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Verbesserte Schaltungen für den Josephson-Synthesizer

30.12.2005

Der Josephson-Arbitrary-Waveform-Synthesizer (JAWS) ermöglicht die Erzeugung hochgenauer Wechselspannungen sowie Spannungen beliebiger Wellenform. Er basiert auf überdämpften Josephson-Kontakten, die mit einer Pulsfolge betrieben werden. Die Ausgangsspannung ergibt sich aus der Folge der einzelnen Pulse. Wesentliche Komponente dieses Josephson-Synthesizers sind hierfür optimierte Josephson-Schaltungen. Von besonderem Interesse sind dabei kompakte Schaltungen, die kurz gegenüber der Wellenlänge der eingestrahlten Pulsfolge sind, da sie einen relativ einfachen Betrieb der Schaltungen erlauben. In den vergangenen Jahren wurden Schaltungen auf Basis von SINIS-Josephson-Kontakten u. a. im Rahmen des von der EU geförderten Vorhabens JAWS an der PTB entwickelt und in der bewährten Nb-Al2O3-Technologie hergestellt (S: Supraleiter, I: Isolator, N: Normalleiter). Diese Schaltungen werden inzwischen an der PTB und europäischen Partnerinstituten im Pulsbetrieb detailliert untersucht. Um die Ausgangsspannung weiter zu erhöhen, muss die Anzahl der Josephson-Kontakte erhöht werden. Hierzu konzentrieren sich die Arbeiten gegenwärtig auf die Entwicklung von Schaltungen aus SNS-Kontakten, da sich in diesen Schaltungen aufgrund der deutlich höheren kritischen Stromdichten von etwa 100 kA/cm2 mehr als 1000 Sub-Mikrometer-SNS-Kontakte in der zur Verfügung stehenden Leitungslänge von 1,5 mm (entsprechend etwa λ/8 bei einer Frequenz von 10 GHz) unterbringen lassen. Die Kontakte sind in den Innenleiter einer Koplanarleitung mit einer Impedanz von 50 Ω integriert. Die Schaltungen werden in einem neu entwickelten Prozess mit Elektronenstrahl-Lithographie und Chemisch-Mechanischem-Polieren (CMP) hergestellt. Die Abbildungen zeigen Raster-Elektronen-Mikroskop-Aufnahmen in verschiedenen Stadien während der Herstellung. Erste SNS-Schaltungen konnten im Pulsbetrieb getestet werden.


Bild 1: Raster-Elektronen-Mikroskop-Aufnahmen einzelner SNS-Kontakte, vordem CMP-Prozess


Bild 2: Raster-Elektronen-Mikroskop-Aufnahmen einzelner SNS-Kontakte, nachdem CMP-Prozess und der Strukturierung der Verdrahtungsschicht.

(1: Gegenelektrode, 2: Basiselektrode, 3: Masse der Koplanarleitung, 4: Verdrahtung)