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„Proof-of-principle“ Experiment: JAWS Chip und Pulsmuster-Generator Chip

20.11.2018

In einem „proof-of-principle“ Experiment wurde in einer Hybrid-Kombination ein JAWS Chip zusammen mit einem Pulsmuster-Generator-Chip (PPG-on-chip) und einem Pulsverstärker-Chip gemeinsam betrieben, die aber vorerst noch als passive Dummies ausgeführt waren.

 

 

 

Das pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormal - auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) bezeichnet – benötigt für den Betrieb einen schnellen Pulsmustergenerator (PPG), der bipolare Pulse mit einer Datenrate von bis zu 30 Gbit/s liefert. Dieser ist in der Ausführung als 8-Kanal PPG in der Anschaffung jedoch extrem teuer. Da die Ausgangsspannung des JAWS in Zukunft weiter erhöht werden soll und die Zahl dieser Kanäle noch steigen könnte, wäre ein Alternative hierfür wünschenswert.


Aufgrund der zuletzt rasanten Entwicklung schneller Flussquanten-Elektronik (RSFQ) bzgl. Integrationsdichte und Ausbeute erscheint die Nutzung eines RSFQ-Schiebe-Registers als „PPG-on-chip“ nun realistisch zu werden. In einer Kooperation mit dem CIS-Institut (Erfurt), dem IPHT und der Supracon AG (beide Jena) und dem MIT (Cambridge, USA) wird die Machbarkeit dieser Idee untersucht.


Dazu wurden für ein „proof-of-principle“ Experiment supraleitende Dummies der Typen „PPG-on-chip“ und Pulsverstärker am CIS entworfen und an der PTB hergestellt. Dummies sind passive Versionen der jeweiligen Baugruppen, die jedoch die Signalausbreitungseigenschaften des eigentlichen Chips weitgehend simulieren. Der Pulsverstärker-Chip wurde per Flip-Chip Technologie am CIS auf dem Schiebe-Register-Chip kontaktiert. Dieser Hybrid-Chip wurde mit einer JAWS Schaltung verbunden und an der PTB untersucht.


Die Pulse eines Raumtemperatur-PPG’s wurden durch den Hybrid-Chip bis zum JAWS-Chip geleitet, um die Eigenschaften der JAWS Schaltung in dieser Konfiguration zu testen. In ersten Messungen konnte gezeigt werden, dass unter Einstrahlung von Pulsen breite Shapiro Stufen ausgebildet werden (siehe Bild), jedoch nur bis 2 GHz. Im nächsten Schritt wurden Sinus-Wellenformen synthetisiert. Hier konnten spektral reine Wellenformen bis zu einer Clock-Frequenz von 1 GHz und einer Ausgangsspannung von 5 mV peak-peak erzeugt werden. In weiterführenden Messungen am MIT wurde auch die Funktion einer aktiven Version des Pulsverstärker-Chips nachgewiesen. Alle Ergebnisse werden auf der Konferenz ASC 2018 präsentiert.


Als nächster Schritt sollen aktive Prototypen sowohl des „PPG-on-chip“ als auch des Pulsverstärker-Chips zusammen mit einem JAWS Chip untersucht und optimiert werden. Dafür wird auch eine finanzielle Förderung der Arbeiten durch ein gemeinsames Forschungsprojekt angestrebt.

Strom-Spannungskennlinie eines JAWS Chips

Bild 1: Strom-Spannungskennlinie eines JAWS Chips mit 4000 Josephson-Kontakten als Funktion der Pulsamplitude bei Einstrahlung von Pulsen der Frequenz 2 GHz. Die Pulse wurden durch einen Dummy „PPG-on-chip“ und einen Dummy-Pulsverstärker geleitet.