本发明涉及约瑟夫森参量放大器领域，具体的，涉及一种阻抗匹配约瑟夫森参量放大器及其制备方法、通信模块。
背景技术：
现在主流的约瑟夫森参量放大器主要有行波放大器、传统窄带约瑟夫森参量放大器和阻抗匹配约瑟夫森参量放大器等。其中行波放大器具有带宽大，饱和功率高等优点，但是它的结构复杂，制备工艺需要非常好的微纳加工技术和低损耗绝缘材料，一般实验室很难加工(anear–quantum-limitedjosephsontraveling-waveparametricamplifier,c.macklinet.al.,science3506258(2015)；travelingwaveparametricamplifierwithjosephsonjunctionsusingminimalresonatorphasematching,t.c.whiteet.al.,appl.phys.lett.106,242601(2015))。传统窄带约瑟夫森参量放大器结构简单，增益和噪声能够满足测量需要，但是它的带宽只能够达到几十mhz水平，不能同时测量多个频率微波(single-shotreadoutofasuperconductingfluxqubitwithaflux-drivenjosephsonparametricamplifier,z.r.lin,et.al.appl.phys.lett.103,132602(2013))。阻抗匹配约瑟夫森参量放大器带宽能够达到几百mhz，能够同时测量多个微波信号，同时制备方法相对行波放大器简单。
现有技术中，对于阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的制备，一般采用阻抗变换器和非谐共振腔分离的方式制备，其中阻抗变换器使用印刷线路板制备，非谐共振腔在硅基片上制备，然后使用引线仪连接两部分，具有的缺陷：(1)阻抗变换器是非超导材料，信号衰减较大；(2)集成度低，器件体积大。
技术实现要素：
1、要解决的问题
针对现有技术中阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的信号衰减较大、器件体积大的问题，本发明提供一种阻抗匹配约瑟夫森参量放大器及其制备方法、通信模块。本发明的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的阻抗变换器、非谐共振腔和泵浦微波电路都集成在硅基片上，阻抗变换器的第二端与所述非谐共振腔串联连接，使用超导铝膜串联连接，同时本发明的元器件除电容绝缘层外，所有材料都是超导材料，从而使得本发明制备的放大器的信号微波的反射和损耗大大降低，衰减常数几乎为0。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
本发明使用的词语定义如下：
pmma：英文全称polymethylmethacrylate，是电子束曝光工艺中最常用的正性光刻胶，是由单体甲基丙烯酸甲酯经聚合反应而成；
mma：英文全称methylmethacrylate，甲基丙烯酸甲酯；
双层mma/pmma电子束光刻胶：底层为mma光刻胶，上层为pmma光刻胶。其底层厚度可以为400nm-800nm，其上层厚度可以为300nm-500nm；
泵浦微波：泵浦微波是放大器的能量来源，利用非谐共振腔把泵浦微波的能量转化为信号微波的能量，实现信号微波的放大。
一种阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，包括阻抗变换器、非谐共振腔和泵浦微波电路；
所述阻抗变换器的第一端与第一信号输入端口连接，所述所述阻抗变换器的第二端与所述非谐共振腔串联连接，所述第一信号输入端口为待放大的信号微波输入端口；
所述的非谐共振腔与所述的泵浦微波电路是互感连接。
现有技术中制备阻抗匹配约瑟夫森参量放大器采用的方法为阻抗变换器和非谐共振腔分离的方式制备，其中阻抗变换器使用印刷线路板制备，非谐共振腔在硅基片上制备，然后使用引线仪连接两部分，一般印刷线路板材料的正切损耗角为δ＝0.002，由α＝ktanδ得到衰减常数为0.0013，这里k是微波传播矢量，其会造成信号微波的反射和损耗，限制了放大器的增益和带宽，而本发明的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的阻抗变换器、非谐共振腔和泵浦微波电路都集成在硅基片上，所述阻抗变换器的第二端与所述非谐共振腔串联连接，使用超导材料串联连接，从而使得本发明制备的放大器的信号微波的反射和损耗大大降低，衰减常数几乎为0。
优选的，所述阻抗变换器由第一共面波导、第二共面波导和第三共面波导依次串联连接而成；
所述的非谐共振腔由电容和超导量子干涉器并联组成；
所述的泵浦微波电路由磁通偏置线和第二信号输入端口串联而成，所述第二信号输入端口为泵浦微波信号和磁通偏置信号共用的输入端口；
所述第一共面波导的第一端与与所述第一信号输入端口连接，所述第一信号输入端口为待放大的信号微波输入端口，所述第三共面波导的第二端与所述非谐共振腔串联连接；
所述的超导量子干涉器与所述的磁通偏置线互感连接。
现有技术中泵浦微波和待放大的信号微波在同一端口输入到器件中，待放大的信号微波和泵浦微波会相互干扰。本发明的技术方案中，使用第二信号输入端口输入泵浦微波，使用第一信号输入端口输入待放大的信号微波，泵浦微波和待放大的信号微波分别使用不通的端口输入，避免了对待放大信号微波的干扰。
优选的，所述的超导量子干涉器为非线性的电感。
优选的，所述电容由两个超导平板中间夹一绝缘层构成，所述绝缘层为铝膜表面的自然氧化层。
本发明使用自然氧化铝作为电容的绝缘层，不必做绝缘层生长，简化了制备工艺。现有技术中使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，对于下层金属的覆盖均匀性不好，而自然氧化铝形成的自然氧化层在薄膜上形成均匀氧化层，没有蒸发的氧化铝薄膜的方向性问题，能够全面覆盖金属薄膜表面，保证了器件的可靠性。现有技术使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，增加了一次光刻和镀膜工艺，器件制备工艺更加复杂。
优选的，所述第一共面波导的阻抗为50ω；
所述第二共面波导的阻抗为40ω，所述第二共面波导的长度为0.25l；
所述第三共面波导的阻抗为58ω，所述第三共面波导的长度为0.5l；
其中，l为所述待放大的信号微波波长；由l可以确定所述阻抗变换器的频率fim，fim＝v/l，这里v是所述待放大的信号微波在共面波导中的传播速度，
所述非谐共振腔的频率f0计算公式：
约瑟夫森电感lj为：
lj＝φ0/2πic
其中，所述ic为所述超导量子干涉器的临界电流，所述φ0为磁通量量子，则所述非谐共振腔的频率f0为：
c为所述电容的电容值；
通过改变所述磁通偏置线上的电流，可以调节所述超导量子干涉器的临界电流ic，进而调节所述非谐共振腔的频率f0，当f0＝fim时，所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器工作在最佳状态，即所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的增益和带宽达到它的最大值，则所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的工作的频率范围为f0-(fbw/2)到f0+(fbw/2)，其中fbw为所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的带宽，所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的带宽是指所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的增益降到最大增益的一半时所对应的待放大信号微波频率；
增益g定义为g＝log10(pout/pin)，这里pin，指所述待放大信号微波输入功率，pout指和所述待放大信号微波放大后的输出功率。
现有的放大器工作在5ghz-6ghz范围，最大增益为20db，最大带宽为600mhz，本发明的放大器是一种工作在极低温下的低噪声放大器，该放大器的工作频率在5ghz-8ghz波段，最高增益能够达到20db以上，带宽能够达到1ghz以上，本发明的带宽是现有技术中的带宽600mhz的将近两倍。采用本发明的放大器，我们能够测量到的信号数量，是现有放大器的将近2倍。
一种阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的制备方法，其步骤为：
(1)第一次镀膜、光刻
a.在清洗好的基片上镀厚度为30nm-100nm的铝膜，铝膜使用高真空电子束蒸发镀膜，镀膜速率为0.1nm/s-2nm/s；
b.使用紫外光刻方法制备需要的图形，阻抗变换器、第一信号输入端口、磁通偏置线、第二信号输入端口、电容的下极板和地平面在此光刻中定义；
c.使用湿法腐蚀方法刻蚀铝膜；
(2)第二次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备所述电容的上极板图形；
b.在气压为10-3pa-10-6pa的真空腔体中使用氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层；
c.在气压为10-3pa-10-6pa的真空腔体中通入纯氧气，使腔体中气压达到100torr-500torr，铝膜在纯氧气中氧化5h-10h得到纯净的氧化铝层；
d.在维持气压为10-3pa-10-6pa的的条件下，器件传送到蒸发腔体中，在蒸发腔体中蒸发50nm-100nm，铝膜镀膜速率为0.1nm/s-2nm/s；
e.使用一甲基二吡咯烷酮剥离掉多余的铝膜和光刻胶；
(3)第三次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备第三次光刻，超导量子干涉器、超导量子干涉器与地平面的连接部件、超导量子干涉器与电容的连接部件、电容与阻抗变换器的连接部件在此光刻中定义；
b.氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，刻蚀时间为1min-5min，使用的电压和电流分别为100v-400v和5ma-40ma；
c.器件传送到蒸发腔体中，使用双角度蒸发方法制备约瑟夫森结的第一层，铝膜厚度为20nm-50nm，使用倾斜角度为20°-40°；
d.器件传送到氧化腔体中，在腔体中通入纯氧气氧化铝膜表面，气压0.02torr-0.1torr，氧化时间为10min-30min；
e.器件传送回蒸发腔体，蒸发铝膜50nm-120nm，倾斜角度为-20°-40°；
f.使用一甲基二吡咯烷酮剥离掉多余的铝膜和光刻胶。
优选的，所述步骤(1)的步骤c中采用的湿法腐蚀方法是采用铝膜腐蚀液，腐蚀速率为0.8nm/s，腐蚀完成后使用一甲基二吡咯烷酮清洗光刻胶。
优选的，所述步骤(2)的a步骤中，所述的电子束光刻的胶为双层mma/pmma电子束光刻胶。
优选的，所述步骤(2)的b步骤中，刻蚀时间为1min-5min，使用的电压和电流分别为100v-400v和5ma-40ma。
本发明的制备方法中，使用镀膜、光刻等微加工方法制备阻抗变换器，使得加工精度更高，制备器件参数更加接近设计值，现有技术使用引线仪连接阻抗变换器和非谐共振腔，会造成信号微波的反射和损耗，限制了放大器的增益和带宽，本发明的阻抗变换器和非谐共振腔的连接使用超导铝膜，避免了这个问题。现在的阻抗匹配约瑟夫森放大器带宽是600mhz，本发明中的带宽能够达到1ghz以上，使得测量量子比特数量能够增加一倍左右。
