DE10033178C2 - Cryoelectronic microwave circuit with Josephson contacts and its use - Google Patents
Cryoelectronic microwave circuit with Josephson contacts and its useInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreis
mit einer Vielzahl von Josephsonkontakten und dessen Verwendung.
Josephson-Einrichtungen, wie insbesondere Josephson-
Spannungsnormale, die auf der Grundlage des Wechselstrom-Josephson-
Effektes arbeiten, haben bereits Eingang in die Präzisionsmeßtechnik
gefunden. Bei diesen Spannungsnormalen nutzt mau die Frequenz-
Spannungs-Umsetzung an einem Josephsonkontakt aus. Bringt man
nämlich ein Josephsonkontakt in ein hochfrequentes Wechselfeld der
Frequenz f ein, so wird die interne Josephson-Oszillation durch das
externe Wechselfeld synchronisiert. Dabei treten in der Strom-
Spannungs-Kennlinie Stufen konstanter Spannung, sogenannte Shapiro-
Stufen auf, die auf folgende Weise mit der Frequenz f verknüpft sind:
The invention relates to a cryoelectronic microwave circuit with a plurality of Josephson contacts and the use thereof. Josephson devices, such as Josephson voltage standards in particular, which operate on the basis of the AC Josephson effect, have already found their way into precision measurement technology. With these voltage standards, mau uses the frequency-voltage conversion on a Josephson contact. If you bring a Josephson contact into a high-frequency alternating field of frequency f, the internal Josephson oscillation is synchronized by the external alternating field. Steps of constant voltage, so-called Shapiro steps, occur in the current-voltage characteristic curve, which are linked to frequency f in the following way:
Un = n.(h/2e).f mit n = . . . -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, . . . (ganze Zahl)
U n = n. (H / 2e) .f with n =. , , -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3,. , , (integer)
(n: Ordnung der Shapirostufe, h: Planck'sches Wirkungsquantum, e: Elementarladung). Um bei einer Frequenz f von beispielsweise 70 GHz das 10-V Spannungniveau zu erreichen, sind Serienschaltungen von 14000 und mehr Josephsonkontakten erforderlich.(n: order of the Shapiro level, h: Planck's quantum of action, e: Elementary charge). To at a frequency f of 70 GHz, for example to reach the 10 V voltage level are series connections from 14,000 or more Josephson contacts required.
Nach dem Stand der Technik sind koplanare Streifenleitungen bekannt,
bei denen zwei metallische Streifenleiter mit der Breite w und dem
Abstand s auf einem Substrat der Dicke h und der
Dielektritzitätskonstante εr aufgebracht sind (H. Meinke, F. W. Grundlach,
"Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", K15-K16, Springer-Verlag,
1992). Damit ist es möglich, hochfrequente Wechselfelder (Mikrowellen)
zu führen. Weil die koplanare Streifenleitung aus zwei einfachen
metallischen Streifenleitern auf einem dielektrischen Substrat besteht,
können damit aber beispielsweise keine Schaltkreise zu Erzeugung
hochgenauer Spannungen (Spannungsnormale) hergestellt werden, die
aber bereits zum bekannten Stand der Technik gehören (V. Kose,
F. Melchert "Quantenmaße in der elektrischen Meßtechnik" S. 24-41,
VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991):
Um Mikrowellenschaltkreise mit Josephsonkontakten, insbesondere zur
Erzeugung von hochgenauen Spannungen zu realisieren, wurden die
Josephsonkontakte in eine Mikrostreifenleitung integriert. Aus Appl. Physics Letters, Bd. 47, 1985, S. 1222-1223
geht
hervor, daß das Josephson-Spannungsnormal wie folgt
aufgebaut ist: Es enthält 1440 Josephsonkontakte,
die in vier als Mikrostreifenleiter gestalteten
Ketten mit jeweiligen Abschlußwiderstand äquidistant hintereinander
angeordnet sind. Zur Aufsummierung der Spannungen an den einzelnen
Josephsonkontakten sind die vier Ketten gleichstrommäßig
