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Entwicklung von HF-Leistungsteilern für pulsgetriebenes Josephson-Spannungsnormal

20.11.2018

Um das vorhandene pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal (JAWS) durch Reduzierung der Anzahl von HF-Kabeln und Erhöhung der Anzahl von aktiven Josephson-Kontakten effizienter zu machen, wurden On-Chip-Breitband-Leistungsteiler realisiert, die eine optimale Übertragung der Pulse in parallele Josephson-Schaltungen ermöglichen.

 

 

In JAWS-Systemen werden Serienschaltungen von SNS-Josephson-Kontakten (S: Supraleiter; N: Normalleiter) durch eine sehr schnelle digitale Abfolge kurzer Strompulse betrieben (JAWS: Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer, Josephson-Synthesizer für beliebige Wellenformen), wobei die zu erzeugenden Wellenformen durch Sigma-Delta-Analogdigitalumwandlung codiert sind. Diese pulsbetriebenen Serienschaltungen ermöglichen die Synthese von spektral reinen Wechselspannungen in einem breiten Frequenzbereich von einigen Hz bis in den MHz-Bereich.

Um die Zahl von Josephson-Kontakten zu erhöhen, die mit einem Kanal des Pulsgenerators betrieben werden können, wurden zwei verschiedene Arten von On-Chip-Breitband-Leistungsteilern entworfen. Dies ist einerseits ein zweistufiger Serien-Parallel-Leistungsteiler, der auf einem Vorschlag des AIST (Japan) für programmierbare Josephson-Spannungsnormale basiert [1]. Seine Kompatibilität mit den JAWS-Schaltkreisen wird derzeit untersucht. Der zweite Typ ist ein einstufiger Wilkinson-Leistungsteiler, der in einer anderen Variante vom NIST (USA) für JAWS-Schaltkreise eingesetzt wird [2]. Jeder Ausgang des Leistungsteilers ist mit einem zusätzlichen On-Chip-DC-Block-Kondensator ausgestattet. Simulationsrechnungen verschiedener Entwürfe für die Leistungsteiler wurden mit der Software CST Microwave Studio durchgeführt. Die vielversprechendsten Anordnungen wurden ausgewählt, in die JAWS-Schaltungslayouts integriert und im Reinraumzentrum der PTB hergestellt.

Die On-Chip-Leistungsteiler wurden in ersten Messungen bei einer Temperatur von 4,2 K mit dem 8-Kanal-JAWS-Aufbau der PTB untersucht. Die Messungen zeigten, dass alle Josephson-Kontakte der Reihenschaltungen bei Einstrahlung von RTZ-Pulsen (≤ 15 GHz) korrekt arbeiten. Die Shapiro-Stufen erster Ordnung wurden bei beiden Teilertypen eindeutig ausgebildet. Bild 1 zeigt, dass die mit einem zweistufigen Serien-Parallel-Leistungsteiler und 2000 Kontakten versehenen Testchips funktionsfähig sind, wie weitere Messungen ergaben allerdings nur bis zu einer Taktfrequenz von 8 GHz. Zudem konnte eine spektral reine Sinuswellenform mit Sigma-Delta-Codeamplituden von maximal 30 % synthetisiert werden. Ausgehend von diesen Ergebnissen soll in einem nächsten Iterationsschritt die Anordnung des Schaltkreises geändert und optimiert werden.

Bild 2 zeigt, dass der einstufige On-Chip-Wilkinson-Leistungsteiler bis zu einer Taktfrequenz von 15 GHz arbeitete. Mit insgesamt 1000 Kontakten wurden spektral reine Sinuswellenformen mit Ausgangsspannungen von 11,7 mV (RMS) synthetisiert,wobei ein stabiler Betriebsbereich von 740 µA erzielt wurde. Als nächster Schritt ist geplant, mehrfach gestapelte Josephson-Kontakte mit Wilkinson-Leistungsteilern zu integrieren.

Die Leistungsteiler sollen künftig den Betrieb einer größeren Zahl von Josephson-Kontakten ermöglichen, so dass sich die Ausgangsspannung erhöhen lässt, die mit einem einzelnen Chip erzeugt werden kann.

 

Frequenzspektrum des Signals eines Test-Chips 

Bild 1: Frequenzspektrum des Signals eines Test-Chips mit 2-stufigem-Serien-Parallel-Leistungsteiler und insgesamt 2000 Josephson-Kontakten

 

 

Bild 2: Frequenzspektrum des Signals eines Test-Chips mit 1-stufigem Wilkinson Leistungsteiler und insgesamt 1000 Josephson-Kontakten

 

 

[1] H. Yamamori et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 26 (8), 2016, 1400404
[2] N. Flowers-Jacobs et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 26 (6), 2016, 1400207