EP0732764A1 - Planarer supraleitender Resonator - Google Patents

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EP0732764A1
EP0732764A1 EP95118504A EP95118504A EP0732764A1 EP 0732764 A1 EP0732764 A1 EP 0732764A1 EP 95118504 A EP95118504 A EP 95118504A EP 95118504 A EP95118504 A EP 95118504A EP 0732764 A1 EP0732764 A1 EP 0732764A1
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EP
European Patent Office
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strip conductor
conductor
resonator
josephson contact
superconducting resonator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP95118504A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Entw.-Ing. Grothe
Klaus Dipl.-Phys. Voigtlaender
Matthias Dipl.-Phys. Klauda
Claus Dipl.-Phys. Schmidt
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/08—Strip line resonators
    • H01P7/082—Microstripline resonators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
    • Y10S505/70—High TC, above 30 k, superconducting device, article, or structured stock
    • Y10S505/701—Coated or thin film device, i.e. active or passive
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S505/702—Josephson junction present
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    • Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
    • Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
    • Y10S505/866—Wave transmission line, network, waveguide, or microwave storage device

Definitions

  • the invention is based on a planar, superconducting resonator, according to the preamble of the main claim.
  • various stripline resonators are described in which a stripline element symmetrical about two axes is arranged between a first and a second stripline arranged at 90 ° to the first.
  • the symmetrical element has an asymmetry or symmetry disturbance arranged at an angle of 45 ° to one of the two strip conductors or the two axes of symmetry. The asymmetry can occur in a variable form.
  • a square resonator is shown with a corner cut off.
  • ring or circular resonators with a rectangular cutout or additional piece are shown. This asymmetry causes a coupling of the two modes that are mutually orthogonal and vibrate in the resonator.
  • planar, superconducting resonator according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the degree of coupling of the two orthogonal modes can be controlled via the strength of a magnetic field.
  • the configuration of the Josephson contact in the form of a further strip conductor separated from the strip line by a non-superconducting layer represents an advantageous measure, since this configuration is particularly easy to implement in terms of production technology.
  • the Josephson contact is designed as a local interference zone in the crystal structure of the strip conductor, since this local interference zone can also be introduced into the resonator with little effort after the layout of the resonator has been completed.
  • the magnetic field is generated by means of an electrical conductor which is electrically insulated from the Josephson contact.
  • an electrical conductor which is electrically insulated from the Josephson contact.
  • the electrical conductor is also advantageous to design the electrical conductor as a strip conductor, since this in turn advantageously maintains the planarity of the resonator. This in turn also simplifies the producibility.
  • the insulation between the electrical conductor and the resonator can be achieved in a particularly simple manner with a particularly low dielectric constant.
  • the electrical conductor is insulated from the Josephson contact by an oxide layer, the manufacturability of the resonator is in turn improved.
  • an approximately square strip conductor 2 is arranged on a flat substrate 1.
  • An input strip conductor 13 is arranged on one side of the square strip conductor 2 on the substrate 1 and an output strip conductor 14 is arranged on a side of the strip conductor 2 which is rotated by 90 ° to the first side.
  • the strip conductor 2 has a transition to an approximately rectangular transition extension arranged at an angle of 45 ° to the exit strip conductor 14.
  • the transition extension borders on a Josephson contact 3, which is formed from a non-superconducting layer 4, which here is in the form of a thin, normally conductive layer, for example a metal layer, and a further strip conductor 5 connected to it.
  • This arrangement forms a resonator 10 for high-frequency, electromagnetic signal waves.
  • an electrical conductor 6 in the form of a third strip conductor 7 arranged around the Josephson contact 3.
  • the high-frequency, electromagnetic signal waves are conducted via the input strip line 13 and the output strip line 14.
  • the resonator 10 two mutually orthogonal modes are capable of oscillation.
  • the layer thickness of the non-superconducting layer 4 lies in the range of the coherence length of the strip conductor 2.
  • FIG. 2 A further exemplary embodiment is shown in FIG. 2, the numbering from FIG. 1 having been retained.
