09.10.2022
Pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormale basierend auf dem Prinzip des Josephson-Arbitrary Waveform-Synthesizer (JAWS) ermöglichen die quantengenaue Erzeugung beliebiger Wellenformen mit einer extrem hohen spektralen Reinheit. Bisher wurden an der PTB JAWS-Schaltungen nur mit Signalfrequenzen im unteren MHz-Frequenzbereich realisiert. Für neue Anwendungen im Mikrowellenbereich wurden jetzt erstmals JAWS-Schaltungen gefertigt und erprobt, welche die Erzeugung von Signalfrequenzen von etwa 1 GHz ermöglichen. Dies entspricht einer Erhöhung um den Faktor 1000 gegenüber bisher realisierten Frequenzen.
Wesentliche Komponenten eines JAWS sind supraleitende Mikrochips mit Reihenschaltungen aus SNS-Josephson-Kontakten (SNS: Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter), die im Reinraumzentrum der PTB hergestellt werden.
Für neuartige Anwendungen im Bereich Telekommunikation und Quantentechnologie ist es notwendig, die bisher realisierten Signalfrequenzen von einigen wenigen MHz bis in den GHz-Bereich zu erhöhen. Die benötigten Ausgangsspannungen sind hier relativ gering, weshalb nur wenige Josephson-Kontakte in einer Reihenschaltung integriert werden müssen.
In der PTB wurden dafür modifizierte Schaltungsdesigns erstellt und entsprechende JAWS-Chips im Reinraumzentrum hergestellt. Die zu erzeugenden Wellenformen werden durch elektrische Eingangspulse generiert. Dabei wird die Wellenform mittels einer entsprechenden Sigma-Delta-Modulation in eine digitale Bit-Sequenz codiert. Für das RF-JAWS musste diese Sigma-Delta-Modulation signifikant abgeändert werden. Des Weiteren musste auch der experimentelle Aufbau, insbesondere die Hochfrequenzverkabelung zwischen der tiefkalten Schaltungsebene und der Raumtemperaturumgebung für Messungen im GHz-Bereich erweitert werden.
Erste Wellenformen, in erster Linie reine Sinus-Wellenformen für unterschiedliche Signalfrequenzen und -amplituden, wurden mit einer Reihenschaltung von 76 Josephson Kontakten synthetisiert. Außerdem wurden diverse Multiton-Wellenformen erzeugt. Im Bild ist ein Beispiel für eine 5-Ton-Wellenform bei Signalfrequenzen im Bereich von 1,0 GHz bis 1,0001 GHz mit einem Frequenzabstand von 25 kHz und einem Störsignalabstand von 45 dBc gezeigt.
Bild: Spektrum einer 5-Ton-Wellenform im GHz-Frequenzbereich, die mit einem RF-JAWS-System erzeugt wurde.
Ansprechpersonen:
Oliver Kieler
Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik“