSCCO структур, апробированы методы синхронизации изучения с внешним опорным генератором (эти работы будут выполнять иностранным партнером с участием российских ученых).
• Разработаны программы и методика испытаний сверхпроводникового ТГц генератора и экспериментальных образцов микросхемы интегрального приемника.
• Выработаны предложения и рекомендации по использованию разработанного научно-технического задела в области интегральных генераторов и приемных систем ТГц диапазона на основе наностуктур (эти работы будут выполняться совместно с иностранным партнером).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Целью настоящего проекта, предлагаемого совместно с коллегами из Нанкинского Университета (Китай), является создание и комплексное исследование твердотельных генераторов ТГц диапазона на основе сверхпроводниковых наностуктур с относительно высокой мощностью (до 1 мВт) и широким диапазоном перестройки частоты (более 300 ГГц); такие параметры недостижимы для традиционных технологий и подходов. Сверхпроводниковые генераторы на основе наноструктур будут способны закрыть подавляющую часть «терагерцовой щели»; на их основе возможна разработка перспективных технологий диагностики материалов в терагерцовом диапазоне, обеспечивающих высокую информативность и достоверность. Не менее важным является возможность создания интегральных приемных систем терагерцового диапазона, принципиально важных для другого приоритета прикладной науки – информационно-коммуникационных технологий. Применение создаваемых в рамках проекта терагерцовых генераторов и приемников позволит развить принципиально новые технологии диагностики материалов, например, терагерцовую ближнепольную микроскопию. Генераторы и интегральные приемники терагерцового диапазона могут найти применение в таких областях, как радиоастрономия, спектроскопия, мониторинг атмосферы Земли, а также других современных областях науки и техники, требующих построения точных изображений объекта исследования, например, медицинская диагностика и системы безопасности.

Научной проблемой, на решение которой направлен проект, является разработка и исследование новых типов интегральных генераторов и детекторов терагерцового диапазона с использованием сверхпроводниковых наноструктур, исследование физических механизмов их работы и создание на их основе практических устройств с уникальным набором параметров. В настоящее время существует ряд важнейших задач в радиоастрономии и астрофизике, спектроскопии газов, в области медицинской диагностики и при разработке систем безопасности, для решения которых необходимо создание новых типов генераторов и приемников электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне частот (100 ГГц - 10 ТГц). Данный диапазон сравнительно мало освоен, здесь пролегает граница между радиотехническими и квантовыми оптическими методами генерации и приема сигналов, поэтому его иногда называют «терагерцовой щелью».

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные в ходе выполнения проекта интегральные приемники и генераторы терагерцового диапазона найдут применение в радиоастрономии, спектроскопии, медицинской диагностике, для спектральных исследований атмосферы и при создании систем безопасности. Интегральные приемные устройства на основе туннельных СИС-структур будут иметь предельную (квантовую) чувствительность и высокое спектральное разрешение (не более 1 МГц), что делает их незаменимыми для целого ряда приложений. Создаваемые в ходе выполнения проекта интегральные приемные устройства на основе туннельных наноструктур обладают уникальным набором параметров, недостижимым при использовании обычных технологий. Это объясняется как чрезвычайно высокой характерной частотой и сильной нелинейностью таких элементов, так и их предельно низкими собственными шумами, обусловленными природой элементов и криогенной рабочей температурой. Интегральные приемники особенно перспективны для радиоастрономии, пассивной и активной радиолокации, а также мониторинга окружающей среды, осуществляемого с борта спутников или специальных самолетов, где вес, габариты и энергопотребление источников гетеродина существенно ограничиваются грузоподъемностью носителя.
Разрабатываемые иностранными партнерами сверхпроводниковые генераторы гетеродина на основе BSCCO структур с рабочими частотами порядка и выше 1 ТГц позволят существенно расширить область применения интегральных приемных структур для задач спектроскопии, медицинской диагностики и систем безопасности. Основными преимуществами сверхпроводниковых генераторов гетеродина (СГГ) является возможность их интеграции на одной микросхеме с антенной и смесителем, малая потребляемая мощность и низкое тепловыделение, недостижимая для других генераторов ширина области перестройки частоты, в несколько раз превосходящая значения для лучших полупроводниковых гетеродинов. Отметим, что при создании интегральных приемных систем будет использоваться концепция, разработанная и апробированной учеными ИРЭ им. В.А. Котельникова.
Следует отметить, что разработка терагерцовых интегральных приемников и генераторов на основе сверхпроводниковых наноструктур является приоритетной также и для области информационно-коммуникационных технологий. Предлагаемые разработки вносят вклад в создание элементной базы терагерцовых электронных устройств и перспективных технологий интеграции таких устройств в системы на кристалле и могут быть использованы при создании систем связи терагерцового диапазона и ближненпольной терагерцовой микроскопии.

Текущие результаты проекта:
Соглашение по проекту находится в стадии подписания

Проводится анализ литературы по теме ТГц приёмников и генераторов.