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  • 权利要求
  • 类似技术
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  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    DieErfindung betrifft einen kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreismit koplanaren Streifenleitungen einer bestimmten Leitungswellenlänge, die eineVielzahl von in Reihe geschalteten Josephsonkontakten aufweisenund in die an einer Seite eine Mikrowellen-Impulsfolge einkoppelbarist, wobei die Gesamtspannung der Josephsonkontakte an Kontaktflächen abgreifbar ist.Die Aufgabe, einen Mikrowellenschaltkreis mit einer sehr großen Bandbreiteanzugeben, bei dem Josephsonkontakte mit einer hohen Integrationsdichtemit einer homogenen Mikrowelle versorgt werden, um beispielsweise hochgenaueWechselspannungen erzeugen zu können, wirddadurch gelöst,dass jede koplanare Streifenleitung eine Länge aufweist, die klein istim Verhältniszur Leitungswellenlänge,und an ihrer der Einkopplung gegenüberliegenden Seite kurzgeschlossenist.
    公开号:DE102004002228A1
    申请号:DE200410002228
    申请日:2004-01-13
    公开日:2005-08-04
    发明作者:Torsten May；Hans-Georg Dr. Meyer；Marco Schubert；Gerd Dr. Wende
    申请人:Institut fur Physikalische Hochtechnologie eV；
    IPC主号:H01L27-18
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft einen kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreismit koplanaren Streifenleitungen gemäß der Gattung der Patentansprüche unddessen Verwendung als Josephsonquantisierer.
    [0002] Bekanntsind Josephson-Gleichspannungsnormale, die auf der Grundlage desWechselstrom-Josephsoneffektes arbeiten; sie sind seit Jahren weltweitin den metrologischen Instituten und in anderen Einrichtungen imEinsatz (V. Kose, F. Melchert, "Quantenmaße in derelektrischen Messtechnik",S. 24-41, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991. J. Niemeyer and J.H. Hinken, R. L. Kautz, "Microwave-inducedconstantvoltage steps at one volt from a series array of Josephsonjunctions", Appl.Phys. Lett., Vol. 45, pp. 478-480, August 1984. J. Kohlmann et al. "Improved 1V and 10V Josephson Voltage Standard Arrays", IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 7,pp. 3411-3414, June 1997).
    [0003] Diewissenschaftlich-technische Entwicklung von programmierbaren Josephson-Gleichspannungsnormalen,die intrinsisch stabile und binäranwählbareSpannungen bis zu 1,2 V liefern, ist weitestgehend abgeschlossenund einige Gerätewerden bereits in metrologischen Instituten eingesetzt (C. A. Hamilton, "Josephson VoltageStandards", Rev.of Scient. Instr., Vol. 71, No. 10, pp. 3611-3623, October 2000.C. A. Hamilton, C. J. Borroughs, and S. P. Benz, "Josephson VoltageStandard – ARewiev", IEEE Trans.Appl. Supercond., Vol. 7, pp. 3756-3761, June 1997. G. Wende et al. "Josephson Voltage StandardCircuit Operation with a Pulse Tube Cooler", IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.13, pp. 915-918, June 2003).
