DE3936686A1 - Rauscharme dc-squid-verstaerkereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine rauscharme DC-SQUID-Ver­ stärkereinrichtung großer Bandbreite des Frequenzbereichs mit Josephson-Tunnelelementen, die jeweils mit einem Widerstand überbrückt sind, mit Anschlußstücken, an denen eine Wechsel­ spannung von einer nachgeschalteten Elektronik abzugreifen ist, sowie mit einer induktiven Gate-Leiter-Ansteuerung. Eine solche Verstärkereinrichtung geht prinzipiell aus der Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-21, No. 2, März 1985, Seiten 1029 bis 1031 hervor.

Die bekannte Verstärkereinrichtung enthält ein planares DC- SQUID (supraleitendes Gleichstrom-Quanteninterferometer) mit einer somit zwei Josephson-Tunnelelemente aufweisenden SQUID- Schleife. Die Josephson-Tunnelelemente, die jeweils mit einem Widerstand überbrückt sind, besitzen dabei Elektroden, die aus sogenannten klassischen, nur mit flüssigem Helium (LHe) unter­ halb ihrer Sprungtemperatur T_c zu haltenden supraleitenden Ma­ terialien wie z. B. aus Nb bzw. Pb hergestellt sind (vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol. 43, No. 7, Okt. 1983, Seiten 694 bis 696). Das SQUID läßt sich dabei äußerst rauscharm (vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol. 41, No. 5, Sept. 1982, Seiten 490 bis 492) und mit einer geringen Eingangsimpedanz (vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol. 45, No. 7, Okt. 1984, Seiten 799 bis 801) ausbilden. Es wird induktiv über einen als Spule ausgebildeten Gate-Leiter mit vorbestimmter Frequenz angesteuert. In die ein­ seitig auf Erdpotential gelegte SQUID-Schleife wird ein soge­ nannter Bias-Strom eingeleitet. Durch die SQUID-Schleife zir­ kuliert somit ein Wechselstrom. Die dann über der SQUID-Schlei­ fe anliegende Wechselspannung wird an entsprechenden Anschluß­ stücken abgenommen und über Verbindungsleiter einer nachge­ schalteten, externen Elektronik zur Weiterverarbeitung zuge­ führt (vgl. auch "IEEE Trans. Magn.", Vol. 25, No. 2, März 1989, Seiten 1030 bis 1033).

Derartig ausgebildete Verstärkereinrichtungen können zwar Bandbreiten bis weit über 100 MHz aufweisen; jedoch ist ihre Leistung auf einen Bereich von wenigen µW begrenzt. Als Grund hierfür ist in erster Linie die Flußquantisierung im SQUID bei Energielücken des verwendeten Supraleitermaterials im Bereich von 1 mV zu sehen. Außerdem werden im allgemeinen nur geringe Wärmemengen für zulässig erachtet, die von dem SQUID erzeugt werden dürfen und in das sie kühlende LHe einzuleiten sind. Die bekannten DC-SQUID-Verstärkereinrichtungen können somit nicht ohne weiteres auf höhere Leistungen gebracht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine DC- SQUID-Verstärkereinrichtung mit den eingangs genannten Merk­ malen dahingehend auszubilden, daß ein störungsfreier Hoch­ frequenz(HF)-Betrieb in einem wesentlich höheren Leistungsbe­ reich, insbesondere über 100 mW, vorzugsweise über 500 mW ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• - eine durch die Leistungsanforderung bestimmte Anzahl von zu einem Array angeordneten DC-SQUIDs vorgesehen ist, die mit einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit einer Sprung­ temperatur oberhalb von 77 K erstellt und mit flüssigem Stickstoff (LN₂) zu kühlen sind,
• - mehrere zwischen den mindestens zwei Anschlußstücken normal­ leitend parallelgeschaltete SQUID-Zweige jeweils mehrere hintereinandergeschaltete DC-SQUIDs enthalten,
• - jedem SQUID-Zweig ein Leiter zugeordnet ist, der Teil einer auf vorbestimmtem elektrischen Potential liegenden Groundplane aus dem metalloxidischen Supraleitermaterial ist, wobei die Groundplane-Leiter nur außerhalb des Be­ reichs der SQUID-Zweige elektrisch miteinander verbunden sind,
• - für eine vorbestimmte Anzahl von DC-SQUIDs, die größer als die pro SQUID-Zweig vorgesehene Anzahl ist, ein gemeinsamer Gate-Leiter sowie ein zugeordneter Masse-Leiter so angeordnet sind, daß eine Ansteuerung längs der SQUID-Zweige in nur einer einzigen Richtung erfolgt, und
• - die SQUID-Zweige, deren zugeordnete Groundplane-Leiter, die Gate-Leiter sowie deren zugeordnete Masse-Leiter zumindest weitgehend als Streifenleiter ausgebildet sind.