  • the Josephson contact 3 is here in a form in which the non-superconducting layer 4 is in the form of a thin air gap which runs along a cutting line which is obtained by cutting off a corner the stripline 2 has arisen.
  • the thickness of the air gap is in turn in the region of the coherence length of the strip conductor 2.
  • the separated corner forms the further strip conductor 5.
  • An insulation layer 9 is partially laid over the substrate 1, for example in the form of an oxide layer, over which the third strip conductor 7 is applied.
  • the third strip conductor 7 runs somewhat perpendicular to the non-superconducting layer 4 and serves as an electrical conductor 6.
  • a magnetic field is generated by electrical current in the third strip conductor 7, which controls the permeability of the Josephson contact 3 and thus the coupling of the two orthogonal modes in the strip conductor 2.
  • the arrangement of the electrical conductor 6 directly above the non-superconducting layer 4 provides a particularly homogeneous magnetic field for controlling the Josephson contact 3.
  • a strip conductor 2 in the form of a disk is applied to the substrate 1.
  • a local interference zone 12 was created on this strip-shaped strip conductor 2, for example by ion beam etching on the strip conductor 2.
  • the ion beam etching line or local interference zone 12 here again runs at an angle of 45 ° to the output strip conductor 14.
  • the wire 8 is guided as an electrical conductor 6 in an insulation across the Josephson contact 3, so that the Magnetic field of the current flowing in the wire 8 allows controllability of the electrical state of the Josephson contact 3.
  • the interference zone can also be formed in various other ways which cause interference in the crystal structure of the strip conductor 2.
  • Resonators 10 are also provided, in which a plurality of Josephson contacts 3 are arranged one behind the other.
  • FIG. 4 shows an arrangement in which a further resonator 11 is applied to the substrate 1 in addition to the resonator 10.
  • the two resonators 10, 11 are connected to form a planar, superconducting filter.
  • the input strip line 13 of the resonator 10 forms the input of the filter.
  • Another resonator 11 is coupled in here between the output strip conductor 14 and the strip conductor 2 of the resonator 10 via an intermediate strip conductor 15, so that the output strip conductor 14 forms the output of the filter.
  • Both resonators 10, 11 have mutually complementary interferences, i.e. the resonator 10 has a symmetry disturbance in the form of an incision, while the further resonator 11 has the symmetry disturbance in the form of a rectangular extension. Both symmetry disturbances are provided with Josephson contacts 3, which can be controlled by current in one electrical conductor 6 each.
  • This arrangement thus represents a variable filter in which a change in the filter characteristic can be set by means of the current control of the Josephson contacts 3.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Es wird ein planarer, supraleitender Resonator mit einem auf einem Substrat aufgebrachten symmetrischen Streifenleiter vorgeschlagen. Der Streifenleiter weist eine Symmetriestörung zur Verkopplung orthogonaler Moden auf, an der ein Josephson-Kontakt angeordnet ist. Am Josephson-Kontakt ist ein Magnetfeld erzeugbar. <IMAGE>

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem planaren, supraleitenden Resonator, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. In dem Artikel "Miniature Dual Mode Microstrip Filters" in IEEE, MTT-S. Digest N-1, Seiten 443-446, 1991 sind verschiedene Streifenleitungsresonatoren beschrieben, bei denen ein zu zwei Achsen symmetrisches Streifenleitungselement zwischen einem ersten und einem zweiten zum ersten um 90° verdreht angeordneten Streifenleiter angeordnet ist. Das symmetrische Element weist zur Verkopplung der beiden in diesem Resonator schwingenden Moden eine unter einem Winkel von 45° zu einem der beiden Streifenleiter bzw. den beiden Symmetrieachsen angeordnete Asymmetrie bzw. Symmetriestörung auf. Die Asymmetrie kann hierbei in variabler Gestalt auftreten. So ist beispielsweise ein quadratischer Resonator gezeigt, an dem eine Ecke abgeschnitten ist. Außerdem sind ring- oder kreisförmige Resonatoren mit einem rechteckigen Ausschnitt oder Zusatzstück dargestellt. Diese Asymmetrie bewirkt eine Verkopplung der beiden im Resonator schwingenden, zueinander orthogonalen Moden.