    [0004] Eshat auch nicht an Versuchen gefehlt, impulsgetriebene Josephson-Spannungsnormalezu entwickeln, die als Quantensynthesizer quantenmetrologisch genaueWechselspannungen generieren könnenund die beispielsweise als Wechselspannungsnormale eingesetzt werdenkönnen(S. P. Benz and C. A. Hamilton, "Apulse-driven programmable Josephson voltage standard", Appl. Phys. Lett.,Vol. 68, pp. 3171-3173, May 1996. S. P. Benz, C. J. Borroughs, andC. A. Hamilton, "Operating Marginsfor a Pulse-Driven Programmable Voltage Standard", IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.7; pp. 2472-2475, June 1997. US-PS 5,812,078). In einer periodischen Impulsfolgemit einer hochgenauen Taktfrequenz im Bereich beispielsweise von5 GHz bis über20 GHz ist der zeitliche Spannungsverlauf, z.B. eine Sinusspannung,codiert. Diese durch Phasen- und Amplitudenrauschen fehlerbehaftetenImpulse werden einem Josephsonquantisierer zugeführt, der quantisierte Impulseerzeugt, die einen exakt definierten Beitrag zur MomentanspannungU(t) liefern. Der Josephsonquantisierer besteht aus einem Arrayvon in Serie geschalteten Josephsonkontakten, die in eine Mikrowellen-Transmissionsleitungintegriert sind. Da ein einzelner Josephsonkontakt nur Spannungenbis zu einigen 10 μVgenerieren kann, müssenin den Josephsonquantisierer möglichstviele derartige Kontakte integriert sein, um praxisrelevante Spannungen voneinigen 10 mV oder einigen 100 mV zu erreichen. Bei den Josephson-Gleichspannungsnormalenund den programmierbaren Josephson-Gleichspannungsnormalen wirddas Problem gelöst,indem sehr lange Arrays, auch verteilte Arrays genannt, verwendetwerden, deren Längegroß gegendie Leitungswellenlängeist. Um stehende Wellen zu vermeiden und eine homogene Mikrowellenverteilungzu erhalten, müssendiese Arrays reflexionsfrei abgeschlossen sein ( DE 100 33 178 A1 ). Da inder periodischen Impulsfolge eines impulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalsdas Nutzsignal enthalten ist, fälltam Abschlusswiderstand ein Gleichtaktsignal ab, das die am Arrayanstehende quantenmetrologisch genaue Spannung verfälscht. DerEinsatz eines Differenzverstärkershinter den Tiefpassfiltern liefert keine quantenmetrologisch genaueSpannung. Auch eine speziell entwickelte AC-Kopplungsmethode (S. P.Benz, C. J. Borroughs, and P. D. Dresselhaus, "AC Coupling for Josephson Waveform Synthesis", IEEE Trans. Appl.Supercond., Vol. 11, pp. 612-616, March 2001) führte nicht zum Erfolg. EinAusweg ist der Einsatz von kompakten Arrays, in die möglichstviele Josephsonkontakte integriert sind. Hierzu wurden Josephson-Stapelkontakte entwickelt(P. D. Dresselhaus, Y. Chong, J. H. Plantenberg, and S. P. Benz, "Stacked SNS JosephsonJunction Arrays for Quantum Voltage Standards", IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.13, pp. 930-933, June 2003. P. D. Dresselhaus, Y. Chong, and S.P. Benz, "StackedSNS Josephson Junctions for Quantum Voltage Applications", Proceedings ofthe ISEC 2003, 7-11 July, 2003, Sydney, Australia). Der Nachteilder Josephson-Stapelkontakte besteht darin, dass die obere Verdrahtungab drei und mehr Stapellagen keinen sicheren Kontakt gewährleistetund damit die Herstellung funktionstüchtiger Schaltkreise unmöglich macht.Um die Kontaktierung zu verbessern, müsste eine Planarisierung alszusätzlicherTechnologieschritt eingeführtwerden, was sich negativ auf die Ausbeute funktionstüchtigerSchaltkreise auswirkt.
    [0005] Bekanntist auch die Verwendung von Koplanarleitungen als Mikrowellen-Transmissionsleitung für die Integrationder Josephson-Stapelkontakte(S. P. Benz, "Superconductor-normal-superconductor junctionsfor programmable voltage standards", Appl. Phys. Lett., Vol. 67, pp. 2714-2716,October 1995). Das hat den Nachteil, dass zur mikrowellenmäßigen Parallelschaltungmehrerer Koplanarleitungen zusätzlichso genannte "dc-Blocks" eingesetzt werden müssen, welchedie Bandbreite reduzieren. In der Regel kann deshalb nur eine Koplanarleitungin dem Josephsonquantisierer eingesetzt werden, was aber den Einsatzder technologisch schwer herstellbaren Josephson-Stapelkontakte zwingend erforderlich macht.
    [0006] ZurVermeidung der vorstehend genannten Nachteile liegt der Erfindungdie Aufgabe zu Grunde, einen Mikrowellenschaltkreis mit einer sehrgroßen Bandbreiteanzugeben, bei dem Josephsonkontakte mit einer hohen Integrationsdichtemit einer homogenen Mikrowelle versorgt werden, um insbesondere hochgenaueWechselspannungen erzeugen zu können.