Die mit dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verstärker­ einrichtung verbundenen Vorteile sind unter anderem darin zu sehen, daß sich der erwünschte hohe Leistungsbereich dadurch erreichen läßt, daß man mit der Anzahl der innerhalb einer SQUID-Zeile zu einer Kette hintereinandergereihten DC-SQUIDs einen entsprechend hohen Spannungsbereich und mit der Anzahl der normalleitend parallelgeschalteten SQUID-Zeilen einen entsprechend hohen Strombereich festlegen kann. Da mit einem einzigen Gate-Leiter und seinem zugeordneten Masse-Leiter nacheinander eine vorbestimmte Anzahl von SQUIDs in mehr als einem SQUID-Zweig anzusteuern sind, treten hier vorteilhaft die an sich bekannten Stromverstärkungsprobleme nicht mehr auf. Mit der speziellen Ausgestaltung dieser Leiter zumindest weitgehend als Streifenleiter wird eine Ansteuerung mit nicht zu großen Induktivitäten und folglich ein Betrieb bei entsprechend hohen Frequenzen ermöglicht. Dabei laufen vorteilhaft die HF-Pulse aufgrund der Streifenleiterführung (mit einem in bekannter Weise vorzunehmenden Leitungsabschluß) nur ein einziges Mal über das Leitersystem der SQUIDs. Ferner wird durch die vorge­ sehene Parallelschaltung der SQUID-Zeilen mittels normalleiten­ den Teilen eine Quanteninterferenz verschiedener Zeilen verhin­ dert. Die Verwendung bekannter Supraleitermaterialien mit hin­ reichend hoher Sprungtemperatur T_c (Hoch-T_c-Supraleitermateria­ lien), die bekanntlich eine um etwa eine Größenordnung größere Energielücke als die klassischen Supraleitermaterialien aufwei­ sen, bedingt vorteilhaft eine entsprechend ausgeprägte Änderung der SQUID-Charakteristiken bei Variation eines verhältnismäßig kleinen Gate-Stromes. Außerdem ist mit der vorgesehenen LN₂- Kühlung eine größere Wärmeableitung (mit gegenüber einer LHe- Kühlung bekanntlich höherem Wirkungsgrad) in das Kühlmittel möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verstärker­ einrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematischen Darstellungen der Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigt Fig. 1 einen Teil eines SQUID-Verstärkers mit Hoch-T_c- Supraleitermaterial. Aus Fig. 2 ist eine Strom-Spannungs- Charakteristik des SQUIDs dieses Verstärkers zu entnehmen. In den Fig. 3 bis 5 sind einzelne Teile einer erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung angedeutet. Aus Fig. 6 geht eine weitere Ansteuerungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Verstärkerein­ richtung hervor. Fig. 7 zeigt ein Detail dieser Verstärker­ einrichtung. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei der in Fig. 1 angedeuteten Ersatzschaltung einer SQUID- Verstärkereinrichtung wird von an sich bekannten Schaltungen ausgegangen, die für SQUID-Verstärker mit LHe-Kühltechnik und entsprechenden Supraleitermaterialien vorgesehen sind. Die all­ gemein mit 2 bezeichnete Schaltung soll jedoch einen mit LN₂ zu kühlenden Verstärker betreffen, der mit einem entsprechenden Hoch-T_c-Supraleitermaterial mit einer Sprungtemperatur T_c von über 77 K aufgebaut ist. Die Verstärkereinrichtung weist ein DC-SQUID 3 auf, in dessen SQUID-Schleife 4 zwei Josephson- Tunnelelemente 5 und 6 angeordnet sind. Bei diesen Elementen handelt es sich insbesondere um sogenannte selbst-geshuntete Elemente mit Weak-link-Charakteristik, die in bekannter Weise ihre Überbrückungswiderstände (Shunts) R_s bereits selbst ent­ halten. Derartige selbst-geshunteten Elemente sind allgemein bekannt (vgl. z. B. Preprint von K.Gotoh et al.: "Plasma Treatment of High Tc Thin Films for Monolithic Superconducting Devices", JP, Okt. 1989, oder Beitrag PD 07 des "2nd Workshop on High-Temperature Superconducting Electron Devices", 7.-9.6.1989, Shikabe, Hokkaido, JP, Seite 205 bis 208). Das SQUID 3, dessen vorteilhaft als Streifenleiter gestaltete Lei­ terschleife 4 eine Induktivität L in der Größenordnung von z. B. etwa 10 pH besitzen kann, liegt an einer Seite an einem Anschluß­ stück 8 auf Erdpotential z. B. einer sogenannten Groundplane. Diese Groundplane wird vorteilhaft ebenfalls aus dem für das SQUID 3 gewählten metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterial hergestellt. Unter einer Groundplane wird dabei allgemein eine vielfach flächenhafte Leiterstruktur verstanden, die dem SQUID zugeordnet ist und sich auch auf einem nicht-definierten elek­ trischen Potential befinden kann (vgl. z. B. "Cryogenics", Vol. 23, No. 5, Mai 1983, Seiten 263 und 264 oder die EP-A- 02 00 080). Über ein Anschlußstück 9 wird dem SQUID 3 ein Bias- Strom I_b zugeführt, der mittels eines in die entsprechende Zu­ leitung integrierten Anpassungswiderstandes R_b vorgebbar ist. Zu einer induktiven Ansteuerung des SQUIDs 3 dient eine Wick­ lung 10 oder Schleifenstruktur eines sogenannten Gate-Leiters 11, der aus normal- oder supraleitendem Material ausgebildet ist und über den ein Gate-Strom I_g mit vorbestimmter Frequenz geleitet wird. Durch besondere Ausgestaltung der Verstärkerein­ richtung läßt sich dabei erreichen, daß ein Betrieb mit großer Bandbreite ermöglicht wird, wobei die Frequenzen bis weit über 100 MHz, gegebenenfalls sogar bis in den GHz-Bereich reichen können. Hierzu ist nicht nur das SQUID 3 bzw. seine Leiter­ schleife 4 zumindest weitgehend als Streifenleiter ausgebildet, sondern auch der Gate-Leiter 11. Wird mit einem derartigen Ga­ te-Leiter die Wicklung 10 in Form einer Schleife mit nur einer einzigen Windung erstellt, dann läßt sich vorteilhaft die ge­ genseitige Induktivität (Koppelinduktivität M) zwischen der Wicklung 10 und der SQUID-Schleife 4 ebenfalls in der Größen­ ordnung von etwa 10 pH halten. Die sich über dem SQUID 3 erge­ bende, insbesondere hochfrequente Wechselspannung V wird dann an den Anschlußstücken 8 und 9 abgenommen und einer in der Figur nicht dargestellten Elektronik zur Weiterverarbeitung zugeleitet. Der Eingangswiderstand dieser Elektronik sowie die Impedanz der entsprechenden Verbindungsleitungen mit dem SQUID sind in der Figur allgemein durch einen Widerstand R veran­ schaulicht. Eine derartige SQUID-Verstärkereinrichtung kann so ausgestaltet werden, daß ihre Stromverstärkung etwa gleich 1 wird.

