DE4437100A1 - Mikrowellenoszillator - Google Patents

Description

Josephson-Kontakte stellen einen spannungsabhängigen Mikrowellenoszillator dar, der pro 1 mV eine Frequenz von 483 GHz erzeugt. Die Mikrowellenleistung, die ein Kontakt abgibt beträgt nur einige nW das ist unzureichend für praktische Anwendungen. Weiterhin ist die Linienbreite der Strahlung mit 40 MHz/K.Ω sehr groß. Josephson-Kontakte haben nur eine Im­ pedance von wenigen Ohm und können deshalb nur sehr schwer an typische 50 Ω Mikrowellen- Leitungen angepaßt werden. Der einzige Ausweg, diese Nachteile zu beseitigen ist die Herstellung von Netzwerken aus Josephson-Kontakten, die durch spezielle Schaltungen eine kohärente (synchrone) Mikrowellenstrahlung erzeugen.

Bekannt sind Serienschaltungen, die aber nur synchronisieren, wenn die Streuung der Parame­ ter der Kontakte kleiner als 7% sind. Diese Netzwerke erfordern eine extrem ausgereifte Tech­ nologie zur Herstellung der Schaltungen. Für praktische Anwendungen werden Netzwerke mit einigen Hundert Kontakten benötigt. Die genaue Anzahl der Kontakte hängt von der konkreten Anwendung ab. Von Han et al. wurde eine Serienschaltung mit 500 Josephson-Kontakten rea­ lisiert, die eine Leistung von 50 µW bei einer Frequenz von 400 GHz mit einer Linienbreite von 200 kHz abgab.

Wünschenswert für eine einfache Herstellung dieser Netzwerke wäre, daß die Schaltungen auch bei größeren Parameterstreuungen stabil synchronisieren. Größere Parameterstreuung von ca. 14% sind zulässig, wenn die Kontakte in ein zweidimensionales Netzwerk geschaltet werden. Dabei entsteht der Nachteil, daß zusätzliche Freiheitsgrade in einem solchen Netzwerk entstehen, die zu einer Verringerung der Stabilität des synchronisierten Zustandes führen, d. h. der synchronisierte Zustand wird zerstört.

In den bisher bekannten Lösungen von Netzwerken für Mikrowellen-Oszillatoren wird entwe­ der ein zusätzliches Netzwerk aus einem Widerstand und einer Induktivität bzw. die zwei­ dimensionale Struktur des Josephson-Netzwerkes zur Rückkopplung des Mikrowellenstromes genutzt.

In allen oben genannten Schaltungen besteht die Möglichkeit, daß die Kontakte sowohl in- Phase als auch in anti-Phase synchronisieren können. Synchronisation in anti-Phase heißt, daß dieses Netzwerk keinerlei Mikrowellenleistung erzeugt und damit praktisch nicht als Oszillator genutzt werden kann.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die existierenden Schaltungen von Netz­ werken für Mikrowellen-Oszillatoren folgende Nachteile haben:

• - sie erfordern geringe Parameterstreuungen der Technologie,
• - Schaltungen, die größere Parameterstreuungen zulassen, werden instabil,
• - Synchronisation im in-Phasen als auch im anti-Phasen Zustand ist möglich.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Schaltung (Abb. 1), die alle oben genannten Nach­ teile beseitigt.

Die von uns durchgeführten Berechnungen haben gezeigt, daß nur der in-Phase Zustand stabil ist. Damit kann diese Schaltung wirklich Mikrowellenleistung an einen Lastwiderstand abgeben (Abb. 2). Weiterhin haben die Berechnungen gezeigt, daß die zulässige Streuung der Parameter der Kontakte 15% betragen kann und die synchrone Funktion noch gewährleistet ist. Das zulässige Parameterfeld für die Kapazität, Induktivität und den kritischen Josephsonstrom wurde von uns berechnet (Abb. 3).

Die Erfindung ist ein supraleitender Mikrowellenoszillator, bestehend aus zwei Reihen­ schaltungen einer größeren Anzahl, M, von mindestens M = 4 bis M = 1000 Josephson- Kontakten, die in einen supraleitenden Ring integriert sind. Dieser Ring besteht aus zwei Induktivitäten, die gleich groß sein müssen. Die Besonderheit dieser Schaltung besteht darin, daß für eine optimale Funktion der Schaltung die Josephson-Kontakte eine bestimmte Kapazität und der supraleitende Ring eine bestimmte Induktivität haben müssen. Die Bedingung für die Bemessung der Kapazität und Induktivität lautet.

wobei gilt: Ic-kritischer Josephson-Strom, RN-Normalwiderstand des Josephson-Kontaktes, C- Kapazität des Kontaktes, Φ₀-Flußquant, M-Anzahl der Josephson-Kontakte in einer Serienschaltung, I_B-Betriebsstrom der Schaltung. Die genaue Bemessung der Parameter hängt von der Anzahl der Josephson-Kontakte ab.