hintereinandergeschaltet. Um eine optimale Mikrowellenanregung der
Josephsonkontakte gewährleisten zu können, werden die Ketten
mikrowellenmäßig parallel geschaltet. Gleichzeitig müssen alle
Josephsonkontakte in Reihe geschaltet sein. Dieses Problem wird durch
sogenannte "dc-Blocks" gelöst, die die Mikrowelle passieren lassen, aber
den Gleichstrom sperren. Die entsprechende Mikrowelle mit einer
Frequenz von 70 oder 90 GHz werden über einen Hohlleiter und über
einen sogenannten Flossenleitungsübergang (finline taper) auf die
einzelnen Mikrostreifenleitungen mit den Josephsonkontakten als
fortlaufende Welle transformiert. Damit sich auf den
Mikrostreifenleitungen eine fortlaufende Welle ausbreiten kann, werden
die Mikrostreifenleitungen mit absorbierenden Leitungen (Load)
abgeschlossen.According to the prior art, coplanar striplines are known in which two metallic striplines with the width w and the distance s are applied to a substrate of thickness h and the dielectric constant ε r (H. Meinke, FW Grundlach, "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", K15-K16, Springer-Verlag, 1992). This makes it possible to carry high-frequency alternating fields (microwaves). Because the coplanar stripline consists of two simple metallic striplines on a dielectric substrate, it is not possible, for example, to produce circuits for generating high-precision voltages (voltage standards), but these are already part of the known prior art (V. Kose, F. Melchert "Quantum Dimensions in electrical measurement technology "S. 24-41, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991):
In order to implement microwave circuits with Josephson contacts, in particular for the generation of high-precision voltages, the Josephson contacts were integrated in a microstrip line. From appl. Physics Letters, Vol. 47, 1985, pp. 1222-1223 shows that the Josephson voltage standard is structured as follows: It contains 1440 Josephson contacts, which are arranged in four chains, each designed as a microstrip line, with each terminating resistor equidistantly one behind the other. The four chains are connected in series in direct current to add up the voltages at the individual Josephson contacts. In order to be able to guarantee an optimal microwave excitation of the Josephson contacts, the chains are microwave-connected in parallel. At the same time, all Josephson contacts must be connected in series. This problem is solved by so-called "dc blocks", which allow the microwave to pass through but block the direct current. The corresponding microwave with a frequency of 70 or 90 GHz is transformed via a waveguide and a so-called finline taper onto the individual microstrip lines with the Josephson contacts as a continuous wave. So that a continuous wave can propagate on the microstrip lines, the microstrip lines are terminated with absorbing lines (load).
Die Integration der Josephsonkontakte in eine Mikrostreifenleitung hat den Nachteil, daß zusätzlich zur Herstellung der Josephsonkontakte ein dickes Dielektrikum und eine zweite Metallschicht als Ground herzustellen sind. Insbesondere die defektfreie technologische Herstellung des 1 µm bis 3 µm dicken Dielektrikums (beispielsweise aus Siliziumdioxid) bereitet große Probleme. Zusätzlich müssen noch die sogenannten "dc-Blocks" technologisch realisiert werden. Das alles bedeutet einen erhöhten herstellungstechnischen Aufwand.The integration of the Josephson contacts in a microstrip line has the disadvantage that in addition to the manufacture of the Josephson contacts thick dielectric and a second metal layer as ground are to be produced. In particular, the defect-free technological Production of the 1 µm to 3 µm thick dielectric (e.g. from Silicon dioxide) causes big problems. In addition, the so-called "dc blocks" can be technologically realized. All that means an increased manufacturing effort.