本发明的制备方法中，使用自然氧化铝作为电容绝缘层，不必做绝缘层生长，简化了制备工艺，现有技术中使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，对于下层金属的覆盖均匀性不好，自然氧化层在薄膜上形成均匀氧化层，没有蒸发薄膜的方向性问题，能够全面覆盖金属薄膜表面，保证了器件的可靠性。制备电容过程中不会出现短路情况，可以保证制备器件的可重复性和高成品率。现有技术使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，增加了一次光刻和镀膜工艺，器件制备工艺更加复杂。现有技术中使用电子束光刻，薄膜使用电子束蒸发镀膜，电容绝缘层使用蒸发的氧化铝薄膜，本发明中电容使用铝膜表面的自然氧化层，减少了镀膜次数，简化了制备工艺。
一种通信模块，所述的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，用于对信号进行放大；及端口，用于输出由所述的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器放大的信号。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)现有技术中，阻抗匹配约瑟夫森参量放大器采用的方法为阻抗变换器和非谐共振腔分离的方式制备，其中阻抗变换器使用印刷线路板制备，非谐共振腔在硅基片上制备，然后使用引线仪连接两部分，一般印刷线路板材料的正切损耗角为δ＝0.002，由α＝ktanδ得到衰减常数为0.0013，这里k是微波传播矢量，这会造成信号微波的反射和损耗，限制了放大器的增益和带宽，而本发明的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的阻抗变换器、非谐共振腔和泵浦微波电路都集成在硅基片上，所述阻抗变换器的第二端与所述非谐共振腔串联连接，使用超导材料串联连接，从而使得本发明制备的放大器的信号微波的反射和损耗大大降低，衰减常数几乎为0；
(2)现有技术中，泵浦微波和待放大的信号微波在同一端口输入到器件中，待放大的信号微波和泵浦微波会相互干扰。本发明的技术方案中，使用第二信号输入端口输入泵浦微波，使用第一信号输入端口输入待放大的信号微波，泵浦微波和待放大的信号微波分别使用不通的端口输入，避免了对待放大信号微波的干扰；
(3)本发明使用自然氧化铝作为电容的绝缘层，不必做绝缘层生长，简化了制备工艺。现有技术中使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，对于下层金属的覆盖均匀性不好，而自然氧化铝形成的自然氧化层在薄膜上形成均匀氧化层，没有蒸发的氧化铝薄膜的方向性问题，能够全面覆盖金属薄膜表面，保证了器件的可靠性。本发明制备电容过程中不会出现短路情况，可以保证制备器件的可重复性和高成品率。现有技术使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，增加了一次光刻和镀膜工艺，器件制备工艺更加复杂，现有技术中使用电子束光刻，薄膜使用电子束蒸发镀膜，电容绝缘层使用蒸发的氧化铝薄膜，本发明中电容使用铝膜表面的自然氧化层，减少了镀膜次数，简化了制备工艺；
(4)现有的放大器工作在5ghz-6ghz范围，最大增益为20db，最大带宽为600mhz，本发明的放大器是一种工作在极低温下的低噪声放大器，该放大器的工作频率在5ghz-8ghz波段，最高增益能够达到20db以上，带宽能够达到1ghz以上，本发明的带宽是现有技术中的带宽600mhz的将近两倍。采用本发明的放大器，我们能够测量到的信号数量，是现有放大器的将近2倍；
(5)本发明的制备方法中，使用镀膜、光刻等微加工方法制备阻抗变换器，使得加工精度更高，制备器件参数更加接近设计值，现有技术使用引线仪连接阻抗变换器和非谐共振腔，会造成信号微波的反射和损耗，限制了放大器的增益和带宽，本发明的阻抗变换器和非谐共振腔的连接使用超导铝膜，避免了这个问题。现在的阻抗匹配约瑟夫森放大器带宽是600mhz，本发明中的带宽能够达到1ghz以上，使得测量量子比特数量能够增加一倍左右；
附图说明
图1为本发明的器件设计电路示意图；
图2为器件整体设计图；
图3为超导量子干涉器和电容设计图；
图4为器件电镜图；
图5为l＝9.07mm时，放大器在最佳工作点的放大性能图；
图6为l＝8.55mm时，放大器在最佳工作点的放大性能图；
图7为l＝9.36mm时，放大器在最佳工作点的放大性能图。
图中：1、阻抗变换器，11、第一共面波导，12、第二共面波导，13、第三共面波导，14、第一信号输入端口，2、非谐共振腔，21、超导量子干涉器，22、电容，23、超导量子干涉器与地平面连接部件，24、超导量子干涉器与电容连接部件，25、电容与阻抗变换器连接部件，3、泵浦微波电路，31、磁通偏置线，32、第二信号输入端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
实施例1
如图1、图2、图3所示，一种阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，它包括阻抗变换器1、非谐共振腔2和泵浦微波电路3，所述阻抗变换器1的第一端与第一信号输入端口14连接，所述阻抗变换器1的第二端与所述非谐共振腔2串联连接，所述第一信号输入端口14为待放大的信号微波输入端口，所述的非谐共振腔2与所述的泵浦微波电路3是互感连接。
一种阻抗匹配约瑟夫森参量放大器，它包括阻抗变换器1、非谐共振腔2和泵浦微波电路3，该放大器的阻抗变换器1、非谐共振腔2和泵浦微波电路3都集成在硅基片上，阻抗变换器1和非谐共振腔2使用超导铝膜串联连接，待放大的信号微波从阻抗变换器1的第一信号输入端口14输入，进入非谐共振腔2，通过调节泵浦微波电路3的偏置电流的大小，从而调节非谐共振腔2的临界电流大小，进而调节非谐共振腔2的频率，进而放大器工作在需要放大的频率上。