  • Aus dem Fachbuch von W. Buckel, "Supraleitung", 4. Aufl., 1993, VCH-Verlag, Seiten 72-92 sind die theoretischen Grundlagen für die Josephson-Effekte und den Josephson-Kontakt bekannt. Der Josephson-Kontakt ist durch Anlegen eines Magnetfeldes bezüglich seiner Stromtragfähigkeit veränderbar.
    • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße planare, supraleitende Resonator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Ausmaß der Verkopplung der beiden orthogonalen Moden über die Stärke eines Magnetfeldes steuerbar ist.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen planaren, supraleitenden Resonators möglich.
  • Die Ausgestaltung des Josephson-Konakts in Form eines durch eine nichtsupraleitende Schicht vom Streifenleiter getrennten weiteren Streifenleiters stellt eine vorteilhafte Maßnahme dar, da diese Ausgestaltung herstellungstechnisch besonders einfach realisierbar ist.
  • Es erweist sich außerdem als vorteilhaft, wenn der Josephson-Kontakt als lokale Störzone in der Kristallstruktur des Streifenleiters ausgebildet ist, da diese lokale Störzone auch noch nachträglich, nach der Fertigstellung des Layouts des Resonators in den Resonator mit geringem Aufwand einbringbar ist.
  • Die Erzeugung des Magnetfelds mittels eines vom Josephson-Kontakt elektrisch isolierten elektrischen Leiters ist besonders vorteilsbringend, da durch Regelung von elektrischem Strom im elektrischen Leiter der Zustand des Josephson-Kontaktes veränderbar und damit die Verkopplung der Moden im Resonator ebenfalls variabel ist.
  • Ist der elektrische Leiter über der nichtsupraleitenden Schicht angeordnet, so resultiert aus dieser Anordnung der Vorteil eines besonders homogenen Magnetfeldes.
  • Es ist ebenfalls vorteilhaft, den elektrischen Leiter als Streifenleiter auszubilden, da dadurch wiederum die Planarität des Resonators in vorteilhafter Weise erhalten bleibt. Dadurch vereinfacht sich auch wiederum die Herstellbarkeit.
  • Wird der elektrische Leiter als Draht ausgebildet, so läßt sich die Isolierung zwischen dem elektrischen Leiter und dem Resonator auf besonders einfache Weise mit einer besonders niedrigen Dielektrizitätszahl erreichen.
  • Wenn der elektrische Leiter durch eine Oxidschicht vom Josephson-Kontakt isoliert ist, so verbessert sich wiederum die Herstellbarkeit des Resonators.
  • Werden mehrere Resonatoren gemeinsam auf einem Substrat angeordnet, so verringern sich die Herstellungskosten und es lassen sich mit diesen Resonatoren abstimmbare Filter realisieren.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1 einen in etwa quadratischen Resonator mit einem zusätzlichen Streifenleiter,
    • Figur 2 einen in etwa quadratischen Streifenleiter mit einer abgeschnittenen Ecke,
    • Figur 3 einen in etwa kreisscheibenförmigen Resonator,
    • Figur 4 zwei Resonatoren auf einem gemeinsamen Substrat.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In Figur 1 ist ein annähernd quadratisch ausgebildeter Streifenleiter 2 auf einem flachen Substrat 1 angeordnet. An einer Seite des quadratischen Streifenleiters 2 ist auf dem Substrat 1 ein Eingangsstreifenleiter 13 und auf einer um 90° zur ersten Seite verdreht liegenden Seite des Streifenleiters 2 ein Ausgangsstreifenleiter 14 angeordnet. An der der zwischen dem Ausgangsstreifenleiter 14 und dem Eingangsstreifenleiter 13 liegenden Ecke gegenüberliegenden Ecke weist der Streifenleiter 2 einen Übergang zu einem unter einem Winkel von 45° zum Ausgangsstreifenleiter 14 angeordneten in etwa rechteckigen Übergangsfortsatz auf. Der Übergangsfortsatz grenzt an einen Josephson-Kontakt 3, welcher aus einer nichtsupraleitenden Schicht 4, die hier in Form einer dünnen, normal leitenden Schicht, beispielsweise einer Metallschicht, realisiert ist und einem daran anschließenden weiteren Streifenleiter 5 gebildet ist. Diese Anordnung bildet einen Resonator 10 für hochfrequente, elektromagnetische Signalwellen. Weiter ist auf dem Substrat 1 ein elektrischer Leiter 6 in Form eines dritten Streifenleiters 7 um den Josephson-Kontakt 3 herum verlaufend angeordnet.
