汪书娜1，2 ，余慧勤1，2 ，原蒲升1，2 ，王永良1，2 ，李凌云1，2，3 ，尤立星1，2，3 ( 1． 中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室，上海 200050; 2． 中国科学院超导电子学卓越创新中心，上海 200050; 3． 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049)

摘要: 为实现室温与低温系统之间的跨温区互联，自主设计并研制了一款低漏热的可适用于液氦温区及跨温 区互联的柔性线。低温 4． 2 K 时，数据传输速率≥19 Gbps，40 K 至 4． 2 K 温区内 30 cm 长柔性线漏热值为 102 μW，漏热性能优于商用同类线缆。多通道柔性线成功应用于 32 像素超导纳米线单光子探测器系统，可实现低温 同轴线缆的替代。

关键词: 跨温区互联; 柔性线; 数据传输速率; 漏热; 超导单光子探测器

Development of cryogenic interconnected flexible cable

Abstract: In order to realize the interconnection across temperature zones between room temperature and cryogenic systems， we have designed and developed flexible cables with low heat loss that can be applied in the liquid helium temperature region and interconnection across temperature zones． The data transmission rate is greater than 19 Gbps at 4． 2 K and the heat loss of a single － channel flexible cable with length of 30 cm is 102 μW，which is better than that of the commercially available cables in terms of heat loss performance． Multi － channel flexible cables are successfully applied to 32 － pixel superconducting nanowire single － photon detector system． The flexible cables can realize the replacement of the cryogenic coaxial cables．

Keyword: Interconnection across temperature zones，Flexible cable，Data transmission rate，Heat loss，Superconducting single photon detector

1 引言 

    低温电子学作为下一代信息技术领域的新兴 学科，近年来得到越来越多的关注［1，2］。围绕低 温到室温的微弱、高频电信号传输为核心的跨温 区互联技术是低温电子学和量子信息处理必须要 解决的关键技术之一［3，4］。制冷机提供的低温环 境部分与室温环境部分的跨温区互联，除了提供 直流偏置的直流传输线，还需要提供射频信号输 入/输出的高速传输线，以实现低温与室温之间高 速( GHz) 、低幅值( ～ mV) 的数字信号传输。

    在目前的低温集成系统中，低温同轴线具有 屏蔽效果好和高频损耗低等特点，成为低温系统 中常采用的低温与室温的互联线缆［5］。但同轴线一般为半刚性，难以盘绕，漏热大，且主要依赖 于国外采购，成本高周期长。

    以 PI( 聚酰亚胺) 或 LCP( 液晶聚合物) 等柔 性介质作为基材制成的柔性传输线，具有柔韧性 好、所占空间小、集成度高、漏热低和可满足特定 高频高速传输等特点［6］，在超导纳米线单光子探 测器( SNSPD) 和量子计算等超导领域具有广泛 的应用需求［7］。

    本文基于室温与低温系统之间的跨温区互联 应用需求，设计并研制了一款低漏热的柔性传输 线，测试了其室温和液氦温区电信号传输性能，以 及漏热数值，并将其性能与国际上性能领先的线 缆进行了对比。

2 柔性线设计与仿真 

2． 1 材料选取

    固定尺寸时，柔性线的漏热值与柔性线金属 导体的热导率成正比。根据 Wiedemann － Franz 定律可知，大部分金属的热导率与电导率成正比。 采用高电导率金属制成的柔性线，信号传输能力 强、插损小，但漏热大; 低电导率金属制成的柔性 线，信号传输能力弱、插损大，但漏热小。受限于 制冷机冷量限制，选取柔性线导体金属材料时需 平衡信号传输能力和漏热关系。

    不同温度下部分金属材料热导率如图 1 所 示，银热导率最高，不锈钢热导率最低。其中铍铜 材料作为金属导体已在低温同轴线得到了广泛的 应用，具有极高的延展性，并且具有极好的导电性 和导热性。基于低漏热的应用需求，综合考虑信号传输能力和漏热关系、材料硬度、工艺成熟度和 成本等因素，选取铍铜作为柔性线导体的金属材料。