Ein Vorschlag zur Vereinfachung der Technologie ist in S. P. Benz, "Superconductor-normal-superconductor, junctions for programmable voltage standards", Appl. Phys. Lett., Bd. 67, No. 18, S. 2714-2716, 1995 beschrieben. Hier sind die Josephsonkontakte in den Innenleiter einer Koplanarleitung (CPW: coplanar waveguide) integriert, die beiden äußeren Masseleitungen der Koplanarleitung bestehen aus reinem supraleitenden Material. Der Nachteil der Herstellung des dicken Dielektrikums entfällt zwar hier, dafür müssen aber bei jeder Krümmung der Koplanarleitung die beiden äußeren Masseleiter kurzgeschlossen werden, um die Anregung unerwünschter Moden zu vermeiden. Dieser notwendige Potentialausgleich wirkt sich deshalb nachteilig aus, weil er zusätzlichen technologischen Aufwand erfordert. Ein weiterer Nachteil sind die auch hier benötigten "dc-Blocks". Der dort zu entnehmende Schaltkreis ist in Segmente aus je 512, 512, 1024, 2048 und 4096 Josephsonkontakten aufgebaut, die seperat mit Gleichstrom versorgt werden können. Diese bitserielle Einteilung in Segmente aus 2m Josephsonkontakten (m = . . ., 9, 10, 11, 12, . . .) ist ein neuer Typ von Josephson-Spannungsnormalen, die als programmierbare Josephson- Spannungsnormale bezeichnet werden. Das Prinzip dieses programmierbaren Spannungsnormals besteht darin, daß die Josephsonkontakte jedes Segments in Abhängigkeit von dem jeweils eingestellten Gleichstrom auf der Shapirostufe n = 1, n = -1 oder n = 0 arbeiten. Die Gesamtspannung ergibt sich dann aus der Summe der Spannungen aller Einzelsegmente, so daß die Gesamtspannung wieder hochgenau und zusätzlich sehr schnell mit der Auflösung des kleinsten Segments einstellbar ist.A proposal to simplify the technology can be found in SP Benz, "Superconductor-normal-superconductor, junctions for programmable voltage standards", Appl. Phys. Lett., Vol. 67, No. 18, pp. 2714-2716, 1995. Here the Josephson contacts are integrated in the inner conductor of a coplanar line (CPW: coplanar waveguide), the two outer ground lines of the coplanar line consist of pure superconducting material. The disadvantage of producing the thick dielectric does not apply here, but the two outer ground conductors must be short-circuited for each curvature of the coplanar line in order to avoid the excitation of undesired modes. This necessary equipotential bonding is disadvantageous because it requires additional technological effort. Another disadvantage is the "dc blocks" that are also required here. The circuit to be removed there is built up in segments of 512, 512, 1024, 2048 and 4096 Josephson contacts, which can be supplied separately with direct current. This bit-serial division into segments of 2 m Josephson contacts (m =..., 9, 10, 11, 12,...) Is a new type of Josephson voltage standard, which is called programmable Josephson voltage standard. The principle of this programmable voltage standard is that the Josephson contacts of each segment work on the Shapiro level n = 1, n = -1 or n = 0 depending on the set direct current. The total voltage then results from the sum of the voltages of all individual segments, so that the total voltage can be adjusted again with high precision and additionally very quickly with the resolution of the smallest segment.
Um mit dem programmierbaren Spannungsnormal metrologisch relevante hochgenaue Spannungen bis 10 V erzeugen zu können, sind hier bis 300000 Josephsonkontakte notwendig, was eine hohe Integrationsdichte von Josephsonkontakten erfordert.In order to be metrologically relevant with the programmable voltage standard To be able to generate high-precision voltages up to 10 V are up to 300000 Josephson contacts necessary, which is a high integration density required by Josephson contacts.
Damit tritt ein weiterer Nachteil der hier beschriebenen Methoden zur homogenen Mikrowellenversorgung der Josephonkontakte hervor, nämlich deren geringe Intregrationsdichte.This is another disadvantage of the methods described here homogeneous microwave supply of the Josephon contacts, namely their low integration density.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellenschaltkreis anzugeben, bei dem Josephsonkontakte mit einer hohen Integrationsdichte mit einer homogenen Mikrowelle versorgt werden, um beispielsweise hochgenaue Spannungen bis 10 V erzeugen zu können. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Josephsonkontakte in beide Streifenleiter einer koplanaren Streifenleitung (CPS: coplanar strips) integriert angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner weitere Verwendungen dieses Mikrowellenschaltkreises.The invention has for its object a microwave circuit specify where Josephson contacts with a high Integration density can be supplied with a homogeneous microwave for example, to be able to generate high-precision voltages up to 10 V. The problem is solved in that the Josephson contacts in both Stripline of a coplanar stripline (CPS: coplanar strips) are integrated. The invention further relates to others Uses of this microwave circuit.
Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs beispiele näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on a schematic embodiment examples will be explained in more detail. Show it:
Fig. 1a einen Streifenleiter mit integrierten Josephsonkontakten in einem seitlichen Schnitt, Fig. 1a a strip conductor with integrated Josephson junctions in a lateral section,
Fig. 1b eine koplanare Streifenleitung mit integrierten Josephsonkontakten in Draufsicht, FIG. 1b a coplanar strip line with integrated Josephson junctions in plan view,
Fig. 1c die koplanare Streifenleitung mit integrierten Josephsonkontakten nach Fig. 1b in einem Schnitt entlang einer Ebene X-X, FIG. 1c, the coplanar strip line with integrated Josephson junctions of FIG. 1b, in a section along a plane XX
Fig. 2 ein Beispiel für die Verwendung eines kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreises als Spannungsnormal und Fig. 2 shows an example of the use of a cryo-electronic microwave circuit as a voltage standard and
Fig. 3 ein weiteres Beispiel für die Verwendung eines kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreises als programmierbares Spannungsnormal. Fig. 3 shows another example of the use of a cryo-electronic microwave circuit as a programmable voltage standard.
Fig. 1a zeigt einen Streifenleiter mit integrierten Josephsonkontakten 40 in einem seitlichen Schnitt; Fig. 1b eine koplanare Streifenleitung mit integrierten Josephsonkontakten nach Fig. 1a in Draufsicht und Fig. 1c einen Schnitt entlang einer Ebene X-X gemäß Fig. 1b. Im Beispiel ist auf einem oxidierten Si-Substrat 3 zunächst eine Supraleiterschicht 41 einer Dicke von 150 nm abgeschieden. Darauf sind eine Isolationsschicht 42 einer Dicke von ca. 2 nm und eine weitere Supraleiterschicht 43 einer Dicke von 400 nm zur Bildung der einzelnen Josephsonkontakte 40 mit den schematisch dargestellten Strukturen aufgebracht. Es ist im Rahmen vorliegender Erfindung dabei unerheblich, welche Supraleitermaterialien, ob konventionelle oder HTSL-Supraleiter, zum Einsatz gelangen. Insbesondere können die Josephsonkontakte 40 durch SIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Supraleiter Josephsonkontakte), wie Nb-Al2O3-Nb, oder SNS-Kontakte (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter Josephsonkontakte), wie Nb-PdAu-Nb, oder SINIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Isolator-Supraleiter Josephson kontakte), wie Nb-Al2O3-Al-Al2O3-Nb, gebildet sein. Die Herstellung solcher einzelner Josephsonkontakte 40 ist ebenfalls Stand der Technik und bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Ausführung. Für die Erfindung bedeutsam ist jedoch, daß die Josephsonkontakte 40 wenigstens in einer koplanaren Streifenleitung 1, bestehend aus zwei einzelnen Streifenleitern 11, 12, angeordnet sind. Die Beabstandung s der beiden Streifenleiter 11, 12 beträgt im Beispiel 3 µm. Ebenso ist die Breite w eines Streifenleiters in Grenzen frei wählbar und kann im Beispiel zwischen 1 . . . . 60 µm betragen. Durch die konkrete Wahl vorstehend genannter Parameter ist der Wellenwiderstand und die Dämpfung der koplanaren Streifenleitung einstellbar. FIG. 1a shows a strip line with integrated Josephson contacts 40 in a lateral section; FIG. 1b a coplanar strip line with integrated Josephson junctions of Fig. 1a in plan view, and Fig. 1c is a section along a plane XX of FIG. 1b. In the example, a superconductor layer 41 with a thickness of 150 nm is first deposited on an oxidized Si substrate 3 . An insulation layer 42 with a thickness of approximately 2 nm and a further superconductor layer 43 with a thickness of 400 nm are applied thereon to form the individual Josephson contacts 40 with the structures shown schematically. In the context of the present invention, it is irrelevant which superconductor materials, whether conventional or HTSL superconductors, are used. In particular, the Josephson contacts 40 can be made using SIS contacts (superconductor-insulator-superconductor Josephson contacts), such as Nb-Al 2 O 3 -Nb, or SNS contacts (superconductor-normal conductor-superconductor Josephson contacts), such as Nb-PdAu-Nb, or SINIS -Contacts (superconductor-insulator-normal conductor-insulator-superconductor Josephson contacts), such as Nb-Al 2 O 3 -Al-Al 2 O 3 -Nb, may be formed. The production of such individual Josephson contacts 40 is also state of the art and does not require any further execution at this point. It is important for the invention, however, that the Josephson contacts 40 are arranged at least in a coplanar strip line 1 consisting of two individual strip lines 11 , 12 . The spacing s of the two strip conductors 11 , 12 is 3 μm in the example. Likewise, the width w of a stripline can be freely selected within limits and in the example can be between 1. , , , 60 µm. The wave resistance and the attenuation of the coplanar stripline can be set by the specific choice of the above-mentioned parameters.