  • Über den Eingangsstreifenleiter 13 und den Ausgangsstreifenleiter 14 werden die hochfrequenten, elektromagnetischen Signalwellen geleitet. Im Resonator 10 sind dabei zwei zueinander orthogonale Moden schwingungsfähig. Die Schichtdicke der nichtsupraleitenden Schicht 4 liegt im Bereich der Kohärenzlänge des Streifenleiters 2.
  • Wird ein elektrischer Strom durch den elektrischen Leiter 6 geschickt, so entsteht ein Magnetfeld, welches u.a. den Bereich des Josephson-Kontakts 3 durchdringt. Hier addieren sich sogar die beiden Magnetfelder des rechts und des links liegenden Streifenleiterabschnitts des elektrischen Leiters 6 zu einem Gesamtmagnetfeld. Der Anteil dieses Magnetfeldes, welcher parallel zur Erstreckung des Josephson-Kontakts 3 verläuft, bewirkt eine Veränderung des Josephson-Gleichstroms, welcher durch den Josephson-Kontakt 3 fließt. Dadurch variiert der Zustand des Josephson-Kontakts 3 zwischen dem gewöhnlich elektrisch-leitenden, ohm'schen Zustand und dem supraleitenden Zustand. Befindet sich der Josephson-Kontakt 3 im supraleitenden Zustand, so ist der weitere Streifenleiter 5 voll elektrisch wirksam, so daß eine stärkere Verkopplung der orthogonalen Moden im Streifenleiter 2 resultiert. Gerät dagegen der Josephson-Kontakt 3 in den normal leitenden Zustand, so wird die Kopplung zum weiteren Streifenleiter 5 stark verringert, wodurch sich auch die Verkopplung der beiden orthogonalen Moden im Streifenleiter 2 verringert.
  • In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei die Numerierung aus der Figur 1 beibehalten wurde. In Abwandlung der Figur 1 ist anstelle des zum quadratischen Streifenleiter 2 angesetzten rechteckigen Zusatzstücks der Josephson-Kontakt 3 hier in einer Form ausgebildet, bei der die nichtsupraleitende Schicht 4 in Form eines dünnen Luftspalts ausgebildet ist, welcher entlang einer Schnittlinie verläuft, die durch Abtrennen einer Ecke des Streifenleiters 2 entstanden ist. Die Dicke des Luftspalts befindet sich wiederum im Bereich der Kohärenzlänge des Streifenleiters 2. Die abgetrennte Ecke bildet hier den weiteren Streifenleiter 5. Über das Substrat 1 ist teilweise eine Isolationsschicht 9 beispielsweise in Form einer Oxidschicht verlegt, über der der dritte Streifenleiter 7 aufgebracht ist. Der dritte Streifenleiter 7 verläuft dabei in etwas senkrecht zur nichtsupraleitenden Schicht 4 und dient als elektrischer Leiter 6.
  • Auch hier wird wieder durch elektrischen Strom in dem dritten Streifenleiter 7 ein Magnetfeld erzeugt, welches die Durchlässigkeit des Josephson-Kontakts 3 und damit die Verkopplung der beiden orthogonalen Moden im Streifenleiter 2 steuert. Durch die Anordnung des elektrischen Leiters 6, direkt über der nichtsupraleitenden Schicht 4 liegt hier ein besonders homogenes Magnetfeld zur Ansteuerung des Josephson-Kontakts 3 vor.
