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Dr. Dr. Jens Simon
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Zur Optimierung des in der PTB vorhandenen pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormals (JAWS) wurden breitbandige On-Chip-Leistungsteiler weiterentwickelt, die eine optimale Übertragung der elektrischen Anregungspulse in parallele JAWS-Schaltungen ermöglichen. Mit Hilfe des Leistungsteilers sollen die Ausgangsspannung des JAWS-Systems erhöht werden und die Anzahl von Hochfrequenzkabeln, die zur gekühlten JAWS-Schaltung geführt werden müssen, verringert werden.
In den pulsgetriebenen Josephson-Wechselspannungsnormalen (JAWS: Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer) werden Reihenschaltungen von SNS-Josephson-Kontakten (S: Supraleiter; N: Normalleiter) durch eine sehr schnelle Abfolge kurzer Strompulse betrieben. Diese pulsgetriebenen Reihenschaltungen ermöglichen die Synthese von spektral reinen Wechselspannungen in einem breiten Frequenzbereich von einigen Hertz bis hinauf in den Megahertz-Bereich.
Um die Zahl von Josephson-Kontakten, die mit einem Kanal des Pulsgenerators betrieben werden können, und damit die Ausgangsspannung der Schaltung zu erhöhen, werden an der PTB zwei verschiedene Arten von breitbandigen On-Chip-Leistungsteilern untersucht.
Der erste Typ von Leistungsteiler ist ein zweistufiger Serien-Parallel-Leistungsteiler, der auf einem Vorschlag des AIST (Japan) für programmierbare Spannungsnormale beruht [H. Yamamori et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 26(8), 2016, 1400404]. Basierend auf diesem Konzept wurden an der PTB neue On-Chip-Layouts für Leistungsteiler entwickelt, die in die Reihenschaltungen von Josephson-Kontakten integriert werden können. Der zweite Typ ist ein einstufiger Wilkinson-Leistungsteiler, wie er in JAWS-Schaltungen vom NIST (USA) eingesetzt wird [N. Flowers-Jacobs et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 26(6), 2016, 1400207]. In der PTB wird eine andere Variante dieses Teilers entwickelt, der einen Viertelwellenresonator beinhaltet. Diese Variante liefert bereits sehr vielversprechende Ergebnisse. Verschiedene Varianten der Leistungsteiler wurden mit der Software CST-Microwave-Studio simuliert. Die vielversprechendsten Designs wurden in JAWS-Arrays integriert und im Reinraumzentrum der PTB hergestellt. Anschließend wurde die Schaltungen mit den unterschiedlichen Varianten der Leistungsteiler bei tiefen Temperaturen von 4,2 K mit dem 8-Kanal-JAWS-Aufbau der PTB untersucht.
Die Messungen zeigen, dass sich alle Josephson-Kontakte Pulsfrequenzen ≤ 15 GHz einwandfrei betreiben lassen, und dass die Shapiro-Stufen erster Ordnung bei beiden Teilertypen eindeutig ausgebildet werden. Bild 1 zeigt, dass Testchips mit einem zweistufigen Serien-Parallel-Leistungsteiler und 2000 Josephson-Kontakten bis zu einer Taktfrequenz von 13 GHz in einem breiten Betriebsbereich funktionieren. Bild 2 zeigt, dass der einstufige On-Chip-Wilkinson-Leistungsteiler bis zu einer Taktfrequenz von 15 GHz arbeitet. Mit insgesamt 1000 Josephson-Kontakten konnten erfolgreich spektral reine Sinuswellen mit Ausgangsspannungen von 17,55 mV (RMS) synthetisiert werden. Dabei ist der Betriebsbereich noch breiter als beim Serien-Parallel-Leistungsteiler. Aufgrund dieses guten Verhaltens wurden auch Reihenschaltungen mit 3-fach gestapelten Josephson-Kontakten in den Wilkinson-Leistungsteiler integriert. Bild 3 zeigt, dass der JAWS-Chip mit einstufigem Wilkinson-Leistungsteiler und 3000 Kontakten bis zu einer Taktfrequenz von 15 GHz arbeitet. So konnten spektral reine Wellenformen mit Ausgangsspannungen von 32,9 mV (RMS) synthetisiert werden.
Bild 1: Frequenzspektrum des synthetisierten Signals eines Test-Chips mit Serien-Parallel-Leistungsteiler und insgesamt 2000 Josephson-Kontakten.
Bild 2: Frequenzspektrum des synthetisierten Signals eines Test-Chips mit Wilkinson-Leistungsteiler und insgesamt 1000 Josephson-Kontakten.
Bild 3: Frequenzspektrum des synthetisierten Signals eines Test-Chips mit Wilkinson-Leistungsteiler und insgesamt 3000 Josephson-Kontakten.
Basierend auf diesen vielversprechenden Ergebnissen soll beim nächsten Iterationsschritt die Anordnung der Reihenschaltungen von Josephson-Kontakten weiter geändert und optimiert werden, um spektral reine Wellenformen mit noch höheren Ausgangspannungen zu erzeugen.
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