WO2002001642A1 - Cryoelectronic microwave circuit with josephson contacts and use thereof - Google Patents

Cryoelectronic microwave circuit with josephson contacts and use thereof Download PDF

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WO2002001642A1
WO2002001642A1 PCT/EP2001/006487 EP0106487W WO0201642A1 WO 2002001642 A1 WO2002001642 A1 WO 2002001642A1 EP 0106487 W EP0106487 W EP 0106487W WO 0201642 A1 WO0201642 A1 WO 0201642A1
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WO
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josephson
contacts
microwave circuit
coplanar strip
cryoelectronic
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PCT/EP2001/006487
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Inventor
Hans-Georg Meyer
Marco Schubert
Gerd Wende
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Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/005—Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references
    • G01R35/007—Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden references"
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N69/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one superconducting element covered by group H10N60/00

Definitions

  • the invention relates to a cryoelectronic microwave circuit with a plurality of Josephson contacts and the use thereof.
  • Josephson facilities such as Josephson
  • coplanar strip lines are known in which two metallic strip lines with the width w and the
  • the four chains are connected in series in order to ensure optimal microwave excitation of the Josephson contacts the chains are microwave-connected in parallel.
  • 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 over a n Waveguide and transformed via a so-called finline taper on 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 absorbent lines (load).
  • the integration of the Josephson contacts in a microstrip line has the disadvantage that in addition to the manufacture of the Josephson contacts, a thick dielectric and a second metal layer have to be produced as a ground.
  • the defect-free technological manufacture of the 1 ⁇ m to 3 ⁇ m thick dielectric causes great problems.
  • the so-called “dc blocks” have to be implemented technologically. All of this means an increased manufacturing effort.
  • SP Benz "Superconductor-normal-supercinductor junctions for programmable voltage standards" Appl. Phys. Lett., Vol 67, No. 18, pp. 2714-2716, Oct. 1995 described.
  • the Josephson contacts in the inner conductor a coplanar line (CPW: coplanar waveguide) integrated, the two outer ground lines of the coplanar line consist of pure superconducting material.
  • CPW coplanar waveguide
  • the disadvantage of producing the thick dielectric does not apply here, but the two outer ground conductors must be short-circuited for every 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.
  • 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.
  • the invention is based on the object of specifying a microwave circuit in which Josephson contacts with a high integration density are supplied with a homogeneous microwave in order, for example, to be able to generate highly accurate voltages of up to 10 V.
  • the object is achieved in that the Josephson contacts in both strip conductors of a coplanar strip line (CPS: coplanar strips) are integrated.
  • CPS coplanar strip line
  • La a strip conductor with integrated Josephson contacts in a lateral section
  • Fig. Lb a coplanar stripline with integrated Josephson contacts in plan view
  • Fig. Lb in a section along a plane X-X
  • Fig. 2 shows an example of the use of a cryoelectronic microwave circuit as a voltage standard
  • Fig. 3 shows another example of the use of a cryo-electronic microwave circuit as a programmable voltage standard.
  • FIG. 1 a shows a strip conductor with integrated Josephson contacts 40 in a lateral section
  • FIG. 1b shows a coplanar strip line with integrated Josephson contacts according to FIG. La in a top view
  • FIG. 1c shows a section along a plane XX according to FIG.
  • 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.
  • the Josephson contacts 40 can be replaced by SIS contacts (superconductor-insulator-superconductor Josephson contacts), such as Nb-Al2 ⁇ 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-Al2 ⁇ 3-Al-Al2 ⁇ 3-Nb.
  • the production such individual Josephson contacts 40 is also state of the art and does not require any further explanation 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.
  • the spacing s of the two strip conductors can be freely selected and is 3 ⁇ m in the example.
  • the width w of a stripline can also be freely selected within limits and in the example can be between 1 ... 60 ⁇ m.
  • the wave resistance and the attenuation of the coplanar stripline can be set by the specific choice of the above-mentioned parameters.
  • the spacing s for example between 1 ⁇ m ... 5 ⁇ m and the width w of the Josephson contacts, the attenuation (in the example 0.2 db / cm) and the characteristic impedance (in the example 30 ... 200 ⁇ ) of the coplanar ones Stripline can be set.
