-
Die
Erfindung betrifft einen kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreis
mit koplanaren Streifenleitungen gemäß der Gattung der Patentansprüche und
dessen Verwendung als Josephsonquantisierer.
-
Bekannt
sind Josephson-Gleichspannungsnormale, die auf der Grundlage des
Wechselstrom-Josephsoneffektes arbeiten; sie sind seit Jahren weltweit
in den metrologischen Instituten und in anderen Einrichtungen im
Einsatz (V. Kose, F. Melchert, "Quantenmaße in der
elektrischen Messtechnik",
S. 24–41,
VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991).
-
Die
wissenschaftlich-technische Entwicklung von programmierbaren Josephson-Gleichspannungsnormalen,
die intrinsisch stabile und binär
anwählbare
Spannungen bis zu 1,2 V liefern, ist weitestgehend abgeschlossen,
und einige Geräte
werden bereits in metrologischen Instituten eingesetzt (C. A. Hamilton, "Josephson Voltage
Standards", Rev.
of Scient. Instr., Vol. 71, No. 10, pp. 3611–3623, October 2000).
-
Es
hat auch nicht an Versuchen gefehlt, impulsgetriebene Josephson-Spannungsnormale
zu entwickeln, die als Quantensynthesizer quantenmetrologisch genaue
Wechselspannungen generieren können
und die beispielsweise als Wechselspannungsnormale eingesetzt werden
können
(S. P. Benz and C. A. Hamilton, "A
pulse-driven programmable Josephson voltage standard", Appl. Phys. Lett.,
Vol. 68, pp. 3171–3173,
May 1996.
US 5,812,078
A . In einer periodischen Impulsfolge mit einer hochgenauen Taktfrequenz
im Bereich beispielsweise von 5 GHz bis über 20 GHz ist der zeitliche
Spannungsverlauf, z. B. eine Sinusspannung, codiert. Diese durch
Phasen- und Amplitudenrauschen fehlerbehafteten Impulse werden einem
Josephsonquantisierer zugeführt,
der quantisierte Impulse erzeugt, die einen exakt definierten Beitrag
zur Momentanspannung U(t) liefern. Der Josephsonquantisierer besteht
aus einem Array von in Serie geschalteten Josephsonkontakten, die
in eine Mikrowellen-Transmissionsleitung integriert sind. Da ein
einzelner Josephsonkontakt nur Spannungen bis zu einigen 10 μV generieren kann,
müssen
in den Josephsonquantisierer möglichst
viele derartige Kontakte integriert sein, um praxisrelevante Spannungen
von einigen 10 mV oder einigen 100 mV zu erreichen. Bei den Josephson-Gleichspannungsnormalen
und den programmierbaren Josephson-Gleichspannungsnormalen wird das Problem
gelöst,
indem sehr lange Arrays, auch verteilte Arrays genannt, verwendet
werden, deren Länge
groß gegen
die Leitungswellenlänge
ist. Um stehende Wellen zu vermeiden und eine homogene Mikrowellenverteilung
zu erhalten, müssen
diese Arrays durch so genannte Loads reflexionsfrei abgeschlossen
sein (
DE 100 33 178
A1 ). Diese Loads sind supraleitende koplanare Streifenleitungen,
die sich an den Enden der mit Josephsonkontakten versehenen Streifenleitungen
befinden, die den Einkopplungsenden gegenüberliegen und eine hohe Dämpfung der
Mikrowellen hervorrufen und an ihren freien Enden kurzgeschlossen
sind. Da in der periodischen Impulsfolge eines impulsgetriebenen
Josephson-Spannungsnormals das Nutzsignal enthalten ist, fällt am Abschlusswiderstand
(Load) ein Gleichtaktsignal ab, das die am Array anstehende quantenmetrologisch
genaue Spannung verfälscht.
Der Einsatz eines Differenzverstärkers
hinter den Tiefpassfiltern liefert keine quantenmetrologisch genaue
Spannung. Auch eine speziell entwickelte AC-Kopplungsmethode (S.
P. Benz, C. J. Borroughs, and P. D. Dresselhaus, "AC Coupling for Josephson
Waveform Synthesis",
IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 11, pp. 612–616, March 2001) führte nicht
zum Erfolg. Ein Ausweg ist der Einsatz von kompakten Arrays, in
die möglichst
viele Josephsonkontakte integriert sind. Hierzu wurden Josephson-Stapelkontakte
entwickelt (P. D. Dresselhaus, Y. Chong, J. H. Plantenberg, and S.
