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SNS-Schaltungen für den Josephson-Synthesizer

07.12.2006

Ein Vorschlag zur Erzeugung hochgenauer Wechselspannungen sowie Spannungen beliebiger Wellenformen basiert auf überdämpften Josephson-Kontakten, die mit einer Folge von Pulsen anstelle einer Mikrowelle mit fester Frequenz betrieben werden. Die Ausgangsspannung dieses Josephson Arbitrary Waveform Synthesizers (JAWS) ergibt sich aus der Folge der einzelnen Pulse. Eine wesentliche Komponente des Synthesizers sind geeignete Josephson-Schaltungen. Die Schaltung und der gesamte Messaufbau müssen möglichst breitbandig für Frequenzen von DC bis ca. 25 GHz ausgelegt sein, um den einwandfreien Betrieb mit Pulsen zu gewährleisten.
Ein relativ einfacher Betrieb des JAWS wird durch kompakte Schaltungen ermöglicht, die kurz gegenüber den typischen Wellenlängen der eingestrahlten Pulsfolge sind. Um hohe Ausgangsspannungen erzeugen zu können, müssen in der zur Verfügung stehenden Länge von typischerweise 1,5 mm möglichst viele Josephson-Kontakte integriert werden. Besonders geeignet hierfür sind SNS-Kontakte (S: Supraleiter (Niob), N: Normalleiter (Hafnium-Titan)), die wegen ihrer hohen Stromdichten von etwa 100 kA/cm2 auch bei Kantenlängen von unter 1 µm ausreichend breite Arbeitsstufen konstanter Spannung aufweisen. Die SNS-Kontakte werden in den Innenleiter einer Koplanarleitung integriert. Verschiedene Schaltungen wurden entwickelt und untersucht, wobei die Schaltungen in einem Prozess mit Elektronenstrahl-Lithographie und Chemisch-Mechanischem-Polieren (CMP) hergestellt wurden. Mit einer Schaltung aus 1024 Kontakten, die auf der vierten Stufe konstanter Spannung betrieben wurden, konnte eine sinusförmige Spannung von etwa 10 mV erzeugt werden, bei der die Oberschwingungen um mehr als 80 dB unterdrückt sind. Um die Zahl der Kontakte weiter zu erhöhen, wurden Schaltungen entwickelt und untersucht, bei denen die Kontakte im Innenleiter der Koplanarleitung in einer Mäanderstruktur angeordnet sind. Vielversprechende Ergebnisse konnten mit solchen Schaltungen aus 2560 Kontakten in einem fünffach-Mäander erzielt werden.
Im Rahmen des EUROMET-Projekts 756 fanden weitere Untersuchungen am NMi in Delft statt. Mit höheren Pulsfolgefrequenzen wurden dort Ausgangsspannungen von mehr als ± 60 mV in ersten Messungen mit Schaltungen aus 2560 Josephson-Kontakten erzeugt. Weiterführende und detaillierte Untersuchungen an diesen Schaltungen sind geplant.