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Entwicklung komplexer Photodioden-Carrier für ein optisch angesteuertes pulsgetriebenes Josephson-Spannungsnormal (JAWS-Schaltung)

25.11.2015

Komplexe Carrier-Chips für die Flip-Chip-Kontaktierung von schnellen Photodioden wurden entworfen und im Reinraum der PTB hergestellt. Auf einem Carrier-Chip lassen sich acht Photodioden integrieren, um zwei JAWS-Schaltungen mit optisch erzeugten Pulsen zu betreiben. Die Arbeiten wurden im Rahmen des EMRP-Projekts „Q-WAVE“ in enger Kooperation mit den Projektpartnern NPL (Großbritannien) und JV (Norwegen) ausgeführt. Die Carrier-Chips sind inzwischen bei den Projektpartnern im Einsatz.

 

Zur Erhöhung der Ausgangsspannung des pulsgetriebenen AC-Josephson-Spannungsnormals (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer) und zur Verringerung der Komplexität des experimentellen Aufbaus wird im Rahmen des EMRP-Projekts „Q-WAVE“ der Einsatz von schnellen Photodioden bei 4,2 K untersucht.Die Photodioden werden über optische Fasern angesteuert, sodass die erzeugten elektrischen Pulse direkt auf die JAWS-Schaltungen geleitet werden können.

In der ersten Entwicklungsphase befinden sich die Photodioden nicht direkt auf dem JAWS Chip, sondern auf einem separaten Carrier-Chip, dessen Design mit den Projektpartnern gemeinsam optimiert wurde. Die Erstellung des Layouts und die Fabrikation dieser Carrier-Chips erfolgten an der PTB.

Für den Betrieb einer JAWS-Schaltung wird eine schnelle Photodiode benötigt, sowie drei statische Dioden, die den Bias-Strom für die schnelle Photodiode liefern. Da auf einem JAWS-Chip zwei Schaltungen untergebracht sind, wurden auf dem Carrier-Chip also insgesamt acht Photodioden integriert. Diese Photodioden werden demnächst im Flip-Chip-Verfahren bei einem weiteren Projektpartner in Norwegen, der HBV Universität, kontaktiert.

Bild 1 zeigt das Design für die Kontaktierung der für die Flip-Chip-Technologie geeigneten Photodioden (Abmessung 0,35 mm x 0,35 mm). Auf dem an der PTB in Nb-Technologie hergestellten Carrier-Chip (Abmessung 10 mm x 20 mm) sind on-chip Kondensatoren und CPW-Taper für die Kontaktierung des JAWS-Chip integriert. Weiterhin wurden Justier-Strukturen aus AuPd für den Flip-Chip Prozess für alle acht Photodioden erstellt. Die Abmessungen wurden so optimiert, dass eine gute Ankopplung der optischen Fasern an die Photodioden möglich ist. Schließlich wurde ein Designkonzept für die geplante Verbindung eines Carrier-Chips mit dem JAWS-Chip mit Hilfe eines PCB-Carriers erstellt.

Zurzeit werden die Carrier-Chips bei den Projektpartnern mit Photodioden bestückt, die optischen Fasern kontaktiert und die Funktionalität bei 4,2 K untersucht.

 

 

Bild 1: Designs der Carrier zur Verdeutlichung der Kontaktierung der Photodioden auf einen acht-fach Carrier-Chip und der Verbindung mit einer JAWS-Schaltung auf einem PCB-Carrier. Das Foto in der Mitte unten zeigt einen hergestellten Carrier-Chip für acht Photodioden.