P. Benz, "Stacked
SNS Josephson Junction Arrays for Quantum Voltage Standards", IEEE Trans. Appl. Supercond.,
Vol. 13, pp. 930–933,
June 2003). Der Nachteil der Josephson-Stapelkontakte besteht darin,
dass die obere Verdrahtung ab drei und mehr Stapellagen keinen sicheren
Kontakt gewährleistet und
damit die Herstellung funktionstüchtiger
Schaltkreise unmöglich
macht. Um die Kontaktierung zu verbessern, müsste eine Planarisierung als
zusätzlicher
Technologieschritt eingeführt
werden, was sich negativ auf die Ausbeute funktionstüchtiger
Schaltkreise auswirkt.
-
Bekannt
ist auch die Verwendung von Koplanarleitungen als Mikrowellen-Transmissionsleitung für die Integration
der Josephson- Stapelkontakte
(S. P. Benz, "Superconductor-normal-superconductor junctions
for programmable voltage standards", Appl. Phys. Lett., Vol. 67, pp. 2714–2716, October
1995). Das hat den Nachteil, dass zur mikrowellenmäßigen Parallelschaltung
mehrerer Koplanarleitungen zusätzlich
so genannte "dc-Blocks" eingesetzt werden müssen, welche
die Bandbreite reduzieren. In der Regel kann deshalb nur eine einzelne
Koplanarleitung in dem Josephsonquantisierer eingesetzt werden,
was aber den Einsatz der technologisch schwer herstellbaren Josephson-Stapelkontakte zwingend erforderlich
macht.
-
Die
DE 100 33 178 A1 offenbart
einen kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreis mit einer Vielzahl
von Josephsonkontakten, bei dem homogene Mikrowellen mit einer hohen
Integrationsdichte versorgt werden, um beispielsweise hochgenaue
Spannungen bis 10 V erzeugen zu können.
-
Dazu
ist auf einem Substrat mindestens eine koplanare Streifenleitung,
bestehend aus zwei einzelnen Streifenleitern, die aus einer Vielzahl
in Reihe geschalteter Josephsonkontakte integriert sind, aufgebracht
ist, wobei die zwei einzelnen Streifenleitern in einem vorgebbaren
Abstand angeordnet sind und die Breite der Streifen ebenfalls derart
vorgebbar ist, dass durch eine Variation des Abstands und der Breite
der Wellenwiderstand und die Dämpfung
der koplanaren Streifenleitung einstellbar sind, wobei in die koplanare
Streifenleitung an einer Seite eine Mikrowelle einkoppelbar ist.
-
Gemäß
DE 100 33 178 A1 sind
zur gleichstrommäßigen Reihenschaltung
der Josephsonkontakte die koplanaren Streifenleitungen hoher Dämpfung an
ihrer der Einkopplung gegenüberliegenden Seite
kurzgeschlossen, wobei die Gesamtspannung an üblichen Kontaktflächen abgreifbar
und der Gleichstrom an den Kontaktflächen zuführbar ist.
-
Zur
Vermeidung der zuvor stehend genannten Nachteile liegt der Erfindung
die Aufgabe zu Grunde, einen Mikrowellenschaltkreis mit einer sehr großen Bandbreite
anzugeben, bei dem Josephsonkontakte bis zum Kurzschlussende der
Koplanarleitungen mit einer hohen Integrationsdichte mit einer homogenen
ungedämpften
Mikrowelle versorgt werden, um insbesondere hochgenaue Wechselspannungen
erzeugen zu können.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst und durch
die Merkmale der Unteransprüche
vorteilhaft vervollständigt.
Auf einem Substrat sind dabei mehrere mikrowellenmäßig parallel
geschaltete koplanare Streifenleitungen aufgebracht, in die eine
Vielzahl in Reihe geschalteter Josephsonkontakte integriert ist.
Die Länge
der Streifenleitungen ist klein gegen die Leitungswellenlänge. In
die koplanaren Streifenleitungen ist an einer Seite eine Mikrowellen-Impulsfolge
einkoppelbar, und die koplanaren Streifenleitungen sind an der anderen
Seite direkt, ohne die Einfügung
von Abschlusswiderständen,
kurzgeschlossen. Alle Josephsonkontakte der Streifenleitungen sind
gleichstrommäßig in Reihe
geschaltet, wobei die Gesamtspannung an üblichen Kontaktflächen abgreifbar
ist. Der erfindungsgemäße kryoelektronische
Mikrowellenschaltkreis in koplanarer Streifenleitungstechnik ist
zur Verwendung als Josephsonquantisierer hervorragend geeignet.