So kann durch entsprechende Wahl der Beabstandung s zwischen 1 µm . . . 5 µm und der Breite w der Josephsonkontakte die Dämpfung (im Beispiel 0,2 db/cm) und der Wellenwiderstand (im Beispiel 30 . . . 200 Ω) der koplanaren Streifenleitung eingestellt werden.By appropriate choice of the spacing s between 1 µm. , , 5 µm and the width w of the Josephson contacts the damping (in Example 0.2 db / cm) and the wave resistance (in the example 30 ... 200 Ω) the coplanar stripline.
Im Beispiel nach den Fig. 1 sind auf beiden Streifenleitern 11, 12 der koplanaren Streifenleitung 1 zwischen 1000 bis 20000 Josephsonkontakte 40 vorgesehen. Dabei ist ersichtlich, daß bei gleicher Länge des Wellenleiters doppelt so viele Josephsonkontakte in die koplanare Streifenleitung integrierbar sind, als dies bei vergleichbaren Mikrowellenschaltkreisen nach dem Stand der Technik möglich wäre.In the example according to FIG. 1, between 1000 and 20,000 Josephson contacts 40 are provided on both strip conductors 11 , 12 of the coplanar strip line 1 . It can be seen that, with the same length of the waveguide, twice as many Josephson contacts can be integrated into the coplanar stripline as would be possible with comparable microwave circuits according to the prior art.
In Fig. 2 zeigt schematisch die Verwendung einer koplanaren Streifenleitung 1 mit integrierten Josephsonkontakten als kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis für ein Spannungsnormal. Ein derartiger Mikrowellenschaltkreis ist insbesondere Teil einer Einrichtung zur Erzeugung eines hochpräzisen Spannungsstandards mit Hilfe von Josephsonkontakten. In der schematisch ausgeführten Fig. 2 der Zeichnung nicht dargestellte Teile dieser Einrichtung, wie übliche Kühlmittelbehälter, Mittel zur Frequenzstabilisierung u. ä., sind geläufiges Fachwissen (vgl. z. B. V. Kose, F. Melchert, "Quantenmaße in der elektrischen Meßtechnik", S. 24-41, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991) und brauchen deshalb hier nicht näher erläutert zu werden. Von einer hochstabilen Mikrowellenquelle 2 mit bspw. 70 GHz wird eine sinusförmige Mikrowelle in eine Antenne 21 eingekoppelt, an die sich die koplanare Streifenleitung 1 gemäß der Erfindung anschließt. Am gegenüberliegenden Ende ist die koplanare Streifenleitung 1 mit einer supraleitenden koplanaren Streifenleitung 6 hoher Dämpfung (Load) abgeschlossen, um Stehwellen zu vermeiden. Die Load ist ihrerseits am Ende kurzgeschlossen, um alle Josephsonkontakte der Streifenleiter 11, 12 gleichstrommäßig in Reihe zu schalten (siehe Pfeile). Die Gesamtspannung wird an Kontaktflächen 5 abgegriffen, und der Gleichstrom kann an den Kontaktflächen 5 zugeführt werden. Der Vergleich mit einer zu eichenden Spannung erfolgt durch Abgriff des Spannungssignals an den Kontakten 5 und Weiterleitung an ein nicht dargestelltes Nanovoltmeter, entsprechend dem Stand der Technik. Damit steht ein Spannungsnormal zur Erzeugung hochgenauer Spannungen von 1 V bis 10 V zur Verfügung.In FIG. 2 schematically shows the use of a coplanar strip line 1 with integrated Josephson junctions as cryoelectronic microwave circuit for a voltage standard. Such a microwave circuit is in particular part of a device for generating a high-precision voltage standard with the help of Josephson contacts. In the schematically executed Fig. 2 of the drawing, parts of this device, not shown, such as conventional coolant containers, means for frequency stabilization and. Ä., are common technical knowledge (see, for example, BV Kose, F. Melchert, "quantum dimensions in electrical measurement technology", pp. 24-41, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991) and therefore do not need to be explained in more detail here. A sinusoidal microwave is coupled into an antenna 21 from a highly stable microwave source 2 with, for example, 70 GHz, to which the coplanar stripline 1 according to the invention is connected. At the opposite end, the coplanar stripline 1 is terminated with a superconducting coplanar stripline 6 of high attenuation (load) in order to avoid standing waves. The load in turn is short-circuited at the end in order to connect all Josephson contacts of the strip conductors 11 , 12 in direct current in series (see arrows). The total voltage is tapped at contact areas 5 , and the direct current can be supplied at the contact areas 5 . The comparison with a voltage to be calibrated is carried out by tapping the voltage signal at the contacts 5 and forwarding it to a nanovoltmeter, not shown, in accordance with the prior art. This provides a voltage standard for generating highly accurate voltages from 1 V to 10 V.