Für eine SQUID-Verstärkereinrichtung auf Basis der in Fig. 1 angedeuteten Ersatzschaltung läßt sich eine SQUID-Charakteri­ stik erhalten, die aus dem Diagramm der Fig. 2 entnehmbar ist. Dabei sind auf der Abszisse die über dem SQUID 3 erzeugte Spannung V (in mV) und auf der Ordinate der Bias-Strom I_b (in mA) aufgetragen. Für das SQUID 3 mit Hoch-T_c-Supraleitermate­ rial ergibt sich eine Kennlinie (Loadline) k für dessen konkret gewählte Betriebsdaten, wobei die Steigung dieser Linie z. B. durch den Widerstand R festgelegt wird. Dem gewählten Ausfüh­ rungsbeispiel ist dabei ein Widerstand von etwa 1Ω zugrundege­ legt. In dem Diagramm sind außerdem zwei sich in Abhängigkeit von dem durch den Gate-Leiter 11 geleiteten Gate-Strom I_g er­ gebende Kurven mit c1 und c2 bezeichnet, welche verschiedene SQUID-Charakteristiken darstellen. Hierbei ist eine Variation des Gate-Stromes I_g um etwa 250 µA angenommen. Wie bei einem Vergleich der beiden Kurven c1 und c2 festzustellen ist, führt eine verhältnismäßig geringe Variation des Gate-Stromes I_g zu einer deutlichen Verschiebung der SQUID-Charakteristik längs der Kennlinie k, d. h. zu einer entsprechend deutlichen Strom­ spannungs-Wandlung. Der Leistungsbereich ist jedoch für die zugrundegelegte SQUID-Verstärkereinrichtung immer noch sehr klein und liegt in der Größenordnung von 1 µW.

