Pulsbetriebene SNS-Schaltungen für ein Quantennormal für Wechselspannungen beliebiger Wellenform

Bei der Realisierung eines Synthesizers zur Erzeugung von Wechselspannungen mit beliebigen Wellenformen (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer, JAWS) werden SNS-Josephson-Kontakte aufgrund ihrer hohen Stromdichte (ca. 100 kA/cm²) verwendet. Dadurch kann eine große Anzahl von sub-µm Kontakten in kurzen kompakten Reihenschaltungen (lumped arrays) mit einer typischen Länge von etwa 1,5 mm für einen Betrieb bei 10 GHz angeordnet werden. Diese kompakten Schaltungen stellen trotz der geometrischen Einschränkung eine einfache Lösung für einen breitbandigen Betrieb im JAWS dar. Die Arbeiten zum JAWS wurden mit dem Ziel fortgesetzt, die erzeugte Wechselspannung weiter zu erhöhen.

Durch Anordnung der Josephson Kontakte in einer mäanderförmigen kompakten Schaltung (siehe Bild 1) konnte die Integrationsdichte der pulsgetriebenen Schaltungen deutlich erhöht werden. Der gesamte Mäander bildet dabei den Innenleiter eines koplanaren Wellenleiters, der auf 50 Ohm Impedanz dimensioniert ist. In Mäandern mit bis zu 21 parallelen Ketten aus Josephson-Kontakten konnten maximal 10752 Kontakte auf einer Grundfläche von nur 62 µm x 1,4 mm angeordnet werden.

Bild 1: Schema und Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen einer mäanderförmigen SNS-Schaltung aus 10752 Josephson-Kontakten, die in 21 parallelen Ketten angeordnet sind. Die Kontakte sind jeweils 0,7 µm x 0,7 µm groß.

Diese Schaltungen werden in einem speziell für sehr kleine Josephson-Kontakte optimierten Herstellungsprozess im Reinraum der PTB gefertigt. Dabei werden als Schlüsseltechnologie die Elektronenstrahl-Lithographie und das chemisch-mechanische Polieren (CMP) eingesetzt. Nur so können große Schaltungen mit einer guten Ausbeute und geringen Parameterstreuung hergestellt werden. Ein Schema des kompletten Herstellungsablaufs ist in Bild 2 gezeigt.

Bild 2: Schema des SNS-Prozesses für sub-µm Josephson-Reihenschaltungen

Die Schaltungen werden im JAWS mit einer Folge kurzer Pulse eines Bitmuster- generators betrieben, die den Sigma-Delta-Code der zu erzeugenden Wellenform enthält. Durch geeignete Überlagerung der unipolaren Pulse des Bitmustergenerators und einer kontinuierlichen Mikrowelle lassen sich bipolare Wellenformen erzeugen (siehe Bild 3).

Bild 3: Block-Diagramm für den bipolaren Pulsbetrieb des JAWS.

Mit den neuen Schaltungen konnten an der PTB sinusförmige Wechselspannungen mit einer Frequenz von 2,5 kHz und einer Spitzenspannung von bis zu 214 mV (153 mVRMS) erzeugt werden. Zur Charakterisierung der erzeugten Wechselspannung ist in Bild 4 das Frequenzspektrum gezeigt. Die höheren Harmonischen sind deutlich unterdrückt und vom Untergrundrauschen kaum zu trennen. Allerdings beträgt die Rauschunterdrückung nur -66 dBc. Dieser vergleichsweise schlechte Wert deutet darauf hin, dass die Schaltungen noch nicht optimal arbeiten. Ein Ziel der weiteren Arbeiten wird es sein, diesen Wert zu verringern.

Bild 4: Spektrum einer sinusförmigen Wellenform mit einer Frequenz von 2,5 kHz und einer Spitzenspannung von 214 mV , die mit einer Schaltung aus 10752 Josephson Kontakten in einem Mäander aus 21 Ketten erzeugt wurde. Höhere Harmonische sind sehr gut unterdrückt und vom Untergrundrauschen kaum zu trennen.