  • the attenuation (in the example 0.2 db / cm) and the characteristic impedance (in the example 30 ... 200 ⁇ ) of the coplanar ones Stripline can be set.
  • the attenuation in the example 0.2 db / cm
  • the characteristic impedance in the example 30 ... 200 ⁇
  • FIG. 2 shows schematically the use of a coplanar strip line 1 with integrated Josephson contacts as a cryoelectronic microwave circuit for a voltage standard.
  • a microwave circuit is in particular part of a device for generating a high-precision voltage standard with the help of Josephson contacts.
  • Parts of this device which are not shown schematically in FIG. 2 of the drawing, such as conventional coolant containers, means for frequency stabilization, etc., are common specialist knowledge (see, for example, V. Kose, F. Melchert, "Quantum Dimensions in Electrical Measurement Technology", p. 24 -41, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991) and therefore need not be explained in more detail here.
  • a sinusoidal microwave is coupled into the 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.
  • the coplanar stripline 1 with a superconducting coplanar stripline 6 high attenuation (load) completed 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 the contact surfaces 5, and the direct current can be supplied at the contact surfaces 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.
  • the circuit described above can also be used for high-precision potentiometer devices with Josephson contacts.
  • the Josephson contacts 40 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. It can be seen from the basic circuit according to FIG. 3 that, for example, in the case of three power dividers 22 connected in cascade connection to one another and thus four parallel chains la, lb, lc, ld, the Josephson contacts 40 are automatically connected in series in terms of direct current. This means that no DC interruptions (dc block), as would be required in the other described waveguides according to the prior art, are necessary.
  • dc block no DC interruptions
  • Another type of circuit for a pulse-driven voltage standard with the coupling of a pulsed microwave is based on the defined temporal change in the incident frequency f.
  • the Josephson contacts are fed with a programmed pulse sequence.
  • Such a circuit type is in principle also already known (US Pat. No. 5,812,078) or (cf. CA Hamilton, CJ Burroughs, SP Benz "Josephson Voltage Standard - A Review", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 7, No. 2 , pp. 3756-3761, June 1997), but can be realized much more easily by the present invention.

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Abstract

The invention relates to a cryoelectronic microwave circuit, comprising a plurality of Josephson contacts, and to the use thereof in the generation of high-precision voltages. At least one coplanar strip transmission line (1), consisting of two individual striplines (11,12) which are integrated from a plurality of series-connected Josephson contacts (40), is applied to a substrate (3). The two individual striplines (11,12) are disposed at a given distance (s), and the width (w) of the strips can also be predetermined in such a way that the surge impedance and the damping of the coplanar strip transmission line can be adjusted by varying said distance (s) and width (w), and a microwave can be injected into one side (21) of the coplanar strip transmission line (1). The other side of the coplanar strip transmission line is terminated by a high damping superconductive coplanar stripline (6) in such a way that all Josephson contacts (40) of the strip transmission line are series-connected with respect to direct current. The total voltage can be picked off in the usual contact areas wherein the direct current can be supplied.

Description

Kjyoelektronischer Mikrowellenschaltkreis mit Josephsonkontakten und dessen VerwendungKjyoelectronic microwave circuit with Josephson contacts and its use
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft einen kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreis mit einer Vielzahl von Josephsonkontakten und dessen Verwendung. Josephson-Einrichtungen, wie insbesondere Josephson-The invention relates to a cryoelectronic microwave circuit with a plurality of Josephson contacts and the use thereof. Josephson facilities, such as Josephson
Spannungsnormale, die auf der Grundlage des Wechselstrom- Josephson- Effektes arbeiten, haben bereits Eingang in die Präzisionsmeßtechnik gefunden. Bei diesen Spannungsnormalen nutzt man 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: Un = n • (h/2e) • f mit n = ...-3,-2,-1,0,1,2,3,... (ganze Zahl)Voltage standards that work on the basis of the AC Josephson effect have already found their way into precision measurement technology. These voltage standards use 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 the frequency f in the following way: 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 stage, h: Planck's quantum of action, e: elementary charge). In order to reach the 10 V voltage level at a frequency f of 70 GHz, for example, series connections of 14,000 or more Josephson contacts are required.