    [0007] DieAufgabe wird erfindungsgemäß durch diekennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst und durchdie Merkmale der Unteransprüchevorteilhaft vervollständigt.Auf einem Substrat sind mehrere mikrowellenmäßig parallel geschaltete koplanareStreifenleitungen aufgebracht, in die eine Vielzahl in Reihe geschalteterJosephsonkontakte integriert ist. Die Länge der Streifenleitungen ist kleingegen die Leitungswellenlänge.In die koplanaren Streifenleitungen ist an einer Seite eine Mikrowellen-Impulsfolgeeinkoppelbar, und die koplanaren Streifenleitungen sind an der anderenSeite kurzgeschlossen. Alle Josephsonkontakte der Streifenleitungensind gleichstrommäßig in Reihegeschaltet, wobei die Gesamtspannung an üblichen Kontaktflächen abgreifbarist. Der erfindungsgemäße kryoelektronischeMikrowellenschaltkreis in koplanarer Streifenleitungstechnik istzur Verwendung als Josephsonquantisierer hervorragend geeignet.Aus ihm lässtsich ein Quantensynthesizer herleiten, mit dem Wechselspannungenmit quantenmetrologischer Genauigkeit erzeugt werden können, deralso als Wechselspannungsnormal dienen kann. Mit Frequenzen von1 bis 75 GHz betrieben, ist es möglich,hochgenaue Wechselspannungen mit beliebiger Wellenform und mit Amplitudenvon einigen 10 oder 100 m V zu erzeugen.
    [0008] DieProportionen der koplanaren Streifenleitung und der Kurzschlussam Ende der Sreifenleitung lassen eine große Dichte der Josephsonkontaktezu, die sich allgemein auch darin ausdrückt, dass einer einem Mikrowellen-Codegeneratornachgeordneten Antenne m kaskadenförmig miteinander in Verbindungstehende Leistungsteiler zugeordnet sind, denen m + 1 an ihren denLeistungsteilern gegenüberliegendenEnden kurzgeschlossene koplanare Streifenleitungen zugeordnet sind.Die Josephsonkontakte in den koplanaren Streifenleitungen können vorteilhaftdurch SNS-Kontakte (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter-Josephsonkontakte)oder SIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Josephsonkontakte)oder SINIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Isolator-Supraleiter-Josephsonkontakte)oder HTSL-Kontakte(Hochtemperatur-Supraleiter-Kontakte) gebildet werden. Diese Kontakteund ihre Herstellung sind an sich bekannt; ihre Verwendung unterEinhaltung der Proportionen zwischen koplanarer Streifenleitungund Leitungswellenlängeerweist sich als günstig.In Abhängigkeitvom Anwendungsfall könnendie Kontaktflächenfür denAbgriff der Gesamtspannung symmetrisch zur Mittellinie an der Antenneangebracht sein. Es kann aber auch vorteilhaft sein, eine der Kontaktflächen ander Antenne und die andere der Kontaktflächen an einen Kurzschluss einerkoplanaren Streifenleitung, an ihrer der Einkopplung gegenüberliegendenSeite, anzubringen.
    [0009] DieErfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung zweierAusführungsbeispielenäher erläutert. Eszeigen:
    [0010] 1 eineneinfachen Josephsonkontakt in perspektivischer Darstellung,
    [0011] 2 einenMikrowellenschaltkreis in Draufsicht mit symmetrischer Auskopplungder Josephsonspannung und
    [0012] 3 einenMikrowellenschaltkreis in Draufsicht mit unsymmetrischer Auskopplungder Josephsonspannung.
    [0013] In 1 weistein einfacher Josephsonkontakt auf einem Substrat 10 zweiSupraleiter 11, 12 auf, die durch eine dünne Isolierschicht 13 voneinandergetrennt sind. Die Dicken der Supraleiter 11, 12 können bspw.150 nm und 400 nm betragen, und die Isolierschicht 13 kann2 nm dick sein. Das Substrat 10 besteht aus oxidiertemSilizium und der Josephsonkontakt als SIS-Kontakt aus Nb-Al2O3-Nb. Die Herstellungund Gestaltung derartiger Josephsonkontakte gehört an sich zum Stand der Technik.