现有技术中制备阻抗匹配约瑟夫森参量放大器采用的方法为阻抗变换器和非谐共振腔分离的方式制备，其中阻抗变换器使用印刷线路板制备，非谐共振腔在硅基片上制备，然后使用引线仪连接两部分，一般印刷线路板材料的正切损耗角为δ＝0.002，由α＝ktanδ得到衰减常数为0.0013，这里k是微波传播矢量，其会造成信号微波的反射和损耗，限制了放大器的增益和带宽，而本发明的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的阻抗变换器1、非谐共振腔2和泵浦微波电路3都集成在硅基片上，阻抗变换器1、第一信号输入端口14、非谐共振腔2和泵浦微波电路3都是使用超导材料制备，所述阻抗变换器1的第二端与所述非谐共振腔2串联连接，使用超导铝膜串联连接，从而使得本发明制备的放大器的信号微波的反射和损耗大大降低，衰减常数几乎为0。
作为本实施例的优选技术方案，参照图1、图2、图3所示，所述阻抗变换器1由第一共面波导11、第二共面波导12和第三共面波导13依次串联连接而成；所述的非谐共振腔2由电容22和超导量子干涉器21并联组成；所述的泵浦微波电路3由磁通偏置线31和第二信号输入端口32串联而成，所述第二信号输入端口32为泵浦微波信号和磁通偏置信号共用的输入端口；所述第一共面波导11的第一端与与所述第一信号输入端口14连接，所述第一信号输入端口14为待放大的信号微波输入端口，所述第三共面波导13的第二端与所述非谐共振腔2串联连接；所述的超导量子干涉器21与所述的磁通偏置线31互感连接。
待放大的信号微波从第一信号输入端口14依次进入第一共面波导11、第二共面波导12和第三共面波导13，再进入由电容22和超导量子干涉器21并联组成的非谐共振腔2。泵浦微波信号和磁通偏置信号均从第二信号输入端口32中输入。所述的磁通偏置线31用于偏置超导量子干涉器21，调节超导量子干涉器21的等效电感，使非谐共振腔2工作在需要放大的微波频率，同时用于给超导量子干涉器21中加泵浦微波，泵浦微波给非谐共振腔2加泵浦微波，提供能量来源。当泵浦微波功率为-40dbm以上时，放大非谐共振腔2中所加的待放大的信号微波。
使用第二信号输入端口32输入泵浦微波，使用第一信号输入端口14输入待放大的信号微波，泵浦微波和待放大的信号微波分别使用不同的端口输入，避免了对待放大信号微波的干扰。现有技术中泵浦微波和待放大的信号微波在同一端口输入到器件中，待放大的信号微波和泵浦微波会相互干扰。
作为本实施例的优选技术方案，参照图1、图2、图3所示，所述电容22由两个超导平板中间夹一绝缘层构成，所述绝缘层为铝膜表面的自然氧化层。使用自然氧化铝作为电容22的绝缘层，不必做绝缘层生长，简化了制备工艺。现有技术中使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，对于下层金属的覆盖均匀性不好，而本优选方案中使用自然氧化铝形成的自然氧化层在薄膜上形成均匀氧化层，没有蒸发的氧化铝薄膜的方向性问题，能够全面覆盖金属薄膜表面，保证了器件的可靠性。现有技术使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，增加了一次光刻和镀膜工艺，器件制备工艺更加复杂。
作为本实施例的优选技术方案，参照图1、图2、图3所示，所述第一共面波导11的阻抗为50ω；所述第二共面波导12的阻抗为40ω，所述第二共面波导12的长度为0.25l；所述第三共面波导13的阻抗为58ω，所述第三共面波导13的长度为0.5l。
不同的阻抗是通过改变共面波导中心线宽度、中心线与地平面间距实现的。其中，l为所述待放大的信号微波波长；由l可以确定所述阻抗变换器1的频率fim，fim＝v/l，这里v是所述待放大的信号微波在共面波导中的传播速度，
超导量子干涉器21由一个超导环路中加入两个约瑟夫森结构成，使用双角度蒸发方法制备约瑟夫森结。所述的非谐共振腔由超导量子干涉器21和电容22组成，超导量子干涉器的作用是一个非线性电感，称为约瑟夫森电感，约瑟夫森电感lj为：
lj＝φ0/2πic
其中，所述ic为所述超导量子干涉器21的临界电流，所述φ0为磁通量量子，则所述非谐共振腔2的频率f0为：
c为所述电容22的电容值；
通过改变所述磁通偏置线31上的电流，可以调节所述超导量子干涉器21的临界电流ic，进而调节所述非谐共振腔2的频率f0，当f0＝fim时，所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器工作在最佳状态，即所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的增益和带宽达到它的最大值，则所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的工作的频率范围为f0-(fbw/2)到f0+(fbw/2)，其中fbw为所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的带宽，所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的带宽是指所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的增益降到最大增益的一半时所对应的待放大信号微波频率；
增益g定义为g＝log10(pout/pin)，这里pin，指所述待放大信号微波输入功率，pout指和所述待放大信号微波放大后的输出功率。
通过上述公式，可知，通过改变阻抗变换器长度、电容值大小和超导量子干涉器的临界电流，则可以控制放大器的工作频率。待放大的信号微波波长的长度l控制在7.2mm-12mm范围，电容控制在2ff-6ff，超导量子干涉器临界电流控制在2μa-5μa，则放大器的工作频率范围能够达到5ghz-8ghz，进而其最高增益能够达到20db以上，带宽能够达到1ghz以上。
