Logo PTB

Optischer Pulsbetrieb des Josephson-Wechselspannungsnormals

20.11.2018

Das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal wurde in einem „proof-of-principle“ Experiment erfolgreich mit optischen Pulsen betrieben. Schnelle Photodioden (28 Gbit/s) wurden hierzu mittels Flip-Chip Technologie für einen Einsatz bei 4,2 K auf spezielle Carrier-chips kontaktiert.

 

 

 

Das pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormal ermöglicht die Erzeugung beliebiger spektral reiner Wellenformen. Es wird auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesiser (JAWS) bezeichnet. Wesentliche Elemente eines JAWS sind Reihenschaltungen aus SNS-Josephson-Kontakten (SNS: Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter), die im Reinraumzentrum der PTB aus Niob mit Barrieren aus NbxSi1-x in einem modifizierten Fenster-Prozess hergestellt werden.


Um die Ausgangsspannung zu erhöhen, sollen in Zukunft noch mehr JAWS Schaltungen im Parallelbetrieb eingesetzt werden (derzeit sind es bis zu acht). Um gleichzeitig die hohen Kosten des Gesamtsystems zu senken, soll die Anzahl der Raumtemperatur HF-Kanäle des Pulsgenerators verringert werden. Beides ist durch den Einsatz von leistungsfähigen Photodioden direkt bei 4,2 K möglich. In einer engen Kooperation im Rahmen der EMPIR-Projekte Q-WAVE und QuADC haben wir mit unseren Partnern JV (Norwegen), Universität Southeast-Norway USN und NPL (Großbritannien) eine Flip-Chip Technologie für die Kontaktierung dieser Photodioden auf speziell gefertigte supraleitende Carrier-Chips etabliert, die im Reinraumzentrum der PTB hergestellt werden. Die Pulse werden von einem Laser-System mittels optischer Fasern zu den Photodioden bei 4,2 K übertragen, dort in elektrische Pulse umgewandelt und zum JAWS Chips weitergeleitet.


Erste Messungen zu den grundlegenden Eigenschaften dieses optischen Aufbaus wurden ausgeführt. Außerdem konnten bereits Sinus-Wellenformen mit hoher spektraler Reinheit bei der maximal möglichen Clock-Frequenz von 15 GHz synthetisiert werden. Da für dieses „proof-of-principle“ Experiment vorläufig nur eine Photodiode betrieben wurde, sind die erzeugten Wellenformen unipolar, d.h. von einer Gleichspannung überlagert (siehe Zeit-Darstellung im Bild 1). Beim optischen Pulsbetrieb zeigte ein JAWS Chip aus 3000 Josephson Kontakten ein stabiles, 1 mA breites Betriebsparameterfenster, ein sehr guter Wert für einen ersten Testlauf.

 

Frequenz- und Zeit-Darstellung einer unipolaren Sinus-Wellenform und Signalamplitude

Bild 1: Frequenz- und Zeit-Darstellung einer im optischen Pulsbetrieb (mit kalten Photodioden) synthetisierten unipolaren Sinus-Wellenform der Frequenz 1875 Hz und der Signalamplitude von 6,6 mV RMS bzw. 18,6 mV Peak-Peak. Hierfür wurde eine JAWS Schaltung mit 3000 Josephson-Kontakten bei einer Clock-Frequenz von 15 GHz betrieben.