Ebensogut läßt sich der vorstehend beschriebene Schaltkreis auch für hochpräzise Potentiometer-Einrichtungen mit Josephsonkontakten verwenden.The circuit described above can also be used for high-precision potentiometer devices with Josephson contacts use.
Um die Josephsonkontakte 40 mit einem ausreichend homogenen Mikrowellenstrom zu speisen, ist es unter Umständen bei sehr vielen Josephsonkontakten (bspw. bei SIS-Kontakten ab 20000) notwendig, die Josephsonkontakte in mehreren parallelen Mikrowellenketten anzuordnen, gleichzeitig müssen die Josephsonkontakte aber in Reihe geschaltet sein. Am Prinzipschaltkreis nach Fig. 3 ist erkennbar, daß beispielsweise bei drei kaskadenförmig zueinander in Verbindung stehenden Leistungsteilern 22 und damit vier parallelen Ketten 1a, 1b, 1c, 1d die Josephsonkontakte 40 automatisch gleichstrommäßig in Reihe geschalten sind. Damit sind keine Gleichstromunterbrechungen (dc- Block), wie sie bei den anderen beschriebenen Wellenleitern nach dem Stand der Technik erforderlich wären, notwendig.In order to supply the Josephson contacts 40 with a sufficiently homogeneous microwave current, it may be necessary with a large number of Josephson contacts (e.g. SIS contacts from 20,000) to arrange the Josephson contacts in several parallel microwave chains, but at the same time the Josephson contacts must be connected in series. The principle circuit according to Fig. 3 can be seen that, for example, at three cascaded to each other in connection power dividers 22 and four parallel chains 1 a, 1 b, 1 c, 1, the Josephson contacts 40 automatically d terms of direct current are connected in series. This means that no DC interruptions (dc block), as would be required in the case of the other waveguides described according to the prior art, are necessary.
In Zukunft werden die Josephson-Spannungsnormale eine große Bedeutung erlangen, bei denen sich die hochgenaue Spannung schnell einstellen läßt, und damit auch Wechselspannungen bzw. zeitlich beliebige Spannungsverläufe synthetisierbar sind (vgl. C. A. Hamilton, C. J. Burroughs, S. P. Benz "Josephson Voltage Standard - A Review", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 7, No. 2, S. 3756-3761, 1997). Diese Schaltkreise werden manchmal auch als Josephson-Digital/Analog Wandler bezeichnet. In the future, the Josephson voltage standards will be large Gain meaning in which the highly accurate tension quickly can be set, and thus also AC voltages or temporally any voltage curves can be synthesized (cf. C. A. Hamilton, C.J. Burroughs, S.P. Benz "Josephson Voltage Standard - A Review", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 7, No. 2, pp. 3756-3761, 1997). These circuits are sometimes called Josephson digital / analog Called converter.
Bei einem dieser Schaltkreistypen für ein programmierbares Spannungsnormal, wie in Fig. 3 näher dargestellt, sind dazu zusätzliche Gleichstromzuleitungen 4 vorzusehen. Dieser Schaltkreistyp arbeitet dergestalt, daß die Stufenordnung n definiert zeitlich geändert wird (bitserielle Einteilung der Josephsonkontakte).In one of these types of circuit for a programmable voltage standard, as shown in more detail in FIG. 3, additional DC supply lines 4 are to be provided for this purpose. This type of circuit works in such a way that the step order n is changed in a defined time (bit-serial division of the Josephson contacts).