    柔性线介质材料选取需要考虑柔性和低温韧 性。PI 和 LCP 为常用的柔性电路板介质材料。 PI 材料具有柔韧性好、耐 高 低 温 ( － 269 ～ 400 ℃ ) 、耐腐蚀、热膨胀系数小等综合性能［8，9］， 并且种类繁多。LCP 材料性能均一，具有稳定的 电学性能和良好的尺寸稳定性，与 PI 相比，具有 更低的介电常数和介电损耗因子，适用于更高的 频率，但是价格相对也较昂贵。考虑到实际使用 频率、采购周期和成本，设计中选用国产常规 PI。 表 1 为设计中使用的国产 PI 和松下的一款 LCP 性能参数，相同厚度条件下，PI 的损耗大于 LCP。

2． 2 仿真设计

    根据上述分析，本设计柔性线介质和金属导 体材料分别采用国产 PI 和铍铜，设计频率截止至 20 GHz。采用微带线结构的柔性线，介质 PI 厚度 为 0． 05 mm 时，阻抗 50 Ω 对应的顶层线宽为 0． 1 mm，但线端使用的接头探针直径一般大于 0． 1 mm，接头探针接触部分的柔性线顶层线宽若 变宽与接头探针宽度一致，该段阻抗会小于 50 Ω，导致接头与柔性线连接处阻抗匹配差，反射变 大。为改善传输线和接头处的阻抗匹配，在设计 传输线与接头过渡结构时，将接头探针接触部分 的柔性线变宽同时，对应传输线的背面地使用 DGS( Defected Ground Structure) 结构开槽［10］，补 偿顶层线宽变宽带来的阻抗变化，如图 2 所示，通 过对开槽尺寸的优化，将该段过渡结构阻抗补偿 到50 Ω，实现传输线与接头的阻抗匹配。

    使用了 DGS 结构改善后的传输线损耗仿真结 果如图3 所示，线长为100 mm。仿真结果显示: 随着 频率升高，柔性线的损耗逐渐变大; 线长 100 mm 的 损耗值为: 1． 3 dB@ 1 GHz，5． 5 dB@ 10 GHz。

    为满足更高的集成度应用需求，设计仿真了多通道柔性线模型。对相邻通道的间距进行了优 化，使通道间串扰满足要求。图 4 为每通道线宽 为 1 mm，通道间间距为 1 mm 时，各通道传输损 耗 IL 和相邻通道间隔离度 ISO 仿真结果。仿真 结果表明: 各通道传输损耗与单通道柔性线一致， 随着频 率 升 高，损 耗 逐 渐 变 大; 各 通 道 间 串 扰 ＜ － 37 dB，满足大部分超导领域的应用需求。

    图 5 是基于上述建立的柔性线模型计算得到 的漏热值。从图中可以看出，30 cm 长的柔性线 若从 300 K 直接传输信号至 4． 2 K 时，漏热值为 3． 42 mW，热负载直接加载在 4． 2 K 温区，造成冷 量大量损失。液氦温区低温制冷机一般分为两级 制冷，柔性线实际传输中会设置中间温度。30 cm 长柔性线从中间温度( 约 40 K) 传输信号至液氦 温区，对于液氦温区级漏热数值为 0． 08 mW，冷 量损失从 3． 42 mW 降至 0． 08 mW。对于中间温 度级而言，其漏热来源于 300 K 至 40 K，30 cm 长 柔性线漏热数值为 3． 34 mW。

3 性能测试

    图 6 为自制的( a) 单通道和( b) 16 通道柔性 线实物图，命名为 SIMIT 柔性线。单通道线长 30 cm，线端匹配 SMA 接头，16 通道线端匹配集成 SSMP 连接器，支持频率 40 GHz 以上。线缆弯曲 半径小于 2 mm，柔韧度高。