在此只是对待放大的信号微波的波长l、电容22的电容值、超导量子干涉器21的临界电流、第一共面波导11的阻抗，第二共面波导12的阻抗，第二共面波导12的长度，第三共面波导13的阻抗，第三共面波导13的长度等相关参数进行了举例，根据需要也可以对相关参数进行变换，以得到合适的工作频率、增益、带宽的放大器。
现有的放大器工作在5ghz-6ghz范围，最大增益为20db，最大带宽为600mhz，作为本实施例的优选技术方案，该放大器是一种工作在极低温下的低噪声放大器，放大器的工作频率在5ghz-8ghz波段，最高增益能够达到20db以上，带宽能够达到1ghz以上，本发明的带宽是现有技术中的带宽600mhz的将近两倍。采用本发明的放大器，我们能够测量到的信号数量，是现有放大器的将近2倍。
一种通信模块，由本发明所得到的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器及通讯端口组成，所述阻抗匹配约瑟夫森参量放大器用于对信号进行放大；所述通讯端口，用于输出由所述的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器放大的信号。
实施例2
阻抗匹配约瑟夫森参量放大器其制备方法如下：
(1)第一次镀膜、光刻
a.首先在清洗好的基片上镀厚度为30nm的铝膜，铝膜使用高真空电子束蒸发镀膜，镀膜速率为0.1nm/s；
b.使用紫外光刻方法制备需要的图形，阻抗变换器1、第一信号输入端口14、磁通偏置线31、第二信号输入端口32、电容22的下极板、地平面在此光刻中定义，当待放大的信号微波波长的长度l＝9.07mm，定义第一共面波导11的阻抗为50ω，第二共面波导12的阻抗为40ω，第二共面波导12的长度为0.25l，第三共面波导13的阻抗为58ω，第三共面波导13的长度为0.5l，如前所述，则阻抗变换器的频率为6.5ghz；
c.使用湿法腐蚀方法刻蚀铝膜，采用transene公司的a型铝膜腐蚀液，腐蚀速率约为0.8nm/s，腐蚀完成后使用一甲基二吡咯烷酮清洗光刻胶。
(2)第二次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备电容22上极板图形，使用的电子束光刻胶为双层mma/pmma光刻胶，电容22面积10μm×20μm；
b.在气压为10-3pa-10-6pa的真空腔体中使用氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，离子源为kaufman&robinson公司的kdc75型号。刻蚀时间为1分钟，使用的电压和电流分别为100v和5ma，此条件会刻蚀掉一部分铝膜，以保证氧化层被完全清理掉；
c.在气压为10-3pa-10-6pa的真空腔体中通入纯氧气，使腔体中气压达到100torr，铝膜在纯氧气中氧化5h，得到纯净的氧化铝层；
d.在维持气压为10-3pa-10-6pa的真空的条件下，器件传送到蒸发腔体中，在蒸发腔体中蒸发50nm，铝膜镀膜速率为0.1nm/s；
e.使用一甲基二吡咯烷酮剥离多余的铝膜和光刻胶。
制备的电容值约为3.1pf。
(3)第三次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备第三次光刻，光刻以下图形：超导量子干涉器21，超导量子干涉器21与地平面的连接部件23，超导量子干涉器21与电容22的连接部件24，电容22与阻抗变换器1的连接部件25；
b.氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，刻蚀时间为1min，使用的电压和电流分别为100v和5ma；
c.器件传送到蒸发腔体中，使用双角度蒸发方法制备约瑟夫森结的第一层，铝膜厚度为20nm，使用倾斜角度为20°；
d.器件传送到氧化腔体中，在腔体中通入纯氧气，氧化铝膜表面，气压0.02torr，氧化时间为10min；
e.器件传送回蒸发腔体，蒸发铝膜50nm，倾斜角度为-20°，镀膜速率为0.1nm/s。
f.使用一甲基二吡咯烷酮剥离掉多余的铝膜和光刻胶。
制备的超导量子干涉器临界电流约为3μa，由此根据上述公式可以计算出非谐共振腔的最高频率为8.63ghz。
本实施例得到的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的性能测试结果为：如图4所示，(a)，(b)中为实施例器件中的扫描电镜图片，其中(a)为阻抗变换器1的扫描图片，(b)为电容22和超导量子干涉器21图片，(b)中插图为超导量子干涉器22的放大图片。图5为放大器在最佳工作点的放大性能，带宽能够达到1.1ghz，最大增益为21db，工作的中心频率为6.5ghz，与阻抗变换器频率符合。
本实施例的技术方案中，放大器的全部元件都集成在硅基片上，器件体积小，且所有元件全部由超导材料制备，器件的损耗会明显降低；而现有技术采用印刷线路板制作阻抗变换器，一般印刷线路板材料的正切损耗角为δ＝0.002，由α＝ktanδ得到衰减常数为0.0013，这里k是微波传播矢量，而使用基片上的超导材料制备的阻抗变换器，衰减常数几乎为0，待放大的信号微波在阻抗变换器中的损耗大大降低；
本实施例的技术方案中，使用镀膜、光刻等微加工方法制备阻抗变换器，使得加工精度更高，制备器件参数更加接近设计值，现有技术使用引线仪连接阻抗变换器和非谐共振腔，会造成信号微波的反射和损耗，限制了放大器的增益和带宽，本发明的阻抗变换器和非谐共振腔的连接使用超导铝膜，避免了这个问题。现在的阻抗匹配约瑟夫森放大器带宽是600mhz，本发明中的带宽能够达到1ghz以上，使得测量量子比特数量能够增加一倍左右。