    [0014] In 2 istein Mikrowellenschaltkreis 14 mit koplanaren Streifenleitungen 15, 16, 17, 18 dargestellt,von denen jede aus zwei Streifenleitern besteht und in welche diein 1 gezeigten Josephsonkontakte integriert sind.Die koplanaren Streifenleitungen 15 bis 18 sindeinerseits überLeistungsteiler 19 kaskadenartig mit einer zweiflüglichenAntenne 20 verbunden und andererseits mit Kurzschlüssen 21 versehen.Ein Mikrowellenquellen-Codegenerator 22 mit hochstabilerTaktfrequenz bspw. im Bereich von 5 GHz bis zu mehr als 20 GHz lieferteine codierte periodische Mikrowellen-Impulsfolge, die in die Antenne 20 eingekoppeltwird. An die Flügelder Antenne 20 sind Kontaktflächen 23 angeschlossen,an denen die Gesamtspannung der Josephsonkontakte abgreifbar ist.
    [0015] Über dieLeistungsteiler 19 wird die Mikrowellenleistung gleichmäßig aufdie mikrowellenmäßig parallelgeschalteten koplanaren Streifenleitungen 15, 16, 17, 18 verteilt.Durch die Kurzschlüsse 21 anden den Leitungsteilern 19 gegenüberliegenden Enden der koplanarenStreifenleitungen sind alle Josephsonkontakte der Streifenleitungen,wie durch die Pfeile angedeutet, gleichstrommäßig in Reihe geschaltet. DieGesamtspannung des Mikrowellenschaltkreises 14 wird anden symmetrisch zu einer Mittellinie 24 angeordneten Kontakten 23 abgegriffen.Die Längel der koplanaren Streifenleitungen 15 bis 18 istklein gegenüberden Leitungswellenlängen λ, bspw. l= 1/8·λ oder kleiner.Auf diese Weise ist es möglich,die auf den koplanaren Streifenleitungen integrierten Josephsonkontaktetrotz der Kurzschlüsse 21 hinreichendhomogen mit Mikrowellenstrom zu versorgen.
    [0016] ImAusführungsbeispielder 2 sind bei drei kaskadenförmig in Verbindung stehendenLeistungsteilern 19 und vier parallelen koplanaren Streifenleitungen 15 bis 18 dieJosephsonkontakte automatisch in Reihe geschaltet. Allgemein ausgedrückt, sindm Leistungsteilern m + 1 koplanare Streifenleitungen zugeordnet.Dadurch sind keine Gleichstromunterbrechungen (dc-Blocks) erforderlich,wie sie bei den zum Stand der Technik beschriebenen Wellenleiternnotwendig sind.
    [0017] Sinddie Streifenleiter der koplanaren Streifenleitungen 15 bis 18 bspw.auf ein Si-Substrat aufgebracht, dann beträgt bei einer Frequenz von 10 GHzdie Leitungswellenlänge12,6 mm; 1/8 der Leitungswellenlängeist 1,6 mm. In eine koplanare Streifenleitung dieser Länge können 500Josephsonkontakte integriert sein. Da der Mikrowellenschaltkreis 14 vierkoplanare Streifenleitungen umfasst, sind in ihm 2000 Josephsonkontakteintegriert. Damit steht mit dem Mikrowellenschaltkreis 14 einWechselspannungsnormal zur Erzeugung quantenmetrologisch hochgenauerWechselspannungen mit Amplituden bis zu 40 m V zur Verfügung.
    [0018] Einin 3 dargestellter Mikrowellenschaltkreis 14 unterscheidetsich bei sonst gleichem Aufbau vom Mikrowellenschaltkreis der 2 durchdie Kontaktierung der Kontaktflächen 23.Diese sind in 3 mit einen auf Massepotentialliegenden Flügel derAntenne 20 und mit dem Kurzschluss 21 einer äußeren koplanarenStreifenleitung 15 kontaktiert. Dadurch wird die Einkopplungder Mikrowellenimpulse weniger Störeinflüssen unterworfen; allerdings sinddie Josephsonkontakte in dem äußeren Streifenleiterder koplanaren Streifenleitung 15 nicht aktiv, so dassdie Josephsonspannung entsprechend reduziert ist.
    [0019] Esist im Rahmen vorliegender Erfindung dabei unerheblich, welche Supraleitermaterialien,ob konventionelle oder HTSL-Supraleiter, zum Einsatz gelangen. Insbesonderekönnendie Josephsonkontakte durch SNS-Kontakte (Supraleiter-Normalleiter-SupraleiterJosephsonkontakte), wie Nb-PdAu-Nb oder Nb-Ti-Nb, oder SIS-Kontakte(Supraleiter-Isolator-SupraleiterJosephsonkontakte), wie Nb-Al2O3-Nb,oder SINIS-Kontakte(Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Isolator-Supraleiter Josephsonkontakte),wie Nb-Al2O-Al-Al2O3-Nb, gebildet sein.