Aus ihm lässt
sich ein Quantensynthesizer herleiten, mit dem Wechselspannungen
mit quantenmetrologischer Genauigkeit erzeugt werden können, der
also als Wechselspannungsnormal dienen kann. Mit Frequenzen von
1 bis 75 GHz betrieben, ist es möglich,
hochgenaue Wechselspannungen mit beliebiger Wellenform und mit Amplituden
von einigen 10 oder 100 mV zu erzeugen.
-
Die
Proportionen der koplanaren Streifenleitung und der Kurzschluss
am Ende der Sreifenleitung lassen eine große Dichte der Josephsonkontakte
zu, die sich allgemein auch darin ausdrückt, dass einer einem Mikrowellen-Codegenerator
nachgeordneten Antenne m kaskadenförmig miteinander in Verbindung
stehende Leistungsteiler zugeordnet sind, denen m + 1 an ihren den
Leistungsteilern gegenüberliegenden
Enden kurzgeschlossene koplanare Streifenleitungen zugeordnet sind.
Die Josephsonkontakte in den koplanaren Streifenleitungen können vorteilhaft
durch SNS-Kontakte (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter-Josephsonkontakte)
oder SIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Josephsonkontakte)
oder SINIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Isolator-Supraleiter-Josephsonkontakte)
oder HTSL-Kontakte
(Hochtemperatur-Supraleiter-Kontakte) gebildet werden. Diese Kontakte
und ihre Herstellung sind an sich bekannt; ihre Verwendung unter
Einhaltung der Proportionen zwischen koplanarer Streifenleitung
und Leitungswellenlänge
erweist sich als günstig.
In Abhängigkeit
vom Anwendungsfall können
die Kontaktflächen
für den
Abgriff der Gesamtspannung symmetrisch zur Mittellinie an der Antenne
angebracht sein. Es kann aber auch vorteilhaft sein, eine der Kontaktflächen an
der Antenne und die andere der Kontaktflächen an einen Kurzschluss einer
koplanaren Streifenleitung, an ihrer der Einkopplung gegenüberliegenden
Seite, anzubringen.
-
Die
Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung zweier
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 einen
einfachen Josephsonkontakt in perspektivischer Darstellung,
-
2 einen
Mikrowellenschaltkreis in Draufsicht mit symmetrischer Auskopplung
der Josephsonspannung und
-
3 einen
Mikrowellenschaltkreis in Draufsicht mit unsymmetrischer Auskopplung
der Josephsonspannung.
-
In 1 weist
ein einfacher Josephsonkontakt auf einem Substrat 10 zwei
Supraleiter 11, 12 auf, die durch eine dünne Isolierschicht 13 voneinander
getrennt sind. Die Dicken der Supraleiter 11, 12 können bspw.
150 nm und 400 nm betragen, und die Isolierschicht 13 kann
2 nm dick sein. Das Substrat 10 besteht aus oxidiertem
Silizium und der Josephsonkontakt als SIS-Kontakt aus Nb-Al2O3-Nb. Die Herstellung
und Gestaltung derartiger Josephsonkontakte gehört an sich zum Stand der Technik.
-
In 2 ist
ein Mikrowellenschaltkreis 14 mit koplanaren Streifenleitungen 15, 16, 17, 18 dargestellt,
von denen jede aus zwei Streifenleitern besteht und in welche die
in 1 gezeigten Josephsonkontakte integriert sind.
Die koplanaren Streifenleitungen 15 bis 18 sind
einerseits über
Leistungsteiler 19 kaskadenartig mit einer zweiflüglichen
Antenne 20 verbunden und andererseits mit Kurzschlüssen 21 versehen.
Ein Mikrowellenquellen-Codegenerator 22 mit hochstabiler
Taktfrequenz bspw. im Bereich von 5 GHz bis zu mehr als 20 GHz liefert
eine codierte periodische Mikrowellen-Impulsfolge, die in die Antenne 20 eingekoppelt
wird. An die Flügel
der Antenne 20 sind Kontaktflächen 23 angeschlossen,
an denen die Gesamtspannung der Josephsonkontakte abgreifbar ist.
-
Über die
Leistungsteiler 19 wird die Mikrowellenleistung gleichmäßig auf
die mikrowellenmäßig parallel
geschalteten koplanaren Streifenleitungen 15, 16, 17, 18 verteilt.