本实施例的技术方案中，使用自然氧化铝作为电容绝缘层，不必做绝缘层生长，简化了制备工艺，现有技术中使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，对于下层金属的覆盖均匀性不好，本实施例的技术方案中,自然氧化层在薄膜上形成均匀氧化层，没有蒸发薄膜的方向性问题，能够全面覆盖金属薄膜表面，保证了器件的可靠性。制备电容过程中不会出现短路情况，可以保证制备器件的可重复性和高成品率。现有技术使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，增加了一次光刻和镀膜工艺，器件制备工艺更加复杂。现有技术中使用电子束光刻，薄膜使用电子束蒸发镀膜，电容绝缘层使用蒸发的氧化铝薄膜，本发明中电容使用铝膜表面的自然氧化层，减少了镀膜次数，简化了制备工艺。
实施例3
阻抗匹配约瑟夫森参量放大器其制备方法如下：
(1)第一次镀膜、光刻
a.首先在清洗好的基片上镀厚度为60nm的铝膜，铝膜使用高真空电子束蒸发镀膜，镀膜速率为1nm/s；
b.使用紫外光刻方法制备需要的图形，阻抗变换器1、第一信号输入端口14、磁通偏置线31、第二信号输入端口32、电容22的下极板、地平面在此光刻中定义，当待放大的信号微波波长的长度l＝8.55mm，定义第一共面波导11的阻抗为50ω，第二共面波导12的阻抗为40ω，第二共面波导12的长度为0.25l，第三共面波导13的阻抗为58ω，第三共面波导13的长度为0.5l，如前所述，则阻抗变换器的频率为6.9ghz；
c.使用湿法腐蚀方法刻蚀铝膜，采用transene公司的a型铝膜腐蚀液，腐蚀速率约为0.8nm/s，腐蚀完成后使用一甲基二吡咯烷酮清洗光刻胶。
(2)第二次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备电容22上极板图形，使用的电子束光刻胶为双层mma/pmma光刻胶，电容22面积10μm×20μm；
b.在气压为10-3pa-10-6pa的真空腔体中使用氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，离子源为kaufman&robinson公司的kdc75型号。刻蚀时间为3分钟，使用的电压和电流分别为200v和22ma，此条件会刻蚀掉一部分铝膜，以保证氧化层被完全清理掉；
c.在气压为10-3pa-10-6pa的真空腔体中通入纯氧气，使腔体中气压达到100torr，铝膜在纯氧气中氧化7.5h，得到纯净的氧化铝层；
d.在维持气压为10-3pa-10-6pa的真空的条件下，器件传送到蒸发腔体中，在蒸发腔体中蒸发75nm，铝膜镀膜速率为1nm/s；
e.使用一甲基二吡咯烷酮剥离多余的铝膜和光刻胶。
制备的电容值约为2.48pf。
(3)第三次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备第三次光刻，光刻以下图形：超导量子干涉器21，超导量子干涉器21与地平面的连接部件23，超导量子干涉器21与电容22的连接部件24，电容22与阻抗变换器1的连接部件25；
b.氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，刻蚀时间为1min-5min，使用的电压和电流分别为200v和23ma；
c.器件传送到蒸发腔体中，使用双角度蒸发方法制备约瑟夫森结的第一层，铝膜厚度为35nm，使用倾斜角度为30°；
d.器件传送到氧化腔体中，在腔体中通入纯氧气氧化铝膜表面，气压0.06torr，氧化时间为20min；
e.器件传送回蒸发腔体，蒸发铝膜85nm，倾斜角度为-30°，镀膜速率为1nm/s。
f.使用一甲基二吡咯烷酮剥离掉多余的铝膜和光刻胶。
制备的超导量子干涉器临界电流约为3.2μa，由此根据上述公式可以计算出非谐共振腔的最高频率为9.96ghz。
本实施例得到的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的性能测试结果为：如图6所示，阻抗匹配约瑟夫森参量放大器在最佳工作点的增益，最大增益达到20db，带宽为1ghz，工作中心频率大约为6.9ghz，与阻抗变换器频率符合。
本实施例的技术方案中，放大器的全部元件都集成在硅基片上，器件体积小，且所有元件全部由超导材料制备，器件的损耗会明显降低；而现有技术采用印刷线路板制作阻抗变换器，一般印刷线路板材料的正切损耗角为δ＝0.002，由α＝ktanδ得到衰减常数为0.0013，这里k是微波传播矢量，而使用基片上的超导材料制备的阻抗变换器，衰减常数几乎为0，待放大的信号微波在阻抗变换器中的损耗大大降低；
本实施例的技术方案中，使用镀膜、光刻等微加工方法制备阻抗变换器，使得加工精度更高，制备器件参数更加接近设计值，现有技术使用引线仪连接阻抗变换器和非谐共振腔，会造成信号微波的反射和损耗，限制了放大器的增益和带宽，本发明的阻抗变换器和非谐共振腔使用超导铝膜串联连接，避免了这个问题。现在的阻抗匹配约瑟夫森放大器带宽是600mhz，本发明中的带宽能够达到1ghz以上，使得测量量子比特数量能够增加一倍左右。
本实施例的技术方案中，使用自然氧化铝作为电容绝缘层，不必做绝缘层生长，简化了制备工艺，现有技术中使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，对于下层金属的覆盖均匀性不好，本实施例的技术方案中，自然氧化层在薄膜上形成均匀氧化层，没有蒸发薄膜的方向性问题，能够全面覆盖金属薄膜表面，保证了器件的可靠性。制备电容过程中不会出现短路情况，可以保证制备器件的可重复性和高成品率。现有技术使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，增加了一次光刻和镀膜工艺，器件制备工艺更加复杂。现有技术中使用电子束光刻，薄膜使用电子束蒸发镀膜，电容绝缘层使用蒸发的氧化铝薄膜，本发明中电容使用铝膜表面的自然氧化层，减少了镀膜次数，简化了制备工艺。
实施例4
阻抗匹配约瑟夫森参量放大器其制备方法如下：
(1)第一次镀膜、光刻