Nach dem Stand der Technik sind koplanare Streifenleitungen bekannt, bei denen zwei metallische Streifenleiter mit der Breite w und demAccording to the prior art, coplanar strip lines are known in which two metallic strip lines with the width w and the
Abstand s auf einem Substrat der Dicke h und derDistance s on a substrate of thickness h and
Dielektitzitätskonstante εr aufgebracht sind (H.Meinke, F.W.Grundlach,Dielectric constant εr are applied (H.Meinke, F.W. Grundlach,
"Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", K15-K16, Springer- Verlag,"Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", K15-K16, Springer Verlag,
1992). Damit ist es möglich, hochfrequente Wechselfelder (Mikrowellen) zu fuhren. Weil die koplanare Streifenleitung aus zwei einfachen metallischen Streifenleitern auf einem dielektrischen Substrat besteht, können damit aber beispielsweise keine Schaltkreise zu1992). This makes it possible to drive high-frequency alternating fields (microwaves). However, because the coplanar strip line consists of two simple metallic strip lines on a dielectric substrate, no circuits can be used, for example
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.Generation of high-precision voltages (voltage standards) that are already part of the known state of the art (V. Kose, F. Melchert "Quantum dimensions in electrical measurement technology" 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 dem. Buch von J. Hinken "Supraleiter-Elektronik: Grundlagen, Anwendungen in der Mikrowellentechnik, Springer- Verlag, Berlin 1988, S. 87 bis 95, geht hervor, daß das zu entnehmende Josephson-Spannungsnormal wie folgt aufgebaut ist: Es enthält 1440 Josephsonkontakte (dort als Josephson- Elemente bezeichnet), die in vier als Mikrostreifenleiter gestalteten Ketten mit jeweiligen Abschlußwiderstand äquidistant hintereinander angeordnet sind. Zur Auf summierung 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. 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. Ein Vorschlag zur Vereinfachung der Technologie ist in S.P. Benz, "Superconductor-normal-supercinductor junctions for programmable voltage Standards" Appl. Phys. Lett., Vol 67, No. 18, pp. 2714-2716, Oct. 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=l. n=-l 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.24-41, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991). In order to implement microwave circuits with Josephson contacts, in particular for generating high-precision voltages, the Josephson contacts were integrated in a microstrip line. From the . Book by J. Hinken "Superconductor Electronics: Fundamentals, Applications in Microwave Technology, Springer-Verlag, Berlin 1988, pp. 87 to 95, shows that the Josephson voltage standard to be extracted is structured as follows: It contains 1440 Josephson contacts ( referred to there as Josephson elements), which are arranged equidistantly one behind the other in four chains designed as microstrip conductors, each with a terminating resistor. To sum up the voltages at the individual Josephson contacts, the four chains are connected in series in order to ensure 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 over a n Waveguide and transformed via a so-called finline taper on 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 absorbent lines (load). The integration of the Josephson contacts in a microstrip line has the disadvantage that in addition to the manufacture of the Josephson contacts, a thick dielectric and a second metal layer have to be produced as a ground. In particular, the defect-free technological manufacture of the 1 μm to 3 μm thick dielectric (for example made of silicon dioxide) causes great problems. In addition, the so-called "dc blocks" have to be implemented technologically. All of this means an increased manufacturing effort. A proposal to simplify the technology is described in SP Benz, "Superconductor-normal-supercinductor junctions for programmable voltage standards" Appl. Phys. Lett., Vol 67, No. 18, pp. 2714-2716, Oct. 1995 described. Here are the Josephson contacts in the inner conductor a coplanar line (CPW: coplanar waveguide) integrated, 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 every 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, depending on the respectively set direct current at the Shapiro level n = 1. work n = -l or n = 0. 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. Damit tritt ein weiterer Nachteil der hier beschriebenen Methoden zur homogenen Mikrowellenversorgung der Josephonkontakte hervor, nämlich deren geringe Intregrationsdichte.To be able to generate metrologically relevant high-precision voltages up to 10 V with the programmable voltage standard, up to 300,000 Josephson contacts are required here, which requires a high integration density of Josephson contacts. Another disadvantage of the methods described here for the homogeneous microwave supply of the Josephon contacts emerges, 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 is based on the object of specifying a microwave circuit in which Josephson contacts with a high integration density are supplied with a homogeneous microwave in order, for example, to be able to generate highly accurate voltages of up to 10 V. The object is achieved in that the Josephson contacts in both strip conductors of a coplanar strip line (CPS: coplanar strips) are integrated. The invention further relates to further uses of this microwave circuit.
Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs- beispiele näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with the aid of schematic exemplary embodiments. Show it:
Fig. la einen Streifenleiter mit integrierten Josephsonkontakten in einem seitlichen Schnitt, Fig. lb eine koplanare Streifenleitung mit integrierten Josephsonkontakten in Draufsicht,La a strip conductor with integrated Josephson contacts in a lateral section, Fig. Lb a coplanar stripline with integrated Josephson contacts in plan view,
Fig. lc die koplanare Streifenleitung mit integriertenFig. Lc the coplanar stripline with integrated
Josephsonkontakten nach Fig. lb in einem Schnitt entlang einer Ebene X-X, Fig. 2 ein Beispiel für die Verwendung eines kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreises als Spannungsnormal undFig. Lb in a section along a plane X-X, Fig. 2 shows an example of the use of a cryoelectronic 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.
Figur la zeigt einen Streifenleiter mit integrierten Josephsonkontakten 40 in einem seitlichen Schnitt, Figur lb eine koplanare Streifenleitung mit integrierten Josephsonkontakten nach Fig. la in Draufsicht und Fig. lc einen Schnitt entlang einer Ebene X-X gemäß Fig. lb. 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-Al2θ3-Nb, oder SNS-Kontakte (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter Josephsonkontakte), wie Nb-PdAu-Nb, oder SINIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Isolator-Supraleiter Josephsonkontakte), wie Nb-Al2θ3-Al-Al2θ3-Nb, gebildet sein. Die Herstellung solcher einzelner Josephsonkontakte 40 ist ebenfalls Stand der Technik und bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Ausfuhrung. Für die Erfindung bedeutsam ist jedoch, daß die Josephsonkontakte 40 wenigstens in einer koplanaren Streifenleitung 1 angeordnet sind. Die Beabstandung s der beiden Streifenleiter ist frei wählbar und 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. 1 a shows a strip conductor with integrated Josephson contacts 40 in a lateral section, FIG. 1b shows a coplanar strip line with integrated Josephson contacts according to FIG. La in a top view, and FIG. 1c shows a section along a plane XX according to FIG. 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 replaced by SIS contacts (superconductor-insulator-superconductor Josephson contacts), such as Nb-Al2θ3-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-Al2θ3-Al-Al2θ3-Nb. The production such individual Josephson contacts 40 is also state of the art and does not require any further explanation 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. The spacing s of the two strip conductors can be freely selected and is 3 μm in the example. The width w of a stripline can also 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 bspw. 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...200Ω) der koplanaren Streifenleitung eingestellt werden. Im Beispiel nach den Figuren 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.By appropriate choice of the spacing s, for example between 1 μm ... 5 μm and the width w of the Josephson contacts, the attenuation (in the example 0.2 db / cm) and the characteristic impedance (in the example 30 ... 200Ω) of the coplanar ones Stripline can be set. In the example according to FIGS. 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 Figur 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 Kühlmittelbeälter, Mittel zur Frequenzstabilisierung u.a., 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 die 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 den 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 des Standes der Technik. Damit steht ein Spannungsnormal zur Erzeugung hochgenauer Spannungen von 1 V bis 10 V zur Verfügung.FIG. 2 shows schematically the use of a coplanar strip line 1 with integrated Josephson contacts as a 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. Parts of this device which are not shown schematically in FIG. 2 of the drawing, such as conventional coolant containers, means for frequency stabilization, etc., are common specialist knowledge (see, for example, V. Kose, F. Melchert, "Quantum Dimensions in Electrical Measurement Technology", p. 24 -41, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991) and therefore need not be explained in more detail here. A sinusoidal microwave is coupled into the 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 is the coplanar stripline 1 with a superconducting coplanar stripline 6 high attenuation (load) completed 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 the contact surfaces 5, and the direct current can be supplied at the contact surfaces 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.
