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Optimierung supraleitender parametrischer Wanderwellen-Verstärker im GHz-Frequenzbereich durch Schaltungssimulationen

Kategorien:
  • Grundlagen der Metrologie
04.12.2020

Im Rahmen des von der EU geförderten und von der PTB koordinierten EMPIR-Projekts „ParaWave“ werden breitbandige, rauscharme Wanderwellen-Verstärker entwickelt. Zur Optimierung der Schaltungsparameter wurde ein Softwaretool eingesetzt, welches eine korrekte Beschreibung von Josephson-Kontakten ermöglicht.

 

Moderne Systeme der Quantentechnologie wie z.B. Quantencomputer oder Vielkanal-Quantensensoren benötigen breitbandige kryogene Verstärker mit hinreichender Verstärkung und Bandbreite sowie einem sehr niedrigen Rauschen, das durch quantenmechanische Prinzipien bestimmt wird. Parametrische Verstärker, die mithilfe nichtlinearer reaktiver Bauelemente Energie aus einer Pump- in eine Signalwelle überführen, können auf der Basis von Josephson-Kontakten ein nahezu quantenlimitiertes Rauschverhalten erreichen.

An der PTB wurde zusammen mit europäischen Projektpartnern ein neuartiger parametrischer Verstärker entwickelt, der aus einer aktiven Mikrowellenleitung mit einer darin eingebetteten Serienschaltung von Einzelkontakt-SQUIDs (rf-SQUIDs, wobei SQUID für Superconducting Quantum Interference Device steht) besteht und das Prinzip der Wanderwellen verwendet. Dieses Schaltungsdesign erzeugt eine quadratische Josephson-Nichtlinearität im Gegensatz zu der in bisherigen Schaltungskonzepten genutzten kubischen Nichtlinearität (Kerr-Effekt) und ermöglicht damit die Nutzung der vorteilhaften Dreiwellenmischung. Aufgrund des Dreiwellenmischmodus ist die Pumpfrequenz weit vom Signalband entfernt, wodurch die Notwendigkeit einer Ausgangsfilterung erheblich reduziert wird.

Erste in der PTB gefertigte und untersuchte Testschaltungen zeigten eine relativ geringe Signalverstärkung und eine starke Erzeugung der zweiten Harmonischen der Pumpfrequenz, sowie Mischprodukte höherer Ordnung. Zur Analyse dieser Ergebnisse und zur Optimierung der Schaltungsparameter wurden Schaltungssimulationen durchgeführt. Die verwendete Software ermöglicht die Simulation von Schaltungen mit Josephson-Kontakten, die nicht durch eine einfache Strom-Spannungskennline beschrieben werden können. Die durchgeführten Simulationen bestätigen, dass aufgrund der hohen Bandbreite der Schaltung ein großer Teil der Pumpenergie in die zweite und höhere Harmonische umgesetzt wird und damit nicht für die Signalverstärkung zur Verfügung steht.

Eine Lösung dieses Problems besteht in der Erzeugung einer maßgeschneiderten Dispersionsrelation, die für eine perfekte Phasenanpassung zwischen Pump- und Signalwelle sorgt und gleichzeitig den Energietransfer in Mischprodukte oberhalb der Pumpfrequenz weitgehend verhindert. Erreicht werden kann dies z.B. durch das periodische Einfügen von LC-Resonatoren in die aktive Mikrowellenleitung, deren Resonanzfrequenzen etwas unterhalb der Pumpfrequenz liegt. In der PTB wird ein technologisch einfacherer Ansatz untersucht, indem durch eine periodische Modulation der Parameter der Mikrowellenleitung und damit der Impedanz eine oder mehrere Frequenzlücken in der Dispersionsrelation erzeugt werden (Bild 1). Diese Idee wurde durch Schaltungssimulationen verifiziert (Bild 2). Zurzeit werden die Schaltungsparameter optimiert, um eine hohe Verstärkung mit einer großen Bandbreite zu erzielen.

Konzept zur Erzeugung einer modifizierten Dispersionsrelation der aktiven Mikrowellenleitung.

 Bild 1: Konzept zur Erzeugung einer modifizierten Dispersionsrelation der aktiven Mikrowellenleitung.

 

Schaltungssimulation der Verstärkung in Abhängigkeit der Frequenz für einen parametrischen Verstärker

Bild 2: Schaltungssimulation der Verstärkung in Abhängigkeit der Frequenz für einen parametrischen Verstärker mit Dreiwellenmischung und modifizierter Dispersionsrelation. Die Schaltung mit 1000 rf-SQUIDs zeigt eine Verstärkung von mehr als 20 dB bei einer Bandbreite von 2,5 GHz.

 

 

 

Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik“

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