Durch die Kurzschlüsse 21 an
den den Leitungsteilern 19 gegenüberliegenden Enden der koplanaren
Streifenleitungen sind alle Josephsonkontakte der Streifenleitungen,
wie durch die Pfeile angedeutet, gleichstrommäßig in Reihe geschaltet. Die
Gesamtspannung des Mikrowellenschaltkreises 14 wird an
den symmetrisch zu einer Mittellinie 24 angeordneten Kontakten 23 abgegriffen.
Die Länge
1 der koplanaren Streifenleitungen 15 bis 18 ist
klein gegenüber
den Leitungswellenlängen λ, bspw. 1
= 1/8·λ oder kleiner.
Auf diese Weise ist es möglich,
die auf den koplanaren Streifenleitungen integrierten Josephsonkontakte
trotz der Kurzschlüsse 21 hinreichend
homogen mit Mikrowellenstrom zu versorgen.
-
Im
Ausführungsbeispiel
der 2 sind bei drei kaskadenförmig in Verbindung stehenden
Leistungsteilern 19 und vier parallelen koplanaren Streifenleitungen 15 bis 18 die
Josephsonkontakte automatisch in Reihe geschaltet. Allgemein ausgedrückt, sind
m Leistungsteilern m + 1 koplanare Streifenleitungen zugeordnet.
Dadurch sind keine Gleichstromunterbrechungen (dc-Blocks) erforderlich,
wie sie bei den zum Stand der Technik beschriebenen Wellenleitern
notwendig sind.
-
Sind
die Streifenleiter der koplanaren Streifenleitungen 15 bis 18 bspw.
auf ein Si-Substrat aufgebracht, dann beträgt bei einer Frequenz von 10 GHz
die Leitungswellenlänge
12,6 mm; 1/8 der Leitungswellenlänge
ist 1,6 mm. In eine koplanare Streifenleitung dieser Länge können 500
Josephsonkontakte integriert sein. Da der Mikrowellenschaltkreis 14 vier
koplanare Streifenleitungen umfasst, sind in ihm 2000 Josephsonkontakte
integriert. Damit steht mit dem Mikrowellenschaltkreis 14 ein
Wechselspannungsnormal zur Erzeugung quantenmetrologisch hochgenauer
Wechselspannungen mit Amplituden bis zu 40 m V zur Verfügung.
-
Ein
in 3 dargestellter Mikrowellenschaltkreis 14 unterscheidet
sich bei sonst gleichem Aufbau vom Mikrowellenschaltkreis der 2 durch
die Kontaktierung der Kontaktflächen 23.
Diese sind in 3 mit einen auf Massepotential
liegenden Flügel der
Antenne 20 und mit dem Kurzschluss 21 einer äußeren koplanaren
Streifenleitung 15 kontaktiert. Dadurch wird die Einkopplung
der Mikrowellenimpulse weniger Störeinflüssen unterworfen; allerdings sind
die Josephsonkontakte in dem äußeren Streifenleiter
der koplanaren Streifenleitung 15 nicht aktiv, so dass
die Josephsonspannung entsprechend reduziert ist.
-
Es
ist im Rahmen vorliegender Erfindung dabei unerheblich, welche Supraleitermaterialien,
ob konventionelle oder HTSL-Supraleiter, zum Einsatz gelangen. Insbesondere
können
die Josephsonkontakte durch SNS-Kontakte (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter
Josephsonkontakte), wie Nb-PdAu-Nb oder Nb-Ti-Nb, oder SIS-Kontakte
(Supraleiter-Isolator-Supraleiter
Josephsonkontakte), wie Nb-Al2O3-Nb,
oder SINIS-Kontakte
(Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Isolator-Supraleiter Josephsonkontakte),
wie Nb-Al2O3-Al-Al2O3-Nb, gebildet sein.
-
Die
Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefasst darin, dass eine
große
Anzahl von einfachen Josephsonkontakten in einem kompakten Schaltkreis
integriert werden können
und dass Stapelkontakte und Gleichstromunterbrechungen nicht notwendig
sind.
-
Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
-
- 10
- Substrat
- 11,
12
- Supraleiter
- 13
- Isolierschicht
- 14
- Mikrowellenschaltkreis
- 15,
16, 17, 18
- koplanare
Streifenleitungen
- 19
- Leistungsteiler
- 20
- Antenne
- 21
- Kurzschlüsse
- 22
- Mikrowellenquellen-Codegenerator
- 23
- Kontaktflächen
- 24
- Mittellinie
- l
- Länge der
Streifenleitungen
- λ
- Leitungswellenlänge