3． 1 电性能测试 

    图 7( a) 为 SIMIT 柔性线在300 K 与4． 2 K 下 的传输损耗仿真和测试结果对比图。结果表明， 柔性线室温测试结果与数值仿真结果基本吻合， 损耗 3 dB 的带宽为 4 GHz。4． 2 K 时，由于金属 的导电率变大，介质的损耗因子变小，柔性线的传 输损耗减小，带宽比室温提高一倍以上，损耗 3 dB 的带宽大于 9 GHz。图 7( b) 为 SIMIT 多通道 柔性线的相邻通道间串扰测试结果，测试频率截至 9 GHz，各通道间串扰 ＜ － 35 dB，与仿真结果一致。

    图 8 为 SIMIT 柔性线在 300 K 与 4． 2 K 下的传输误码和眼图测试结果。300 K 时，置 信 度 95% ，误码 ＜ 10 － 12，数据传输率≥15 Gbps; 4． 2 K 时，置信度 95% ，误码 ＜ 10 － 12，数据传输率≥19 Gbps。其中，4． 2 K 的测试链路包含 2 根 1 m 跨 温区同轴测试线缆。

3． 2 热性能测试 

    为测试柔性线漏热值，利用 G － M 制冷机搭 建了一套测试系统。通过加热片控制一级和二级 冷平台温度分别稳定在 40 K 和 4． 2 K。进行对 比实验，即 G － M 制冷机无负载( 不搭载线缆) 和 G － M 制冷机内一级冷平台和二级冷平台之间布 置待测线缆，测试两种工况下二级冷平台制冷量， 两次实验测得的制冷量差值即为 4． 2 K 时线缆漏 热值。

    图 9 为设计的 SIMIT 柔性线漏热测试数值， 系统搭载了 10 根 30 cm 的 SIMIT 柔性线。实验 结果表明，一级冷平台温度固定在 40 K，二级冷 平台分别为 4 K、4． 2 K 和 4． 4 K 时，由线缆引入带来的冷量损失分别为 0． 87 mW、1． 02 mW 和 0． 93 mW，即对应的单根 30 cm 的 SIMIT 柔性线 漏热值分别为 87 μW、102 μW 和 93 μW。

    多通道 SIMIT 柔性线设计结构表明其漏热值 为单通道柔性线和通道数的乘积，30 cm 长的 16 通道 SIMIT 柔性线 40 K 至 4． 2 K 的漏热值为 1． 63 mW。

3． 3 性能对比 

    图 10 为不同机构的低温传输线缆，长度均为 30 cm。其中( a) 机构 A 同轴线; ( b) 机构 B 柔 性线; ( c) 本设计的 SIMIT 柔性线，其中( a) 和( b) 线缆为国际上性能领先产品。

    最低温测试结果表明，当测试系统内分别放 置 10 根 30 cm 长的机构 A 同轴线和 SIMIT 柔性 线，最低温温升分别为 0． 14 K 和 0． 02 K。机构 B 柔性线因价格昂贵，并未采购相应数量，未开展相 应最低温对比实验。

    漏热测试结果表明，当一级和二级冷平台温 度分别为 40 K 和 4． 2 K 时，单根 30 cm 的机构 A 同轴线、机构 B 柔性线和 SIMIT 柔性线漏热值分 别为 440 μW、180 μW 和 102 μW。

    表 2 为上述三款低温传输线缆特性汇总表。 由表 2 可以看出，机构 A 同轴线传输性能优于自 制的 SIMIT 柔性线和机构 B 柔性线; 但 SIMIT 柔 性线在漏热性能方面表现最优，可满足低漏热需 求的相关应用。

3． 4 应用 

    与传统 SNSPD 相比，多像素 SNSPD 阵列能 够同时实现高效、高速、光子数可分辨的高综合性 能［11］。多像素 SNSPD 阵列的结构为器件端各个 像素单独偏置与输出，随着像素增加，系统所需的 射频线缆数量增加，同轴线引入的漏热会导致系 统温度大幅度提升，无法满足器件测试所需的低 温环境，低漏热的 SIMIT 柔性线可取代同轴线成 为多像素 SNSPD 阵列应用的互联传输线缆。