Gemäß der Erfindung ist deshalb vorgesehen, eine Verstärker­ einrichtung mit einer Vielzahl von DC-SQUIDs auszustatten und mit einem Gate-Strom viele in Serie geschaltete DC-SQUIDs an­ zusteuern. Teile zum Aufbau einer entsprechenden Verstärker­ einrichtung sind in den Fig. 3 bis 5 jeweils als Aufsicht angedeutet.

Gemäß Fig. 3 soll die allgemein mit 15 bezeichnete erfindungs­ gemäße Verstärkereinrichtung zwei flächenhafte Anschlußstücke 16 und 17 haben, die insbesondere aus elektrisch normalleiten­ dem Material wie z. B. aus Au oder Cu hergestellt sind. Zwischen diesen Anschlußstücken ist ein SQUID-Array (Reihenanordnung) 18 mit einer vorbestimmten Anzahl von DC-SQUIDs 3 aus Hoch-T_c- Supraleitermaterial gemäß Fig. 1 geschaltet. Die SQUIDs bilden dabei zwischen den Anschlußstücken 16 und 17 n normalleitend parallelgeschaltete SQUID-Zweige bzw. -kanäle Z_i mit 2 i n. Dabei soll jeder SQUID-Zweig Z_i eine vorbestimmte Anzahl m von über supraleitende Verbindungsleiter 19 _i hintereinandergeschal­ tete SQUIDs 3 _j mit 2 j m enthalten. Gegebenenfalls ist in jedem SQUID-Zweig Z_i noch mindestens ein zu dessen SQUIDs 3 _j in Reihe geschalteter Anpassungs- bzw. Verzweigungswiderstand R_i angeordnet. Derartige Widerstände sind dann unbedingt er­ forderlich, falls die Anschlußstücke 16 und 17 aus supraleiten­ dem Hoch-T_c-Material bestehen sollten, um so eine normallei­ tende Parallelschaltung der SQUID-Zweige Z_i zu gewährleisten. Über die Widerstände R_i und/oder normalleitende Anschlußstücke 16, 17 wird dabei eine Symmetrierung der einzelnen Zweige Z_i vorgenommen. Bei einer derartigen Ausbildung der Verstärkerein­ richtung 15 bleibt vorteilhaft die Strom-Spannungs-Charak­ teristik der einzelnen SQUIDs 3 wegen der normalleitenden Parallelschaltung der SQUID-Zweige Z_i erhalten.

Um eine Leistung jedes einzelnen SQUIDs 3 in der Größenordnung von 1 µW zu erreichen, ist eine von seiner Schleife 4 begrenzte Fläche a*b von etwa 10 µm * 10 µm erforderlich. a und b sind die seitlichen Ausdehnungen der einzelnen SQUID-Schleifen 4. Die Anzahl der SQUIDs 3 des Arrays 18 ist durch die angestrebte Leistung der gesamten Verstärkereinrichtung bestimmt. Dabei wer­ den mit der Anzahl n der SQUID-Zeilen Z_i der erreichbare Ge­ samtstrom und mit der Anzahl m der SQUIDs 3 _j pro SQUID-Zeile die erreichbare Gesamtspannung festgelegt. Diese Spannung wird an den Anschlußstücken 16 und 17 entsprechend Fig. 1 abge­ nommen und einer nachgeschalteten Elektronik zugeführt. Ist beispielsweise eine Leistung von etwa 1 W gefordert, so ergeben sich unter Zugrundelegung der genannten Abmessungen der einzel­ nen SQUID-Schleifen 1000 SQUID-Zeilen Z_i (für einen Strom von 1 A) sowie 1000 SQUIDs (für eine Spannung von 1 V) pro Zeile Z_i. Das Array 18 beansprucht hierbei eine Gesamtfläche von etwa 10 mm * 10 mm.