a.首先在清洗好的基片上镀厚度为100nm的铝膜，铝膜使用高真空电子束蒸发镀膜，镀膜速率为2nm/s；
b.使用紫外光刻方法制备需要的图形，阻抗变换器1、第一信号输入端口14、磁通偏置线31、第二信号输入端口32、电容22的下极板、地平面在此光刻中定义，当待放大的信号微波波长的长度l＝9.36mm，定义第一共面波导11的阻抗为50ω，第二共面波导12的阻抗为40ω，第二共面波导12的长度为0.25l，第三共面波导13的阻抗为58ω，第三共面波导13的长度为0.5l，如前所述，则阻抗变换器的频率为6.3ghz；
c.使用湿法腐蚀方法刻蚀铝膜，采用transene公司的a型铝膜腐蚀液，腐蚀速率约为0.8nm/s，腐蚀完成后使用一甲基二吡咯烷酮清洗光刻胶。
(2)第二次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备电容22上极板图形，使用的电子束光刻胶为双层mma/pmma光刻胶，电容22面积10μm×28μm；
b.在气压为10-3-10-6pa的真空腔体中使用氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，离子源为kaufman&robinson公司的kdc75型号。刻蚀时间为5分钟，使用的电压和电流分别为400v和40ma，此条件会刻蚀掉一部分铝膜，以保证氧化层被完全清理掉；
c.在气压为10-3-10-6pa的真空腔体中通入纯氧气，使腔体中气压达到100torr，铝膜在纯氧气中氧化10h，得到纯净的氧化铝层；
d.在维持气压为10-3-10-6pa的真空的条件下，器件传送到蒸发腔体中，在蒸发腔体中蒸发100nm，铝膜镀膜速率为2nm/s；
e.使用一甲基二吡咯烷酮剥离点多余的铝膜和光刻胶。
制备的电容值约为4.34pf。
(3)第三次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备第三次光刻，光刻的以下图形：超导量子干涉器21，超导量子干涉器21与地平面的连接部件23，超导量子干涉器21与电容22的连接部件24，电容22与阻抗变换器1的连接部件25；
b.氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，刻蚀时间5min，使用的电压和电流分别为400v和40ma；
c.器件传送到蒸发腔体中，使用双角度蒸发方法制备约瑟夫森结的第一层，铝膜厚度为50nm，使用倾斜角度为40°；
d.器件传送到氧化腔体中，在腔体中通入纯氧气氧化铝膜表面，气压0.1torr，氧化时间为30min；
e.器件传送回蒸发腔体，蒸发铝膜120nm，倾斜角度为-40°，镀膜速率为2nm/s。
f.使用一甲基二吡咯烷酮剥离掉多余的铝膜和光刻胶。
制备的超导量子干涉器临界电流约为2.7μa，由此根据上述公式可以计算出非谐共振腔的最高频率为6.92ghz。
本实施例得到的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器的性能测试结果为：如图7所示，阻抗匹配约瑟夫森参量放大器在最佳工作点的增益，最大增益达到21.5db，带宽为1ghz，工作中心频率大约为6.3ghz，与阻抗变换器频率符合。
本实施例的技术方案中，放大器的全部元件都集成在硅基片上，器件体积小，且所有元件全部由超导材料制备，器件的损耗会明显降低；而现有技术采用印刷线路板制作阻抗变换器，一般印刷线路板材料的正切损耗角为δ＝0.002，由α＝ktanδ得到衰减常数为0.0013，这里k是微波传播矢量，而使用基片上的超导材料制备的阻抗变换器，衰减常数几乎为0，待放大的信号微波在阻抗变换器中的损耗大大降低；
本实施例的技术方案中，使用镀膜、光刻等微加工方法制备阻抗变换器，使得加工精度更高，制备器件参数更加接近设计值，现有技术使用引线仪连接阻抗变换器和非谐共振腔，会造成信号微波的反射和损耗，限制了放大器的增益和带宽，本发明的阻抗变换器和非谐共振腔的连接使用超导铝膜，避免了这个问题。现在的阻抗匹配约瑟夫森放大器带宽是600mhz，本发明中的带宽能够达到1ghz以上，使得测量量子比特数量能够增加一倍左右。
本实施例的技术方案中，使用自然氧化铝作为电容绝缘层，不必做绝缘层生长，简化了制备工艺，现有技术中使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，对于下层金属的覆盖均匀性不好，自然氧化层在薄膜上形成均匀氧化层，没有蒸发薄膜的方向性问题，能够全面覆盖金属薄膜表面，保证了器件的可靠性。制备电容过程中不会出现短路情况，可以保证制备器件的可重复性和高成品率。现有技术使用蒸发的氧化铝作为绝缘层，增加了一次光刻和镀膜工艺，器件制备工艺更加复杂。现有技术中使用电子束光刻，薄膜使用电子束蒸发镀膜，电容绝缘层使用蒸发的氧化铝薄膜，本发明中电容使用铝膜表面的自然氧化层，减少了镀膜次数，简化了制备工艺。
实施例5
阻抗匹配约瑟夫森参量放大器其制备方法如下：
(1)第一次镀膜、光刻
a.首先在清洗好的基片上镀厚度为30nm的铝膜，铝膜使用高真空电子束蒸发镀膜，镀膜速率为0.1nm/s；
b.使用紫外光刻方法制备需要的图形，阻抗变换器1、第一信号输入端口14、磁通偏置线31、第二信号输入端口32、电容22的下极板、地平面在此光刻中定义，当待放大的信号微波波长的长度l＝7.2mm，定义第一共面波导11的阻抗为50ω，第二共面波导12的阻抗为40ω，第二共面波导12的长度为0.25l，第三共面波导13的阻抗为58ω，第三共面波导13的长度为0.5l，如前所述，则阻抗变换器的频率为8ghz；
c.使用湿法腐蚀方法刻蚀铝膜，采用transene公司的a型铝膜腐蚀液，腐蚀速率约为0.8nm/s，腐蚀完成后使用一甲基二吡咯烷酮清洗光刻胶。
(2)第二次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备电容22上极板图形，使用的电子束光刻胶为双层mma/pmma光刻胶，电容22面积10μm×15μm；