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 Figur 3 ist erkennbar, daß beispielsweise bei drei kaskadenfδrmig zueinander in Verbindung stehenden Leistungsteilern 22 und damit vier parallelen Ketten la, lb, lc, ld 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. It can be seen from the basic circuit according to FIG. 3 that, for example, in the case of three power dividers 22 connected in cascade connection to one another and thus four parallel chains la, lb, lc, ld, the Josephson contacts 40 are automatically connected in series in terms of direct current. This means that no DC interruptions (dc block), as would be required in the other described waveguides 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. CA. Hamilton, C.J. Burroughs, S.P. Benz "Josephson Voltage Standard - A Review", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 7, No. 2, pp. 3756-3761, June 1997). Diese Schaltkreise werden manchmal auch als Josephson-Digital/Analog Wandler bezeichnet. 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 the future, the Josephson voltage standards will become very important, with which the high-precision voltage can be set quickly, and thus alternating voltages or any voltage curves can be synthesized (see CA. Hamilton, CJ Burroughs, SP Benz "Josephson Voltage Standard - A Review ", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 7, No. 2, pp. 3756-3761, June 1997). These circuits are sometimes referred to as Josephson digital to analog converters. 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, pp. 3756-3761, June 1997), läßt sich aber durch vorliegende Erfindung wesentlich einfacher realisieren.Another type of circuit for a pulse-driven voltage standard with the coupling of a pulsed microwave is based on the defined temporal change in the incident frequency f. The Josephson contacts are fed with a programmed pulse sequence. Such a circuit type is in principle also already known (US Pat. No. 5,812,078) or (cf. CA Hamilton, CJ Burroughs, SP Benz "Josephson Voltage Standard - A Review", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 7, No. 2 , pp. 3756-3761, June 1997), but can be realized much more easily by the present invention.
Es liegt im Rahme der Erfindung, unter Beibehaltung der vorgeschlagenen koplanaren Streifenleitung 1 bzw. Ketten la, lb, lc, ld, diese z.B. mehrfach gewunden (mäanderformig) auszuführen, zwecks Erreichung einer) möglichst hohen Packungsdichte auf flächenmäßig beschränkten Substraten. Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten parallelen Ausführungen der koplanaren Streifenleitung 1 stellen somit keine Beschränkung der Erfindung auf nur solche Varianten dar.It is within the scope of the invention, while maintaining the proposed coplanar stripline 1 or chains la, lb, lc, ld, e.g. to be repeatedly wound (meandering) in order to achieve the highest possible packing density on substrates with limited surface area. The parallel designs of the coplanar stripline 1 shown in the exemplary embodiments thus do not represent any restriction of the invention to only such variants.
Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt darin, daß: 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 zumThe advantages of the invention are summarized in the fact that: 1. no additional technological steps are required to produce the microwave suitability of the circuits, which requires a substantially simplified production technology. In contrast to the known state, no additional dielectric and no additional superconducting metal layer (ground) have to be produced. There are no additional process steps for
Potentialausgleich erforderlich, wie bei den nach dem Stand der Technik bekannten Koplanarleitungen. 2. sich die Integrationsdichte von Josephsonkontakten verdoppelt, 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 und 4. keine Gleichstromunterbrechnung (dc-Block) notwendig ist. Equipotential bonding is required, as in the coplanar lines known from the prior art. 2. the integration density of Josephson contacts doubles, 3. A lower attenuation is to be noted, since with the same number of Josephson contacts, as according to known designs of the prior art, the length of the waveguide is shortened by a factor of two, and 4. No DC interruption (DC block) is necessary.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 koplanare Streifenleitung mit integrierten Josephsonkontakten la, lb, lc, ld Ketten1 coplanar stripline with integrated Josephson contacts la, lb, lc, ld chains
