量子调控实验中微波辐射结构的设计与实现

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:YT479102771
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在基于固态自旋的量子调控实验中,微波与射频信号是非常重要的量子态操控手段,量子态对其频率、幅度以及相位的变化表现得非常敏感。我们通过产生一定频率、幅度以及相位的微波、射频信号,经放大后通过特制微波辐射结构将微波、射频能量高效率地转化为交变磁场,进而将其作用于金刚石NV色心,实现量子态调控。在基于固态自旋的量子调控实验平台上,我们将这种可以定向传递微波信息的传输线设计为微波控制模块中的辐射结构,它可以在指定的区域产生较强的交变磁场进而作用于金刚石NV色心。这种辐射结构的辐射区需要具备厚度小、较好的透光率、较强的交变磁场等特征。目前辐射结构工艺制作多是采用传统的微纳加工方法实现。传统工艺技术较为成熟,但也存在一些缺点,如磁控溅射金属层厚度有限,金属层之间的结合力较弱,制作成本高,流程较多等。本论文主要讲述了在量子调控实验中共面波导型微波辐射结构的设计与工艺实现的方法。设计时通过减小结构中心辐射区信号的线宽度与槽宽度来增强磁场转化率,但是这也必定会使得结构的阻抗变化不连续,造成信号的反射,于是在结构的辐射区与端口区需要设计一个过渡区域来逐渐改变结构的阻抗值,尽可能减小能量的损耗。实验中首先使用电磁仿真软件CST MWS进行共面波导的三段区域的模型分析、仿真与参数优化。新型工艺方法特点就是用导电膜材料结合电化学镀铜的工艺,实现金属铜层在高硼硅酸盐玻璃上的选择性生长。在电化学镀铜的过程中,因铜层的横向生长,导致辐射结构金属层的信号带与接地板宽度增大。通过推算,本文计算出激光刻蚀导电膜的参数,接着在其基础上进行酸性电化学镀铜,实现了微波辐射结构的制作。本文将此工艺实现的共面波导型微波辐射结构进行铜层结构表面测量与电学测试,然后将其应用在固态自旋量子调控实验平台上进行辐射性能测试。最终在微波源的输入功率约为1W的条件下,共面波导辐射结构在2.8GHz频点处产生了强度约为6.58Gauss的有效交变磁场。这种以导电膜材料来替代传统磁控溅射技术沉积金属层的方法可以较大程度地减少工艺制作的流程,节约时间成本与材料成本。本文辐射结构的工艺实现方法具有一定的通用性,它不仅适用于共面波导型辐射结构的制作,同样可以应用在槽线型及微带线型微波辐射结构的实现中。
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