    [0020] DieVorteile der Erfindung bestehen zusammengefasst darin, dass einegroßeAnzahl von einfachen Josephsonkontakten in einem kompakten Schaltkreisintegriert werden könnenund dass Stapelkontakte und Gleichstromunterbrechungen nicht notwendigsind.
    [0021] Allein der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestelltenMerkmale könnensowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlichsein.
    10 Substrat 11,12 Supraleiter 13 Isolierschicht 14 Mikrowellenschaltkreis 15,16, 17, 18 koplanareStreifenleitungen 19 Leistungsteiler 20 Antenne 21 Kurzschlüsse 22 Mikrowellenquellen-Codegenerator 23 Kontaktflächen 24 Mittellinie l Länge derStreifenleitungen λ Leitungswellenlänge
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis mit koplanarenStreifenleitungen einer bestimmten Leitungswellenlänge, dieeine Vielzahl in Reihe geschalteter Josephsonkontakte aufweisenund in die an einer Seite eine Mikrowellen-Impulsfolge einkoppelbar ist,wobei die Gesamtspannung der Josephsonkontakte an Kontaktflächen abgreifbarist, dadurch gekennzeichnet, dass jede der koplanaren Streifenleitungeneine Längeaufweist, die klein ist im Verhältnis zurLeitungswellenlänge,und an ihrer der Einkopplung gegenüberliegenden Seite kurzgeschlossenist.
    [2] Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass einer einem Mikrowellen-Codegeneratornachgeordneten Antenne m kaskadenförmig miteinander in Verbindungstehende Leistungsteiler zugeordnet sind, denen m + 1 koplanare,an ihren den Leitungsteilern gegenüberliegenden Enden kurzgeschlosseneStreifenleitungen zugeordnet sind.
    [3] Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass die Josephsonkontakte in den koplanarenStreifenleitungen durch SNS-Kontakte (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter Josephsonkontakte),wie Nb-PdAu-Nb oder Nb-Ti-Nb, gebildet sind.
    [4] Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass die Josephsonkontakte in den koplanarenStreifenleitungen durch SIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Supraleiter Josephsonkontakte),wie Nb-Al2O3-Nb,gebildet sind.
    [5] Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass die Josephsonkontakte in den koplanarenStreifenleitungen durch SINIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Isolator-SupraleiterJosephsonkontakte), wie Nb-Al2O-Al-Al2O3-Nb, gebildet sind.
    [6] Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass die Josephsonkontakte in den koplanarenStreifenleitungen durch HTSL-Josephsonkontakte gebildet sind.
    [7] Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen symmetrischzu einer Mittellinie an der Antenne kontaktiert sind.
    [8] Kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kontaktflächen ander Antenne und die andere der Kontaktflächen an den Kurzschluss einer äußeren koplanarenStreifenleitung kontaktiert ist.
    [9] Verwendung eines Mikrowellenschaltkreises, ausgebildetnach den Ansprüchen1 bis 8 zur Realisierung eines Josephsonquantensynthesizers, der mitBetriebsfrequenzen in einem Bereich von 1 bis 75 GHz betrieben,quantenmetrologisch hochgenaue Wechselspannungen mit beliebigerWellenform liefert.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004002228B4|2008-07-10|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-08-04| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2009-01-08| 8364| No opposition during term of opposition|
    2010-01-14| 8327| Change in the person/name/address of the patent owner|Owner name: INSTITUT FUER PHOTONISCHE TECHNOLOGIEN E.V., 0, DE |
    2010-11-18| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410002228|DE102004002228B4|2004-01-13|2004-01-13|Kyroelektronischer Mikrowellenschaltkreis mit koplanaren Streifenleitungen und dessen Verwendung als Josephsonquantisierer|DE200410002228| DE102004002228B4|2004-01-13|2004-01-13|Kyroelektronischer Mikrowellenschaltkreis mit koplanaren Streifenleitungen und dessen Verwendung als Josephsonquantisierer|
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