    图 11 为 32 像素 SNSPD 阵列低温系统。当 系统未搭载线缆时，系统最低温为 2． 18 K。当系 统在室温至一级冷平台之间、一级冷平台至二级 冷平台之间和二级冷平台至器件封装盒之间分别搭载了两组 16 通道 SIMIT 柔性线时，系统最低温 为 2． 23 K，温升 0． 05 K，满足器件测试所需的低 温环境。

    图 12 为相同温度下，上述系统采用机构 A 同轴 线 和 SIMIT 柔性线作为传输线缆，器 件 电流 － 电压( I － V) 特性曲线对比图( a) 和输出波 形对比图( b) 。由图 12 可以看出，采用上述两款 线缆互联，器件的 I － V 特性曲线图和输出波形图 基本重合。

4 结论 

    本文基于低温电子学应用需求，综合平衡传 输线的信号传输速率和漏热之间的关系，自主设 计并研制了一款低漏热的适用于液氦温区及跨温 区互联的 SIMIT 柔性线。300 K 下，数据传输速 率≥15 Gbps; 4． 2 K 下，数据传输速率≥19 Gbps。 30 cm 长度的 SIMIT 柔性线 1 GHz 的传输损耗为 4 dB，单通道 40 K ～ 4． 2 K 温区内线缆漏热数值 为 102 μW，漏热性能优于商用同类线缆。为满足 高集成化的应用需求，在单通道柔性线的基础上， 研制了 16 通道的 SIMIT 柔性线，通道间的串扰 ＜ － 35 dB，40 K ～ 4． 2 K 温区内线缆漏热数值为 1． 63 mW。多通道柔性线成功应用于 32 像素超 导纳米线单光子探测器系统，与采用机构 A 同轴 线作为系统的互联传输线缆相比，器件的 I － V 特 性曲线及输出脉冲波形基本一致。且系统温升仅 0． 05 K，可满足器件测试需求。实验结果表明，自 制的 SIMIT 柔性线在 SNSPD 应用领域完全可以 实现现有同轴线缆的替代，实现室温与低温互联。 此外它也可以为其它低温电子学应用提供高性价 比互联解决方案。

参考文献 

［1］Sapan Agarwal，Hiro Akinaga，Ｒivu Midya，et al． Beyond CMOS． IEEE 2017 The international road map for devices and systems，2017，43 － 53．

［2］D S Holmes，A L Ｒipple，M A Manheimer，et al． Energy － efficient superconducting computing － power budgets and requirements［J］． IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2013，23( 3) : 1701610． 

［3］原蒲升，余慧勤，汪书娜，等． 跨温区互联技术［J］． 低温物理学报，2020，42( 3) : 117 － 128． 

［4］Y Hashimoto，S Yorozu，T Miyazaki，et al． Implementation and experimental evaluation of a cryocooled system prototype for high － throughput SFQ digital applications［J］． IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2017，17 ( 2) : 546 － 551． 

［5］D Gupta，S Sarwana，D Kirichenko，et al． Digital output data links from superconductor integrated circuits［J］． IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2019， 29( 5) : 1 － 8． 

［6］Harris A I，Sieth M，Lau J M，et al． Cryogenic microstripline － on － Kapton microwave interconnects［J］． Ｒeview of Scientific Instruments，2012，83( 8) : 086105． 

［7］李春光，王佳，吴云，等． 中国超导电子学研究及应 用进展［J］． 物理学报，2021，70( 1) : 018501． 

［8］Liaw D J，Wang K L，Huang Y C，et al． Advanced polyimide materials: Syntheses，physical properties and applications［J］． Progress in Polymer Science，2012，37 ( 7) : 907 － 974． 

［9］Bai L，Zhai L，He M H，et al． Preparation of heat － resistant poly( amide － imide) films with ultralow coefficients of thermal expansion for optoelectronic application［J］． Ｒeactive and Functional Polymers，2019( 141) : 155 － 164． 

［10］Dal A，Park J S，Kim C S，et al． A design of the low － pass filter using the novel microstrip defected ground structure． IEEE Trans． on Microwave Theory and Tech，2001，49( 1) : 86 － 93． 

［11］黄佳． 高速、光子数可分辨的超导纳米线单光子探 测器阵列［D］． 北京: 中国科学院大学，2019．