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Weitere Erhöhung der Ausgangsspannung von JAWS-Spannungsnormalen durch Einsatz dreifach gestapelter Josephson-Kontakte in Serienschaltung

27.11.2014

Ein pulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal ermöglicht die Erzeugung spektral reiner, beliebiger Wellenformen. Es wird deshalb auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesiser (JAWS) bezeichnet. Wesentliche Komponente dieses JAWS sind Reihenschaltungen aus SNS-Josephson-Kontakten, die im Reinraumzentrum der PTB aus Kontakten mit NbxSi1-x-Barrieren in einem Fenster-Prozess hergestellt werden. Die extrem stabilen und reproduzierbaren Abscheidebedingungen ermöglichen angepaßte und wohldefinierte Dicken der einzelnen Schichten, wodurch erstmals an der PTB dreifach gestapelte Josephson-Kontakte erfolgreich hergestellt werden konnten (siehe Bild 1). Dieses quasi-3D Design mit insgesamt neun metallischen Schichten erlaubt eine deutliche Erhöhung der Ausgangsspannung im Vergleich zu identischen Schaltungen mit einfachen Josephson-Kontakten. Darüber hinaus sind auf einem 10 mm x 10 mm großen Chip zwei Schaltungen untergebracht, die gleichzeitig betrieben werden, wodurch bei Serienschaltung dieser zwei Teil-Schaltungen die Ausgangsspannung nochmals verdoppelt werden kann. Auf diese Art konnten bis zu 18.000 Josephson Kontakte integriert werden, um Ausgansspannungen von ca. 355 mVRMS bzw. 1005 mVPP zu erreichen.

Die Messungen zeigen, dass höhere Harmonische Frequenzen sehr gut unterdrückt werden können – Frequenzspektren mit einem Signal-Oberwellen-Abstand von bis zu 121 dBc sind möglich (siehe Bild 2). Die erreichten Verbesserungen sind wesentliche Voraussetzung für das Ziel, Ausgangsspannungen von 1 V zu erreichen.




Bild 1: Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme der dreifach gestapelten SNS-Kontakte mit insgesamt 8 Schichten (inkl. einer Al2O3 Ätzstopp-Schicht)

 



 

Bild 2: Frequenz- (oben) und Zeitbereichs- (unten) Darstellung einer synthetisierten Sinuswelle mit einer Frequenz von 3750 Hz und einer Amplitude von 355 mVRMS (bzw. 1005 mVPP). Für diese Messungen wurden zwei Schaltungen, die auf einem Chip integriert wurden, mit insgesamt 18.000 dreifach gestapelten Josephson-Kontakten in Serie betrieben. Die ersten drei Linien oberhalb der Grundfrequenz resultieren aus Nichtlinearitäten des Messgeräts. Alle weiteren höheren Harmonischen sind mit mindestens 121 dBc unterdrückt.

 

 

Ansprechpartner: O. Kieler
Fachbereich 2.4:
 Quantenelektronik