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Photonenantrieb für den Flussquanten-Transfer

Optisch-pulsgetriebenes Josephson-Wechselspannungsnormal erfolgreich implementiert

PTB-News 3.2019
24.09.2019
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In der PTB wurde ein pulsgetriebenes Josephson-Normal zur Erzeugung von Wechselspannungen realisiert, bei dem die Spannungspulse mithilfe von optischen Komponenten synthetisiert werden. Dies bietet Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Betriebsverfahren, bei dem die antreibenden Spannungspulse über elektrische Hochfrequenz-Zuleitungen auf den supraleitenden Chip geleitet werden.

Foto des JAWS-Chips mit 3000 integrierten Josephson-Kontakten und des Photodioden-Chipcarriers (PDCC), angeschlossen an die optische Faser

Pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormale (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizers, JAWS) ermöglichen es, quantisierte Wechselspannungen mit beliebigen und spektral reinen Wellenformen zu synthetisieren. Sie basieren auf Reihenschaltungen supraleitender Josephson-Kontakte, wie sie im Reinraumzentrum der PTB hergestellt werden. In der PTB konnten bereits effektive Ausgangsspannungen von mehr als 2 V demonstriert werden. Dafür wurden 16 JAWS-Schaltungen in Serie geschaltet betrieben, wobei die antreibenden Spannungspulse mit jeweils einer elektrischen Hochfrequenzleitung pro Schaltung auf die supraleitenden, in einem Flüssigheliumbad gekühlten Josephson-Kontakte geleitet wurden.

Als Alternative zur Verwendung mehrerer elektrischer Hochfrequenzleitungen wurde im Rahmen des EMPIR-Metrologieforschungsprojektes „QuADC“ ein Verfahren entwickelt, bei dem die antreibenden Spannungspulse in direkter Nähe der JAWS-Chips mittels optischer Methoden erzeugt werden. Dies verringert die Komplexität des experimentellen Aufbaus, wodurch eine zukünftige weitere Erhöhung der Ausgangspannungen und auch die spätere Kommerzialisierung des Systems erleichtert werden.

Das neue Verfahren beruht auf dem Einsatz tieftemperaturtauglicher, schneller Photodioden, die mittels Flip-Chip-Technologie auf einem Silizium-Trägerchip an optische Zuleitungsfasern gekoppelt werden. Die mit einem gepulsten Laser außerhalb des Heliumbades erzeugten optischen Pulse werden per Faser an die Photodioden übertragen, dort in elektrische Pulse umgewandelt und über kurze Wege den JAWS-Schaltungen zugeleitet. Mit einer aus 3000 Josephson-Kontakten bestehenden Schaltung wurden in einem ersten Test effektive sinusförmige Ausgangsspannungen von 6,6 mV (18,6 mV peak-peak) und einer Frequenz von 1875 Hz erzeugt.

Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens ist der verringerte Rauschuntergrund im erzeugten Ausgangssignal. Insbesondere oberhalb von 1 MHz wird dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis der erzeugten Wellenformen deutlich verbessert.

In einem nächsten Schritt soll die Integrationsdichte der Photodioden gesteigert werden, sodass ein gleichzeitiger Betrieb mehrerer JAWS-Schaltungen und damit eine Erhöhung der Ausgangsspannung möglich wird.

Ansprechpartner

Oliver Kieler
Fachbereich 2.4 Quantenelektronik
Telefon: (0531) 592-2410
Opens window for sending emailoliver.kieler(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

O. Kieler, B. Karlsen, P.  A. Ohlckers, E. Bardalen, M. N. Akram, R. Behr, J. Ireland, J. Williams, H. Malmbekk, L. Palafox, R. Wendisch: Optical pulse-drive for the pulse-driven ac Josephson voltage standard. IEEE Trans. Appl. Supercond. 29, 1200205 (2019)