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Erste Entwicklungen für ein optisch betriebenes JAWS-Spannungsnormal

27.11.2014

Ein pulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal ermöglicht die Erzeugung spektral reiner beliebiger Wellenformen, weshalb es auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesiser (JAWS) bezeichnet wird. Um die Ausgangsspannung durch Serienschaltung mehrerer Einzelschaltungen weiter zu erhöhen und um den Einsatzbereich des JAWS bei Frequenzen oberhalb von 1 MHz zu ermöglichen, wird im Rahmen des EMRP Projekts „Q-WAVE“ ein optischer Pulsbetrieb entwickelt, bei dem die optischen Pulse über Lichtleiter zu Photodioden übertragen werden, welche direkt an den JAWS-Schaltungen (im Helium-Bad bei 4 Kelvin) die Lichtpulse wieder in elektrische Pulse wandeln.

Als erster Schritt wurden hierzu, in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern NPL (Großbritannien) und JV (Norwegen), Chip-Carrier zur Kontaktierung der Photodioden entwickelt. Diese Chip-Carrier aus Silizium als Trägermaterial enthalten Strukturen und Leiterbahnen aus Aluminium und wurden im Reinraum der PTB hergestellt. Sie haben Abmessungen von 10 mm x 10 mm und sind somit kompatibel zu bereits vorhandenen Chip-Carriern für die JAWS-Schaltungen, die in der Testphase zur Charakterisierung der Photodioden verwendet werden. Auf einem Chip-Carrier lassen sich zwei Photodioden integrieren, die jeweils an einen koplanaren Wellenleiter (CPW, Coplanar Waveguide) angekoppelt werden können. Für die Außenleiter der CPW-Leitungen wurden zwei verschiedene interdigitale Kondensatoren für die optimale Ankopplung der Dioden an die Josephson-Schaltung entwickelt und integriert. Außerdem wurden Kontakte für die elektrische Versorgung der Dioden untergebracht. Schließlich wurden für optionale SMD-Kondensatoren jeweils 4 Kontaktpositionen vorgesehen.

Auf die hergestellten Chip-Carrier wurden die speziell ausgewählten InGaAs Photodioden (Abmessungen 0.5 mm x 0.5 mm) im Reinraum der PTB positioniert, mit einem hochwertigen Tieftemperatur-Klebstoff geklebt und mittels Draht-Bonden elektrisch mit der CPW-Leitung verbunden. Der Chip-Carrier mit kontaktierten Photodioden wurde dann auf die üblichen JAWS-Chip-Carrier geklebt und ebenfalls gebondet.

Die Charakterisierung dieser Carrier am NPL und JV ergab, dass die erreichten Kapazitäten der Kondensatoren von ca. 70 pF für den geplanten Einsatz bestens geeignet sind. In ersten Untersuchungen der Photodioden unter verschiedenen Bedingungen (u.a. Temperatur, Laserpunkt-Größe und -Position, Leistung und Frequenz) konnte gezeigt werden, dass die Dioden für den Betrieb von Josephson-Serienschaltungen nutzbar sind.

 

Bild 1: Design-Zeichnung und Mikroskop-Aufnahme (oben links) eines Chip-Carriers zur Aufnahme der Photodioden.

 

 

Ansprechpartner: O. Kieler
Fachbereich 2.4: Quantenelektronik