Um einen HF-Betrieb der erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung mit Frequenzen bis über 100 MHz zu ermöglichen, sind nicht nur die SQUID-Zweige Z_i (mit den Schleifen 4 und den Verbindungs­ leitern 19 _i) im wesentlichen als Streifenleiter ausgebildet. Vielmehr ist ferner dem SQUID-Array 18 eine Groundplane zuge­ ordnet, deren besondere Gestaltungsmerkmale aus der Fig. 4 ersichtlich sind. Diese vorteilhaft aus dem Hoch-T_c-Supralei­ termaterial der SQUIDs 3 hergestellte Groundplane 22 ist im Bereich des in Fig. 3 gezeigten SQUID-Arrays 18 in einzelne, jeweils einem einzigen SQUID-Zweig Z_i zugeordnete streifen­ förmige Leiter 23 _i (2 i n) unterteilt. In diesem Bereich sind diese zu den SQUID-Zeilen Z_i beispielsweise koplanaren Groundplane-Leiter 23 _i gegenseitig elektrisch und hochfre­ quenzmäßig isoliert, außerhalb dieses Bereiches jedoch über gemeinsame Flächenstücke 24 und 25 der Groundplane 22 elek­ trisch miteinander verbunden. Für die Groundplane-Streifenlei­ ter 23 _i läßt sich dabei eine von der Leiterbreite der SQUID- Zweige verschiedene Leiterbreite vorsehen. An einem dieser Flächenstücke 24 oder 25 können die SQUID-Zeilen Z_i an einem Ende galvanisch und reflexionsfrei an die Groundplane 22 ange­ koppelt sein, wobei die Groundplane auf Erdpotential liegen kann. Ansonsten ist die Groundplane von den übrigen Teilen der SQUID-Zeilen Z_i elektrisch getrennt.

Für eine hochfrequente Ansteuerung des aus den SQUID-Zeilen Z_i und den jeweils zugeordneten Groundplane-Leitern 23 _i gebildeten Leitersystems wird mindestens ein Gate-Leiter mit zugeordnetem Masse-Leiter vorgesehen. Eine Anordnungsmöglichkeit entspre­ chender Leiter ist in Fig. 5 angedeutet. Diese Leiter sind als Streifenleiter aus normalleitendem Material wie z. B. aus Au oder Cu oder aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial erstellt. Einer der Streifenleiter bildet dabei den eigentlichen Gate- Leiter 27, während der dazugehörige Masse-Leiter mit 28 be­ zeichnet ist. Der Gate-Leiter 27, für den gegenüber dem Masse- Leiter 28 eine unterschiedliche Leiterbreite vorgesehen werden kann, läßt sich gegebenenfalls an einem Ende mit dem Masse-Lei­ ter 28 über einen Anpassungswiderstand elektrisch leitend ver­ binden. Der Masse-Leiter kann dabei als Teil einer weiteren Groundplane angesehen werden. Bei der gemäß Fig. 5 ange­ nommenen koplanaren Anordnung von SQUID-Zeilen Z_i und Strei­ fenleitern 27 und 28 sind diese Leiter im wesentlichen als Doppelleitung 30 ausgeführt. Lediglich im Bereich der einzelnen SQUIDs 3 weitet sich diese Doppelleitung 30 so auf, daß dort die beiden Leiter 27 und 28 die jeweilige SQUID-Schleife 4 um­ schließen. Hiermit werden im Hinblick auf den angestrebten HF- Betrieb vorteilhaft niedrige Induktivitäten erreicht. Selbst­ verständlich ist es zu diesem Zweck auch möglich, die Leiter 27 und 28 in einer zu der Ebene der SQUID-Zeilen Z_i parallelen Ebene anzuordnen, so daß diese dann ober- oder unterhalb der SQUID-Schleifen verlaufen.