b.在气压为10-3pa-10-6pa的真空腔体中使用氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，离子源为kaufman&robinson公司的kdc75型号。刻蚀时间为1分钟，使用的电压和电流分别为100v和5ma，此条件会刻蚀掉一部分铝膜，以保证氧化层被完全清理掉；
c.在气压为10-3pa-10-6pa的真空腔体中通入纯氧气，使腔体中气压达到100torr，铝膜在纯氧气中氧化5h，得到纯净的氧化铝层；
d.在维持气压为10-3pa-10-6pa的真空的条件下，器件传送到蒸发腔体中，在蒸发腔体中蒸发50nm，铝膜镀膜速率为0.1nm/s；
e.使用一甲基二吡咯烷酮剥离点多余的铝膜和光刻胶。
制备的电容值约为2.4pf。
(3)第三次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备第三次光刻，光刻以下图形：超导量子干涉器21，超导量子干涉器21与地平面的连接部件23，超导量子干涉器21与电容22的连接部件24，电容22与阻抗变换器1的连接部件25；
b.氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，刻蚀时1min，使用的电压和电流分别为100v和5ma；
c.器件传送到蒸发腔体中，使用双角度蒸发方法制备约瑟夫森结的第一层，铝膜厚度为20nm，使用倾斜角度为40°；
d.器件传送到氧化腔体中，在腔体中通入纯氧气氧化铝膜表面，气压0.01torr，氧化时间为20min；
e.器件传送回蒸发腔体，蒸发铝膜50nm，倾斜角度为-40°，镀膜速率为0.1nm/s。
f.使用一甲基二吡咯烷酮剥离掉多余的铝膜和光刻胶。
制备的超导量子干涉器临界电流约为3.2μa，由此根据上述公式可以计算出非谐共振腔的最高频率为10.1ghz。
放大器在最佳工作点的放大性能，带宽能够达到1.1ghz，最大增益为20db，工作的中心频率为8ghz，与阻抗变换器频率符合。
实施例6
阻抗匹配约瑟夫森参量放大器其制备方法如下：
(1)第一次镀膜、光刻
a.首先在清洗好的基片上镀厚度为30nm的铝膜，铝膜使用高真空电子束蒸发镀膜，镀膜速率为0.1nm/s；
b.使用紫外光刻方法制备需要的图形，阻抗变换器1、第一信号输入端口14、磁通偏置线31、第二信号输入端口32、电容22的下极板、地平面在此光刻中定义，当待放大的信号微波波长的长度l＝11.8mm，定义第一共面波导11的阻抗为50ω，第二共面波导12的阻抗为40ω，第二共面波导12的长度为0.25l，第三共面波导13的阻抗为58ω，第三共面波导13的长度为0.5l，如前所述，则阻抗变换器的频率为5ghz；
c.使用湿法腐蚀方法刻蚀铝膜，采用transene公司的a型铝膜腐蚀液，腐蚀速率约为0.8nm/s，腐蚀完成后使用一甲基二吡咯烷酮清洗光刻胶。
(2)第二次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备电容22上极板图形，使用的电子束光刻胶为双层mma/pmma光刻胶，电容22面积10μm×25μm；
b.在气压为10-3pa-10-6pa的真空腔体中使用氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，离子源为kaufman&robinson公司的kdc75型号。刻蚀时间为1分钟，使用的电压和电流分别为100v和5ma，此条件会刻蚀掉一部分铝膜，以保证氧化层被完全清理掉；
c.在气压为10-3pa-10-6pa的真空腔体中通入纯氧气，使腔体中气压达到100torr，铝膜在纯氧气中氧化5h，得到纯净的氧化铝层；
d.在维持气压为10-3pa-10-6pa的真空的条件下，器件传送到蒸发腔体中，在蒸发腔体中蒸发50nm，铝膜镀膜速率为0.1nm/s；
e.使用一甲基二吡咯烷酮剥离多余的铝膜和光刻胶。
制备的电容值约为3.9pf。
(3)第三次镀膜、光刻
a.使用电子束光刻制备第三次光刻，光刻的以下图形：超导量子干涉器21，超导量子干涉器21与地平面的连接部件23，超导量子干涉器21与电容22的连接部件24，电容22与阻抗变换器1的连接部件25；
b.氩离子刻蚀方法去除铝膜表面的氧化层，刻蚀时间为1min，使用的电压和电流分别为100v和5ma；
c.器件传送到蒸发腔体中，使用双角度蒸发方法制备约瑟夫森结的第一层，铝膜厚度为20nm，使用倾斜角度为30°；
d.器件传送到氧化腔体中，在腔体中通入纯氧气氧化铝膜表面，气压0.02torr，氧化时间为30min；
e.器件传送回蒸发腔体，蒸发铝膜50nm，倾斜角度为-30°，镀膜速率为0.1nm/s。
f.使用一甲基二吡咯烷酮剥离掉多余的铝膜和光刻胶。
制备的超导量子干涉器临界电流约为2μa，由此根据上述公式可以计算出非谐共振腔的最高频率为6.28ghz。
放大器在最佳工作点的放大性能，带宽能够达到1.0ghz，最大增益为20db，工作的中心频率为5ghz，与阻抗变换器频率符合。
通过以上实施例2、3、4可以看出，本发明中的放大器最大增益能够达到21db，最大带宽能够达到1ghz。通过改变阻抗变换器长度、电容值大小和超导量子干涉器的临界电流，则可以控制放大器的工作频率。待放大的信号微波波长的长度l控制在7.2mm-12mm范围，电容22的电容值控制在2ff-6ff，超导量子干涉器21的临界电流控制在2μa-5μa，则放大器的工作频率范围能够达到5ghz-8ghz。在此只是对待放大的信号微波的波长l、电容22的电容值、超导量子干涉器21的临界电流、第一共面波导11的阻抗，第二共面波导12的阻抗，第二共面波导12的长度，第三共面波导13的阻抗，第三共面波导13的长度等参数进行了举例，根据需要也可以对相关参数进行变换，以制备合适的工作频率、增益、带宽的放大器。