Diese Schaltung bildet einen Resonanzschwingkreis, der dazu führt, daß die synchrone Wech­ selwirkung der Kontakte so verstärkt wird, daß die Parameterstreuungen der Kontakte zweimal größer sein kann, als bei bisher bekannten Schaltungen. Damit wird der wesentliche Nachteil bisheriger Schaltungen, extrem hohe Anforderungen an die Toleranzen (Parameterstreuungen) der Technologie zu stellen, deutlich reduziert.

Diese Schaltung arbeitet nur mit Josephson-Kontakten, die gedämpft sind, d. h. für deren McCumber Parameter β_c = 2πI_cR_n²/Φ₀ ≈ 1 gilt. Die Schaltung arbeitet sowohl mit metallischen als auch mit oxidischen Supraleitern. Der Vorteil der Arbeit mit oxidischen Supraleitern besteht darin, daß aufgrund ihrer zehnmal größeren Energielücke höhere Grenzfrequenzen erreicht werden können.

Zur Auskopplung der Mikrowellenstrahlung aus dem Oszillator werden zwei unterschiedliche Designvarianten vorgeschlagen.

Die Designvariante 1 ist für die Abstrahlung der Mikrowellen in den freien Raum vorgesehen. Die Oszillatorschaltung wird mit einer Dünnschicht-Antenne, die der Anpassung der Impedanz des Oszillators und des freien Raumes dient, integriert. Die Antenne zur Abstrahlung der Mikrowellen muß zwischen den Punkten A und B angeschlossen werden.

Die Designvariante 2 dient der Auskopplung der Mikrowellen aus dem Oszillator in eine Dünnschicht-Mikrostreifenleitung. Die Dünnschicht-Mikrostreifenleitung wird dadurch gebildet, daß die gesamte Oszillator-Schaltung mit einer Isolatorschicht der Dicke von ca. 400 nm bedeckt wird. Auf dem Isolator wird eine supraleitende Schicht mit der Dicke von ca. abgeschieden, die gleichzeitig als Grundplatte für die Mikrowellenleitung-Streifenleitung und als Abschirmschicht für die Oszillator-Schaltung dient. Die Designvariante zwei beinhaltet weiterhin einen wesentlichen Vorteil gegenüber der Designvariante 1. Durch die supraleitende Abschirmschicht ist es möglich, die Abmessungen des supraleitenden Ringes zu vergrößern ohne damit seine Induktivität zu erhöhen. Dieser Effekt ist bereits von SQUIDs bekannt und beseitigt in dieser Oszillator-Schaltung die technologische Schwierigkeit, mehrere hundert Josephson-Kontakte in einen supraleitenden Ring zu integrieren.

Mit der vorgestellten Schaltung ergeben sich somit zwei wesentliche Vorteile. Erstens synchronisiert sie bei größeren Parameterstreuungen, was ihre Herstellung erleichtert und zweitens ist nur der in-Phase Zustand stabil, wodurch sie sehr zuverlässig arbeiten sollte.

Es wurden einige Testschaltungen hergestellt, die alle die prinzipielle Funktion der Schaltung demonstriert haben (Abb. 4).

Diese Schaltungen bestanden aus zwei Serienschaltungen zu je zwei Josephson-Kontakten, die in einer supraleitenden Ring integriert waren (Abb. 5). Der supraleitende Ring hatte eine Induktivität von 37 pH. Die supraleitende Schicht bestand aus einer dünnen Schicht des oxidi­ schen Supraleiters YB_a2Cu₃O₇. Die Josephson-Kontakte wurden durch eine Bikristall-Korn­ grenze im Substrat erzeugt. Die Breite der Kontakte betrug 5 µm. Der McCumber Parameter der Kontakte betrug β_c ≈ 1. Die kritischen Ströme der Kontakte erreichten bei T = 4.2 K Werte von 1 mA bis 1.2 mA.