Außerdem ist eine HF-Ansteuerung der SQUIDs nur dann zu gewähr­ leisten, wenn die HF-Pulse zu einem Verlauf in nur einer einzi­ gen Richtung längs der SQUID-Zeilen Z_i, beispielsweise in Rich­ tung von dem Flächenstück 24 zu dem Flächenstück 25 der Ground­ plane 22 hin (vgl. Fig. 4), gezwungen werden. Die Streifenlei­ ter 27 und 28 der Doppelleitung 30 sind deshalb gemäß dem Aus­ führungsbeispiel der Fig. 5 quer zu dieser Richtung so an den nebeneinander angeordneten SQUIDs 3 jeweils benachbarter SQUID- Zeilen Z_i vorbeigeführt, daß sich eine in dieser Richtung fort­ schreitende Mäanderform ergibt.

Gemäß der anhand der Fig. 3 bis 5 erläuterten Ausführungs­ form einer erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung 15 wurde davon ausgegangen, daß ihre SQUIDs 3 in Verbindung mit ihren jeweils zugeordneten Groundplane-Streifenleitern 23 _i nur von einer einzigen Gate-Doppelleitung 30 angesteuert werden. Da jedoch im Hinblick auf einen HF-Betrieb der Verstärkereinrich­ tung einerseits eine niedrige Windungszahl der Gate-Leiter im Bereich der SQUIDs erforderlich ist, um so eine entsprechend geringe Induktivität zu gewährleisten, andererseits aber auch ein Betrieb mit möglichst geringer Leistung erreicht werden soll, ist es vorteilhaft, jedes SQUID mehrfach anzusteuern. Hierzu dienen jeweils untereinander parallelgeschaltete Gate- Leiter sowie ihre zugehörenden Masse-Leiter. Ein Teilstück eines entsprechenden Ausführungsbeispieles mit einer Zweifach­ ansteuerung geht aus der Aufsicht der Fig. 6 hervor. Dabei sind die SQUIDs 3 _j von SQUID-Zeilen Z_i entsprechend Fig. 3 an einer Seite mit einem streifenförmigen Anschlußstück 16 verbunden. Außerdem soll auch hier den SQUID-Zeilen gemäß Fig. 4 jeweils ein Groundplane-Streifenleiter 23 _i zugeordnet sein. Diese Groundplane-Streifenleiter sind jedoch in Fig. 6 der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Ferner sind auf der in dieser Figur gezeigten Seite ein flächiger Gate-An­ schlußstreifen 31 sowie ein flächiger Masse-Anschlußstreifen 32 vorgesehen. Dieser Masse-Anschlußstreifen 32 kann dabei mit der Groundplane 22 gemäß Fig. 4 elektrisch verbunden sein. Mit den Anschlußstreifen 31 und 32 sind jeweils die beiden Enden 33 und 34 von Doppelleitungen elektrisch leitend verbunden. In der Figur sind diese Doppelleitungen, die den Gate-Doppelleitungen 30 nach Fig. 5 entsprechen können, mit 30 _d bezeichnet und zur Vereinfachung (bis auf deren Enden 33, 34) jeweils durch eine einzige Linie veranschaulicht. Jedes SQUID wird von zwei der­ artigen Doppelleitungen angesteuert, die untereinander und gegenüber den Teilen der SQUIDs elektrisch isoliert verlaufen. Für eine günstige Führung der Gate-Doppelleitungen 30 _d sowie für eine kompakte Anordnung der SQUIDs 3 _j innerhalb des SQUID- Arrays 18 können vorteilhaft benachbarte SQUIDs aus nebenein­ ander verlaufenden SQUID-Zeilen Z_i versetzt angeordnet werden. Die Doppelleitungen 30 _d sind dabei über das SQUID-Array 18 so gelegt, daß sie und damit ein hochfrequenter Puls nur ein ein­ ziges Mal jedes SQUID erfassen. Dementsprechend sollen bei­ spielsweise einem mit 3 _x bezeichneten SQUID nur zwei der Dop­ pelleitungen 30 _d, nämlich die beiden mit 30 _x und 30 _x-1 bezeich­ neten Doppelleitungen zugeordnet sein. Die Doppelleitungen können vorteilhaft um beispielsweise 90° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt an das jeweilige SQUID heran - und von diesem wieder weggeführt werden. Es entsteht so die in Fig. 6 angedeutete Webstruktur aus den Doppelleitungen 30 _d. Für n-SQUID-Zeilen sind dann nur n+1 Doppelleitungen bei einer Zweifachansteuerung der SQUIDs erforderlich, d. h., für den Index d der Doppelleitungen 30 _d gilt: 3 d n+1.

Selbstverständlich sind jedoch auch andere Verknüpfungen der einzelnen SQUIDs über die Gate-Leiter und ihre zugeordneten Masse-Leiter möglich, so daß sich dann von Fig. 6 abweichende Strukturen ergeben. Dabei ist es unerheblich, ob die Gate-Lei­ ter mit den Masse-Leitern jeweils als Einfach- oder als Doppel­ leitungen ausgebildet sind. Wesentlich für die erfindungsge­ mäße Verstärkereinrichtung ist nur, daß mit einem einzigen Gate-Leiter nacheinander SQUIDs in verschiedenen SQUID-Zweigen erfaßt werden, wobei die Zahl der von den Gate-Leitern jeweils angesteuerten SQUIDs größer als die Zahl m der in einer SQUID- Zeile Z_i befindlichen SQUIDs sein muß.

Wie insbesondere aus der in Fig. 7 vergrößerten Darstellung des in Fig. 6 ausgewählten SQUIDs 3 _x hervorgeht, spaltet sich z. B. die Doppelleitung 30 _x am Rand der Leiterschleife 4 des SQUIDs 3 _x in ein Leiterstück 27a eines Gate-Leiters 27 und in ein Leiterstück 28a eines Masse-Leiters 28 auf. Diese beiden Leiterstücke verlaufen nun jeweils längs einer Hälfte der Leiterschleife 4, wobei in jeder dieser Hälften ein in Fig. 7 nicht dargestelltes Josephson-Tunnelelement integriert ist. Nach Durchlauf der jeweiligen Leiterschleifenhälfte bilden dann die beiden Leiterstücke 27a und 28a wiederum die Doppelleitung 30 _x, die vom Rand der Leiterschleife 4 weg zum nächsten SQUID führt. In entsprechender Weise spaltet sich auch die in Fig. 7 nicht gezeigte, gegenüber der Doppelleitung 30 _x versetzt verlaufende Doppelleitung 30 _x-1 auf.

Zur Herstellung des SQUID-Arrays 18 der erfindungsgemäßen Ver­ stärkereinrichtung einschließlich der koplanaren, in Streifen­ leiter 23 _i unterteilten supraleitenden Groundplane 22 kann vor­ teilhaft eine Schwebemaskentechnik vorgesehen werden, wie sie z. B. aus der DE-PS 31 28 982 zu entnehmen ist. Mittels dieser Technik lassen sich nämlich in einem einzigen Vakuumprozeß die einzelnen Schichten des Leistungsverstärkers, d. h. vollständige SQUIDs 3 mit Anschlüssen einschließlich der Groundplane 22 unter verschiedenen Winkeln abscheiden. Hierfür zu verwendende Hoch-T_c-Supraleitermaterialien wie z. B. auf Basis der Stoff­ systeme Y-Ba-Cu-O oder Bi-Sr-Ca-Cu-O sind allgemein bekannt. Zum Aufdampfen dieser Materialien wie auch zur Ausbildung der für die Tunnelbarrieren der Josephson-Tunnelelemente erforder­ lichen Materialien kann vorteilhaft eine z. B. aus "Appl.Phys. Lett.", Vol. 53, No. 16, Okt. 1988, Seiten 1557 bis 1559 oder aus "Journ. Less-Common Met.", Vol. 151, 1989, Seiten 413 bis 418 entnehmbare Laser-Ablationsbeschichtung vorgesehen werden. Die Tunnelbarrieren können dabei z. B. durch Heteroepitaxie z. B. aus La₂AlO₃ oder aus PrBaCu-Oxid gebildet werden. Die Schichten der erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung werden auf in der Hoch-T_c-Supraleitertechnik gebräuchlichen poly- oder einkri­ stallinen Substraten erzeugt. Derartige Substrate sind z.B. SrTiO₃, MgO, Al₂O₃; Y-stabilisiertes ZrO₂, Ta₂O₃, LiNbO₃ oder Si. Besonders vorteilhaft im Hinblick auf einen HF-Betrieb sind Substrate aus LaAlO₃ anzusehen.

