[λ4]低温超导共面波导谐振器的研究张倍红+周品嘉+王轶文摘要：讲述了一种高[Q]值的[λ4]吸收型超导共面波导谐振器的设计、制备及在低温超导状态下对其传输特性的测量分析。通过磁控溅射工艺在硅基底上沉积一层铌膜，再通过光刻工艺制备出谐振器样品。在100mK的低温状态下，利用矢量网络分析仪测量其传输特性，并研究了温度对传输特性的影响。实验结果表明：该谐振器的[Q]值可达[105]量级，损耗在-15dB左右；温度升高时，谐振频率增大，传输系数[S21，]相位[φ]也随之发生变化。关键字：共面波导；低温超导；品质因数；传输特性：TN911.7?34文献标识码：A：1004?373X（2014）13?0087?03Studyonλ/4coplanarwaveguideresonatorinlow?temperaturesuperconductingstateZHANGBei?hong，ZHOUPin?激a，WANGYi?wen（QuantumOptoelectronicsLaboratory，Southwest激aotongUniversity，Chengdu610031，China）Abstract：Design，fabricationandmeasurementinultra?lowtemperaturestateofhigh?Q[λ4]absorption?typesuperconduc?tingcoplanarwaveguide（CPW）resonatorisdescribed.Alayerofniobiumfilmisdepositedonthesiliconsubstrateviamagnetronsputteringtechnology，andthenCPWresonatorismadebyphotolithography.ThetransmissioncharacteristicsoftheresonatorismeasuredbytheAgilentE5071Cvectornetworkanalyzer（VNA）at100mK.Theeffectofthetemperatureonthetransmissioncharacteristicsisstudied.Theexperimentalresultsshowthatthequalityfactorofthisdeviceisuptotheorderof[105]，thelossisabout-15dB；whenthetemperatureincreases，theresonancefrequencybecomeslarger，thetransmissioncoefficient[S21]andthephase[?]changewithitatthesametime.Keywords：coplanarwaveguide；low?temperaturesuperconduction；qualityfactor；transmissioncharacteristic0引言近年来，随着对微弱信号研究的不断深入，作为探测工具之一的共面波导（CPW）谐振器已经应用在许多领域，并展现出很大的优越性[1]。与其他探测器相比，CPW结构简单、易于集成、探测效率高，对微弱信号的变化更敏感，被广泛用于可见光、宇宙射线、核辐射等信号的探测；与此同时在参量放大、量子计算、量子信息处理、量子二能级系统的相关耦合等领域也发挥很重要的作用[2?3]。本文从[λ4]共面波导谐振器设计、样品制备、传输特性测量等方面进行论述，并研究了温度对传输系数、相位的影响。1设计分析在微波工程设计中，为了避免反射，使更多的信息从输入端传送到输出端，阻抗匹配是必须考虑的一个问题。通常情况下传输线的特征阻抗[Z0]取为50[Ω]，对于共面波导传输线而言其特征阻抗可等效为[4]：[Z0=30π1+εr2K（k′0）K（k0）]（1）式中：[εr]是基底的介电常数；[Kk0]是第一类完全椭圆积分，[k0=s（s+2w），][s]是共面波导中心馈线的宽度，[w]是共面波导中心馈线与接地面之间的沟槽的宽度，[Kk′0]是第一类余完全椭圆积分，[k′0=1-k20。]谐振器的谐振频率是由谐振腔的长度和基底的介电常数决定的，对于总长度[l]为[14]波长的共面波导谐振器的谐振频率为[4]：[f0=c4l21+εr]（2）式中：[c]表示真空中电磁波的传播速度。设计中，以高阻硅（[εr]=11.9）作为衬底，[s]为20μm，[w]取15μm，谐振频率定为1.845GHz，则谐振腔的长度约为15.925mm。2样品制备通过磁控溅射和光刻等微加工工艺[5]，在高阻硅衬底上制备出了所设计的[λ4]铌膜共面波导谐振器样品，如图1所示，谐振腔的长度为四分之一波长，谐振腔的一端通过电容耦合的方式与馈线连接，另一端直接与地相连。右侧小图中黑色部分表示硅基底，厚度为500μm；灰色部分为金属铌膜，其厚度约为160nm。图1CPW谐振器模型3实验结果将制备的样品放在稀释制冷机中，降温至100mK使谐振器处于超导状态（铌的超导临界转变温度为[Tc]=9.2K）。搭建如图2所示的测量电路，其中隔离器的作用主要是去除测量电路产生的直流信号，衰减器是为了减少噪声的影响，使得矢量网络分析仪所测数据能更好地反映谐振器传输特性，减小实验系统本身所带的误差。图2测量系统示意图通过矢量网络分...