Ein anderer Schaltkreistyp für ein pulsgetriebenes Spannungsnormal mit Einkopplung einer gepulsten Mikrowelle, basiert auf der definierten zeitlichen Änderung der eingestrahlten Frequenz f. Dabei werden die Josephsonkontakte mit einer programmierten Pulsfolge gespeist. Ein derartiger Schaltkreistyp ist grundsätzlich auch bereits bekannt, (US-PS 5 812 078) oder (vgl. C. A. Hamilton, C. J. Burroughs, S. P. Benz "Josephson Voltage Standard - A Review", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 7, No. 2, S. 3756-3761, 1997), läßt sich aber durch vorliegende Erfindung wesentlich einfacher realisieren.Another type of circuit for a pulse-driven voltage standard with Coupling of a pulsed microwave is based on the defined one change over time of the incident frequency f. The Josephson contacts fed with a programmed pulse train. On such a type of circuit is basically already known, (U.S. Patent 5,812,078) or (see C. A. Hamilton, C. J. Burroughs, S. P. Benz "Josephson Voltage Standard - A Review", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 7, No. 2, pp. 3756-3761, 1997), but can realized much easier by the present invention.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, unter Beibehaltung der vorgeschlagenen koplanaren Streifenleitung 1 bzw. Ketten 1a, 1b, 1c, 1d, diese z. B. mehrfach gewunden (mäanderförmig) auszuführen zwecks Erreichung einer möglichst hohen Packungsdichte auf flächenmäßig beschränkten Substraten.It is within the scope of the invention, while maintaining the proposed coplanar stripline 1 or chains 1 a, 1 b, 1 c, 1 d, these z. B. repeatedly wound (meandering) to achieve the highest possible packing density on limited substrates.
Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt darin, daß:
In summary, the advantages of the invention are that:
- 1. keine zusätzlichen technologischen Schritte zur Herstellung der Mikrowellentauglichkeit der Schaltkreise benötigt werden, was eine wesentlich vereinfachte Herstellungtechnologie bedingt. Im Gegensatz zum bekannten Stand müssen kein zusätzliches Dielektrikum und keine zusätzliche supraleitende Metallschicht (Ground) hergestellt werden. Es sind keine zusätzlichen Prozeßschritte zum Potentialausgleich erforderlich, wie bei den nach dem Stand der Technik bekannten Koplanarleitungen;1. no additional technological steps to manufacture the Microwave capability of the circuits are required, which is a significantly simplified manufacturing technology. In contrast to the known state no additional dielectric and no additional superconducting metal layer (ground) is produced become. There are no additional process steps for Equipotential bonding is required, as in the state of the art Technology known coplanar lines;
- 2. sich die Integrationsdichte von Josephsonkontakten verdoppelt; 2. the integration density of Josephson contacts doubles;
- 3. eine geringere Dämpfung zu verzeichnen ist, da bei gleicher Anzahl von Josephsonkontakten, wie nach bekannten Ausführungen des Standes der Technik, die Länge des Wellenleiters um den Faktor zwei verkürzt ist; und3. A lower damping is to be noted, since the number is the same of Josephson contacts, as according to known versions of the State of the art, the length of the waveguide by a factor of two is shortened; and
- 4. keine Gleichstromunterbrechnung (dc-Block) notwendig ist.4. no DC interruption (DC block) is necessary.
11
koplanare Streifenleitung mit integrierten
Josephsonkontakten
coplanar stripline with integrated Josephson contacts
11
a, a,
11
b, b
11
c, c,
11
d Ketten
d chains
1111
, .
1212
Streifenleiter mit integrierten Josephson
kontakten der koplanaren Streifenleitung
Stripline with integrated Josephson contacts of the coplanar stripline
22
Mikrowellenquelle
microwave source
33
Substrat
substratum
44
Kontaktflächen zur Gleichstromeinspeisung
Contact areas for direct current feed
55
Kontaktflächen zum Spannungsabgriff und
Gleichstromeinspeisung
Contact areas for voltage tapping and direct current feed
66
supraleitende, absorbierende, koplanare Streifenleitung (superconducting, absorbing, coplanar Stripline (
66
) hoher Dämpfung (Load)
) high damping (load)
2121
Antenne
antenna
2222
Leistungsteiler
power splitter
4040
Josephsonkontakt
Josephson junction
4141
, .
4343
Supraleiterschicht
superconductor layer
4242
Isolationsschicht
insulation layer
Claims (11)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| PCT/EP2001/006487 WO2002001642A1 (en) | 2000-06-29 | 2001-06-07 | Cryoelectronic microwave circuit with josephson contacts and use thereof |
Applications Claiming Priority (1)
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