Bei den aus den Figuren der Zeichnung entnehmbaren Ausführungs­ formen von erfindungsgemäßen T_c-SQUID-Verstärkereinrichtungen wurde davon ausgegangen, daß diese jeweils ein einziges Array aus T_c-SQUIDs enthalten. Im Hinblick auf eine weitere Lei­ stungssteigerung oder zur Anpassung an die nachgeschaltete Elektronik können jedoch innerhalb einer einzigen Verstärker­ einrichtung gegebenenfalls auch mehrere solcher Arrays durch eine Serien- und/oder Parallelschaltung miteinander kombiniert werden.

Claims (11)

1. Rauscharme DC-SQUID-Verstärkereinrichtung großer Bandbreite des Frequenzbereiches mit Josephson-Tunnelelementen, die je­ weils mit einem Widerstand überbrückt sind, mit Anschluß­ stücken, an denen eine Wechselspannung von einer nachgeschal­ teten Elektronik abzugreifen ist, sowie mit einer induktiven Gate-Leiter-Ansteuerung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - eine durch die Leistungsanforderung bestimmte Anzahl (n*m) von zu einem Array (18) angeordneten DC-SQUIDs (3, 3 _j) vorge­ sehen ist, die mit einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 77 K erstellt und mit flüssigem Stickstoff zu kühlen sind,
• - mehrere (n) zwischen den mindestens zwei Anschlußstücken (16, 17) normalleitend parallelgeschaltete SQUID-Zweige (Z_i) je­ weils mehrere (m) hintereinandergeschaltete DC-SQUIDs (3 _j) enthalten,
• - jedem SQUID-Zweig (Z_i) ein Leiter (23 _i) zugeordnet ist, der Teil einer auf vorbestimmtem elektrischen Potential liegen­ den Groundplane (22) aus dem metalloxidischen Supraleiter­ material ist, wobei die Groundplane-Leiter (23 _i) nur außer­ halb des Bereiches der SQUID-Zweige (Z_i) elektrisch mitein­ ander verbunden sind,
• - für eine vorbestimmte Anzahl von DC-SQUIDs (3 _j), die größer als die pro SQUID-Zweig (Z_i) vorgesehene Anzahl (m) ist, ein gemeinsamer Gate-Leiter (27) sowie ein zugeordneter Masse-Lei­ ter (28) so angeordnet sind, daß eine Ansteuerung längs der SQUID-Zweige (Z_i) in nur einer einzigen Richtung erfolgt, und
• - die SQUID-Zweige (Z_i), deren zugeordnete Groundplane-Leiter (23 _i), die Gate-Leiter (27) sowie deren zugeordnete Masse- Leiter (28) zumindest weitgehend als Streifenleiter ausge­ bildet sind.

2. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SQUID-Zweige (Z_i) mit­ tels Anschlußstücken (16, 17) aus normalleitendem Material parallelgeschaltet sind.

3. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die SQUID-Zweige (Z_i) je­ weils mindestens einen Anpaßwiderstand (R_i) enthalten.

4. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SQUID-Zweige (Z_i) je­ weils mindestens einen Anpaßwiderstand (R_i) enthalten und mit­ tels Anschlußstücken (16, 17) aus dem metalloxidischen Supra­ leitermaterial parallelgeschaltet sind.

5. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes SQUID (3 _j, 3 _x) mittels zwei untereinander parallelgeschalteter Gate-Leiter (27) sowie zwei untereinander parallelgeschalteter Masse-Leiter (28) anzusteuern ist.

6. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem SQUID (3 _j, 3 _x) die beiden Gate-Leiter (27) und die beiden Masse-Leiter (28) je­ weils an verschiedenen Stellen zugeführt und von dem SQUID weggeführt sind (Fig. 6 und 7).

7. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate- Leiter (27) und ihre zugeordneten Masse-Leiter (28) außerhalb des Bereichs der SQUIDs (3 _j, 3 _x) Doppelleitungen (30′ 30 _d, 30 _x, 30 _x-1) bilden.

8. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Streifenleiter (4, 19 _i, 23 _i, 27, 28) verschiedene Leiterbreiten haben.

9. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Jo­ sephson-Tunnelelemente (5, 6) der SQUIDs (3, 3 _j, 3 _x) als selbst-geshuntete Elemente ausgebildet sind.

10. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein metall­ oxidisches Supraleitermaterial auf Basis des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O oder Bi-Sr-Ca-Cu-O vorgesehen ist.

11. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Anordnung auf einem Substrat aus LaAlO₃.