11, 12 Streifenleiter mit integrierten Josephsonkontakten der koplanaren Streifenleitung11, 12 stripline with integrated Josephson contacts of the coplanar stripline
2 Mikrowellenquelle2 microwave source
3 Substrat3 substrate
4 Kontaktflächen zur Gleichstromeinspeisung4 contact surfaces for direct current feed
5 Kontaktflächen zum Spannungsabgriff und Gleichstromeinspeisung5 contact areas for voltage tapping and direct current feed
6 supraleitende, absorbierende, koplanare Streifenleitung (6) hoher Dämpfung (Load)6 superconducting, absorbing, coplanar stripline (6) high attenuation (load)
21 Antenne21 antenna
22 Leistungsteiler22 power dividers
40 Josephsonkontakt40 Josephson contact
41, 43 Supraleiterschicht41, 43 superconductor layer
42 Isolationsschicht 42 insulation layer

Claims

Patentansprüche claims
1. Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis mit Josephsonkontakten, wobei auf einem Substrat (3) mindestens eine koplanare Streifenleitung (1), bestehend aus zwei einzelnen Streifenleitern1. Cryoelectronic microwave circuit with Josephson contacts, wherein on a substrate (3) at least one coplanar strip line (1) consisting of two individual strip conductors
(11, 12), in die eine Vielzahl in Reihe geschalteter Josephsonkontakte (40) integriert sind, aufgebracht ist, wobei die zwei einzelnen Streifenleiter (11, 12) in einem Abstand (s) zwischen 1 μm bis 5 μm angeordnet sind, und daß in die koplanare Streifenleitung (1) an einer Seite eine Mikrowelle einkoppelbar und die koplanare Streifenleitung(11, 12), in which a plurality of series-connected Josephson contacts (40) are integrated, the two individual strip conductors (11, 12) being arranged at a distance (s) between 1 μm and 5 μm, and in that A microwave can be coupled into the coplanar strip line (1) on one side and the coplanar strip line
(1) an der anderen Seite durch eine supraleitende koplanare Streifenleitung (6) hoher Dämpfung derart abgeschlossen ist, daß alle Josephsonkontakte (40) der koplanaren Streifenleitung (1) gleichstrommäßig in Reihe geschaltet sind, wobei die Gesamtspannung an üblichen Kontaktflächen (5) abgreifbar und der(1) is completed on the other side by a superconducting coplanar strip line (6) with high attenuation such that all Josephson contacts (40) of the coplanar strip line (1) are connected in series in a direct current, the total voltage being tapped off at conventional contact surfaces (5) and the
Gleichstrom an den Kontaktflächen (4) und (5) zuführbar ist.Direct current can be supplied to the contact surfaces (4) and (5).
2. Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß einer, einer Mikrowellenquelle (2) nachgeordneten Antenne (21) m kaskadenförmig zueinander in2. Cryoelectronic microwave circuit according to claim 1, characterized in that one, a microwave source (2) downstream antenna (21) m cascade to each other in
Verbindung stehende Leistungsteiler (22) zugeordnet sind, die ebenfalls durch koplanare Streifenleitungen gebildet sind, wobei den Endausgangsseiten der Leistungsteiler m+1 koplanare Streifenleitungen in Ketten (la, lb, lc, ld) zugeordnet sind, die jeweils von einer supraleitenden, absorbierenden, koplanarenConnected power dividers (22) are assigned, which are also formed by coplanar strip lines, the end output sides of the power dividers m + 1 being assigned coplanar strip lines in chains (la, lb, lc, ld), each of which is superconducting, absorbing, coplanar
Streifenleitung (6) abgeschlossen sind.Strip line (6) are completed.
3. Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Streifenleitern (11, 12) Gleichstromzuleitungen (4) in einer bitseriellen Beabstandung zugeordnet sind. 3. Cryoelectronic microwave circuit according to claim 2, characterized in that the strip conductors (11, 12) DC supply lines (4) are assigned in a bit-serial spacing.
4. Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (s) zwischen den Streifenleitern (11, 12) der koplanaren Streifenleitung (1) mit integrierten Josephsonkontakten in einem Bereich zwischen 1...5 μm und die Breite (w) der Streifenleiter (11, 12) zwischen 1...60 μm festgelegt ist.4. Cryoelectronic microwave circuit according to claim 1, characterized in that the distance (s) between the strip conductors (11, 12) of the coplanar strip line (1) with integrated Josephson contacts in a range between 1 ... 5 microns and the width (w) the stripline (11, 12) is set between 1 ... 60 μm.
5. Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephsonkontakte (40) in der koplanaren Streifenleitung (1) durch SIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator- Supraleiter Josephsonkontakte), wie Nb-Al2θ3-Nb, gebildet sind.5. Cryoelectronic microwave circuit according to claim 1, characterized in that the Josephson contacts (40) in the coplanar strip line (1) by SIS contacts (superconductor-insulator-superconductor Josephson contacts), such as Nb-Al2θ3-Nb, are formed.
6. Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephsonkontakte (40) in der koplanaren Streifenleitung (1) durch SNS-Kontakte (Supraleiter-Normalleiter- Supraleiter Josephsonkontakte), wie Nb-PdAu-Nb, gebildet sind.6. Cryoelectronic microwave circuit according to claim 1, characterized in that the Josephson contacts (40) in the coplanar strip line (1) by SNS contacts (superconductor-normal conductor-superconductor Josephson contacts), such as Nb-PdAu-Nb, are formed.
7. Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephsonkontakte (40) in der koplanaren Streifenleitung (1) durch SINIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator- Normalleiter-Isolator-Supraleiter Josephsonkontakte), wie Nb-Al2θ3-7. Cryoelectronic microwave circuit according to claim 1, characterized in that the Josephson contacts (40) in the coplanar strip line (1) by SINIS contacts (superconductor-insulator-normal conductor-insulator-superconductor Josephson contacts), such as Nb-Al2θ3-
Al-Al2θ3-Nb, gebildet sind.Al-Al2θ3-Nb.
8. Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephsonkontakte (40) in der koplanaren Streifenleitung 1 durch HTSL- Josephsonkontakte gebildet sind.8. Cryoelectronic microwave circuit according to claim 1, characterized in that the Josephson contacts (40) in the coplanar strip line 1 are formed by HTSL Josephson contacts.
9. Verwendung eines Mikrowellenschaltkreises, ausgebildet nach den Ansprüchen 1 bis 8 zur Realisierung eines Josephson- Spannungsnormals oder einer Josephson-Potentiometer-Anordnung, der mit Betriebsfrequenzen in einem Bereich von 1 GHz bis 200 GHz betrieben, hochgenaue Josephson-Spannungen liefert oder beliebige hochgenaue Spannungsverhältnisse in diskreten Spannungsstufen von 2...400 μV erzeugen läßt. 9. Use of a microwave circuit, designed according to claims 1 to 8 for realizing a Josephson voltage standard or a Josephson potentiometer arrangement, which operates at operating frequencies in a range from 1 GHz to 200 GHz, provides highly accurate Josephson voltages or any highly accurate voltage ratios can be generated in discrete voltage levels of 2 ... 400 μV.
10. Verwendung eines Mikrowellenschaltkreises, ausgebildet nach den Ansprüchen 1 bis 8 zur Realisierung eines programmierbaren Josephson-Spannungsnormals oder einer programmierbaren Josephson-Potentiometer-Anordnung, betrieben mit Betriebsfrequenzen in einem Bereich von 1 GHz bis 200 GHz, zeitlich programmierbar hochgenaue Josephson-Spannungen liefert oder hochgenaue programmierbare Spannungsverhältnisse in diskreten Spannungsstufen von 2...400 μV erzeugen läßt.10. Use of a microwave circuit, designed according to claims 1 to 8 for realizing a programmable Josephson voltage standard or a programmable Josephson potentiometer arrangement, operated at operating frequencies in a range from 1 GHz to 200 GHz, provides programmable high-precision Josephson voltages or high-precision programmable voltage ratios in discrete voltage levels of 2 ... 400 μV can be generated.
11. Verwendung eines Mikrowellenschaltkreises, ausgebildet nach den Ansprüchen 1 bis 8 zur Realisierung eines pulsgetriebenenJosephson- Spannungsnormals, betrieben mit einer programmierten Pulsfolge zur Erzeugung zeitlich programmierter hochgenauer Josephson- Spannungsverläufe. 11. Use of a microwave circuit, designed according to claims 1 to 8 for realizing a pulse-driven Josephson voltage standard, operated with a programmed pulse sequence for generating time-programmed, highly precise Josephson voltage profiles.
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