  • In Figur 3 ist unter Beibehaltung der Numerierung aus den vorhergehenden Figuren ein kreisscheibenförmiger Streifenleiter 2 auf dem Substrat 1 aufgebracht. Bei diesem kreisscheibenförmigen Streifenleiter 2 wurde eine lokale Störzone 12, beispielsweise durch Ionenstrahlätzen auf dem Streifenleiter 2 erzeugt. Die Ionenstrahlätzlinie bzw. lokale Störzone 12 verläuft hier wiederum unter einem Winkel von 45° zum Ausgangsstreifenleiter 14. Es ist hier wiederum als elektrischer Leiter 6 der Draht 8 in einer Isolierung quer über den Josephson-Kontakt 3 geführt, so daß das Magnetfeld des im Draht 8 fließenden Stromes eine Steuerbarkeit des elektrischen Zustandes des Josephson-Kontaktes 3 zuläßt. Die Störzone kann auch in verschiedenen anderen Arten ausgebildet werden, die eine Störung der Kristallstruktur des Streifenleiters 2 bewirken.
  • Es sind ebenso Resonatoren 10 vorgesehen, bei denen mehrere Josephson-Kontakte 3 hintereinander angeordnet sind.
  • In Figur 4 ist eine Anordnung dargestellt, bei der auf dem Substrat 1 außer dem Resonator 10 noch ein weiterer Resonator 11 aufgebracht ist. Die beiden Resonatoren 10, 11 sind zu einem planaren, supraleitenden Filter verschaltet. Der Eingangsstreifenleiter 13 des Resonators 10 bildet den Eingang des Filters. Zwischen dem Ausgangsstreifenleiter 14 und dem Streifenleiter 2 des Resonators 10 ist hier über einen Zwischenstreifenleiter 15 ein weiterer Resonator 11 eingekoppelt, so daß der Ausgangsstreifenleiter 14 den Ausgang des Filters bildet. Beide Resonatoren 10, 11 weisen zueinander komplementäre Störungen auf, d.h. der Resonator 10 weist eine Symmetriestörung in Form eines Einschnittes auf, während der weitere Resonator 11 die Symmetriestörung in Form eines rechteckigen Fortsatzes aufweist. Beide Symmetriestörungen sind mit Josephson-Kontakten 3 versehen, die durch Strom in je einem elektrischen Leiter 6 ansteuerbar sind.
  • Diese Anordnung stellt somit ein variables Filter dar, bei dem mittels der Stromsteuerung der Josephson-Kontakte 3 eine Veränderung der Filtercharakteristik einstellbar ist.

Claims (9)

  1. Planarer supraleitender Resonator mit einem auf einem Substrat (1) aufgebrachten symmetrischen Streifenleiter (2), der eine Symmetriestörung zur Verkopplung orthogonaler Moden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Symmetriestörung ein Josephson-Kontakt (3) angeordnet ist und daß am Josephson-Kontakt (3) ein Magnetfeld erzeugbar ist.
  2. Planarer supraleitender Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Josephson-Kontakt (3) einen durch eine nichtsupraleitende Schicht (4) vom Streifenleiter (2) ganz oder teilweise getrennten weiteren Streifenleiter (5) umfaßt.
  3. Planarer supraleitender Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Josephson-Kontakt (3) eine lokale Störzone (12) in der Kristallstruktur des Streifenleiters (2) umfaßt.
  4. Planarer supraleitender Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Josephson-Kontakt (3) elektrisch isolierter elektrischer Leiter (6) vorgesehen ist, in dem ein das Magnetfeld erzeugender Strom erzeugbar ist.
  5. Planarer supraleitender Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (6) über der nichtsupraleitenden Schicht (4) angeordnet ist.
  6. Planarer supraleitender Resonator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (6) einen dritten Streifenleiter (7) umfaßt.
  7. Planarer supraleitender Resonator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (6) einen Draht (8) umfaßt.
  8. Planarer supraleitender Resonator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (6) durch eine Isolationsschicht (9) vom Josephson-Kontakt (3) isoliert ist.
  9. Planarer supraleitender Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10) mit wenigstens einem weiteren Resonator (11) gemeinsam auf dem Substrat (1) angeordnet ist.
EP95118504A 1995-03-11 1995-11-24 Planarer supraleitender Resonator Withdrawn EP0732764A1 (de)

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