Diese Schaltungen funktionierten im Frequenzbereich von 75 GHz bis 180 GHz und im Tempe­ raturbereich von 4.2 K bis 48 K. Die Begrenzung der oberen Arbeitsfrequenz ist derzeitig nur durch den Schaltungsentwurf bestimmt. Durch Verkleinerung der Induktivität kann die Frequenz deutlich erhöht werden. Es konnte gezeigt werden, daß die Schaltungen bis zu Para­ meterstreuungen von 15% stabil gearbeitet haben. Das entspricht den berechneten Werten. Damit konnte gezeigt werden, daß die Berechnungen und die ihnen zugrunde liegenden Modelle richtig sind. Damit sind alle Schlußfolgerungen und Entwurfsregeln für die Erweiterung der Schaltung für reale Oszillatoren ebenso gültig.

Beschreibung der Abbildungen

Abb. 1.:
Schaltbild des Mikrowellen-Oszillators. Die beiden Teilinduktivitäten L/2 formieren die Ringinduktivität L. I_b ist der Speisestrom der Schaltung und J_i,M sind die Josephson- Kontakte. Die Mikrowellenspannung liegt zwischen den Punkten A und B an, zwischen den mit V markierten Punkten liegt keine Hochfrequenz an.

Abb. 2.:
Abb. 2a zeigt die Mikrowellenleistung in Abhängigkeit von der Frequenz, die vom Oszillator im synchronisierten Zustand an einen Lastwiderstand abgegeben wird. Klar zu erkennen sind die kleinen Linienbreiten. Abb. 2b zeigt die Leistung, die im nicht synchronisierten Zustand abgegeben wird. Im Vergleich zum synchronisieren Zustand ist die Leistung zwei Größenordnungen kleiner und die Linienbreite sehr groß. In diesem Zustand ist die Schaltung als Oszillator technisch nicht nutzbar.

Abb. 3.:
Hier wird das zulässige Parameterfeld der des McCumber Parameters β_c nd des Induktivitäts- Parameters β_L = 2πLI_c/Φ_o dargestellt, in dem in-Phasen Synchronisation auftreten kann. Die Werte an den Konturen der Abbildung zeigen die Stabilität des synchronisierten Zustandes an. Werte um 1.4 sind maximal und zeigen den optimalen Parameterbereich an.

Abb. 4.:
Die experimentell gemessenen Strom-Spannungskennlinien der Testschaltungen zeigen die Funktion der Schaltung. Der Bereich, der mit zwei Pfeilen und I_L markiert wurde, zeigt den Bereich der Phasen-Synchronisation. Aus den zugehörigen Spannungen von 160 µV bis 270 µV läßt sich der Frequenzbereich der erzeugten Mikrowellen bestimmen. Der Bereich beträgt in dem gezeigten Beispiel 75 GHz bis 125 GHz.

Abb. 5.:
Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau der Testschaltung. Die schraffierte Fläche stellt die Supraleiterschicht dar. Die Anschlüsse 1-4 und V sind für die Stromspeisung und Spannungsmessung vorgesehen. Die gestrichelte Linie stellt die Bikristall-Korngrenze dar. Die Breite der Kontakte beträgt 5 µm. Der Umfang des supraleitenden Ringes, R, beträgt 85 µm.

Eine Antenne zur Abstrahlung der Mikrowellen muß zwischen den Punkten A und B angeschlossen werden (Designvariante 1).

Zur Auskopplung der Mikrowellen in eine Dünnschicht-Mikrostreifenleitung wird die gesamte Schaltung mit einem Isolator bedeckt. Auf dem Isolator wird eine supraleitende Schicht abgeschieden, die als Abschirmschicht und Grundplatte für die Mikrowellenleitung dient (Designvariante 2).

Claims (3)

1. Supraleitender Mikrowellenresonator, gekennzeichnet durch

• - zwei Reihenschaltungen, die jeweils eine Mehr­ zahl von Josephson-Kontakten und eine Teilin­ duktivität aufweisen,
• - einen von beiden Reihenschaltungen gebildeten Resonanzkreis und
• - Mittel zur Weitergabe der vom Oszillator abge­ strahlten Mikrowellenleistung an einen Lastwi­ derstand.

2. Supraleitender Mikrowellenoszillator nach An­ spruch 1 mit bis zu 3000 Josephson-Kontakten in der jeweiligen Reihenschaltung.

3. Supraleitender Mikrowellenoszillator nach An­ spruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zur Bildung des die Josephson-Kontakte enthaltenden Resonanzkreises geeignet struktu­ rierte, supraleitende Schicht auf einem Substrat.