DE2739156C2 - - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
- H10N60/12—Josephson-effect devices
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer
Mehrzahl von Josephson-Elementen nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist
beispielsweise aus IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-11, 1975,
Seite 821 bis 824 bekannt.
Josephsonelemente sind im Mikrowellenbereich als Detektoren,
Mischer und parametrische Verstärker bis zu sehr hohen Fre
quenzen anwendbar. Schwierigkeiten bestehen bei der Anpassung der meist nieder
ohmigen Josephson-Elemente an Mikrowellennetzwerke. Durch
Anpassungsnetzwerke in Streifenleitungstechnik ist eine Re
duzierung der Fehlanpassung von Josephson-Tunnelelementen
gelungen; siehe Revue de
Physique Appliquee, Bd. 9, 1974, S. 131-133. Vollständige Anpas
sung wurde dabei jedoch nicht erreicht.
Des weiteren wurden in der Literatur Josephson-Punktkontakte
mit höherer Impedanz beschrieben. Josephson-Punktkontakte mit hoher Impe
danz haben jedoch eine niedrigere Grenzfrequenz und geringe
re mechanische Stabilität als die niederohmigen Josephson-
Tunnelelemente.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung einer besseren Anpas
sung von Josephson-Elementen an Mikrowellenschaltkreise be
steht in der Anwendung von Anordnungen aus einer Vielzahl
von Josephson-Elementen. Solche "Arrays" wurden in der Lite
ratur ebenfalls mehrfach beschrieben - siehe z. B. Appl.
Phys. Lett., Bd. 25, 1975, S. 627-629;
Appl. Phys. Lett., Bd. 30, 1977, S. 298-300; IEEE Trans. on Magn., Bd. MAG-11, 1975, S. 667-670 und
S. 671-673. Die hier beschriebenen "Arrays" bestehen
jedoch aus konzentrierten Elementen, weshalb eine breitban
dige Ankopplung an externe Leitungen mit Hilfe solcher "Arrays"
nicht möglich ist.
Besonders interessante Eigenschaften haben linear ausgedehn
te Josephson-Elemente. Auf einer derartigen, von zwei Supra
leitern gebildeten leitungsförmigen Struktur kann sich eine
elektromagnetische Welle ausbreiten. Die Phase des Josephson
stromes ist dabei ebenfalls eine Funktion von Ort und Zeit
und kann unter dem Einfluß einer transversalen elektrischen
und lateralen magnetischen Gleichfeldkomponente eine in ei
ner Richtung fortschreitende Wellenbewegung vollführen. Es
kann dabei zu sehr starken Wechselwirkungen zwischen der
elektromagnetischen Leitungswelle und der Phasenwelle des
Josephsonstromes kommen. Die dabei auftretenden Phänomene
wurden ausführlich theoretisch und experimentell diskutiert
- siehe z. B. Solymar, L.: Superconductive tunneling and
applications, London 1972. Derartige Leitungsstrukturen sind unter ande
rem für den Bau von parametrischen Wanderwellenverstärkern
von Interesse. Während bei leitungsförmigen Jo
sephson-Elementen eine befriedigende Verkopplung zwischen
der elektromagnetischen Leitungswelle des Josephsonelementes
und der Phasenwelle des Josephsonstromes erzielt werden kann,
bereitet auch hier wegen des niedrigen elektromagnetischen
Wellenwiderstandes des leitungsförmigen Josephson-Elementes
die Ankopplung an Mikrowellennetzwerke Schwierigkeiten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben,
welche sowohl eine gute Verkopplung zwischen einer externen
Welle und der Phasenwelle des Josephsonstroms als auch eine
gute Impedanz-Anpassung der Josephson-Elemente an Mikrowellen
schaltungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unter
ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere zur Realisie
rung von Oszillatoren, Mischern, Detektoren und parametri
schen Verstärkern für Mikrowellen bis zu sehr hohen Frequen
zen, vorzugsweise oberhalb 1011 Hz, geeignet. Durch die HF-mä
ßige Serienschaltung aller Josephsonelemente entsteht eine
Leitungsstruktur mit erheblich vergrößertem Wellenwiderstand.
Unabhängig von der HF-mäßigen Serienschaltung aller leitungs
förmigen Josephsonelemente ist in einer Ausgestaltung der Er
findung eine gleichstrommäßige Parallelschaltung aller lei
tungsförmigen Josephson-Elemente möglich. Diese Parallelschal
tung erfolgt über supraleitende Leiter, so daß an allen
leitungsförmigen Josephson-Elementen genau die gleiche Gleich
spannungskomponente anliegt und die durch die Gleichspannungs
komponente in allen Josephson-Elementen erzeugte Oszillations
frequenz gleich ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen
beschrieben und erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein einzelnes leitungsförmiges Josephson-Element
(Stand der Technik),
Fig. 2 eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispieles einer aus
mehreren, über die ganze Länge HF-mäßig in Serie
geschalteten leitungsförmigen Josephson-Elementen
bestehenden Schaltungsanordnung,
Fig. 3 eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles einer aus
mehreren, eingangs- und ausgangsseitig HF-mäßig
in Serie geschalteten leitungsförmigen Josephson-
Elementen bestehenden Schaltungsanordnung,
Fig. 4 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel,
bei dem durch zusätzliche supraleitende Verbindungen
eine gleichstrommäßige Parallelschaltung aller lei
tungsförmigen Josephson-Elemente erzielt wird,
Fig. 5 eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispieles,
mit Gleichspannungszuführung und Einleitung-Struktur,
Fig. 6 eine Ansicht einer in einen Rechteckhohlleiter ein
gebauten Anordnung gemäß Fig. 3,
Fig. 7 eine Ansicht eines Rechteckhohlleiters mit Innensteg
und Fenster zur Einkopplung von Mikrowellenstrahlung
in die Schaltungsanordnung mit Josephson-Elementen,
Fig. 8 eine aufgeschnittene Seitenansicht des Rechteckhohl
leiters mit Steg gemäß Fig. 7,
Fig. 9 eine Draufsicht auf den Rechteckhohlleiter mit Steg
gemäß Fig. 7,
Fig. 10 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer
einseitig an einen Rechteckhohlleiter mit Steg ge
mäß Fig. 7 angekoppelten Schaltungsanordnung mit
Josephson-Elementen,
Fig. 11 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer
beidseitig an je einen Rechteckhohlleiter mit Steg
gemäß Fig. 7 angekoppelten Schaltungsanordnung mit
Josephson-Elementen.
Die Fig. 1 zeigt ein einzelnes, vorbekanntes leitungsförmi
ges Josephson-Element, bestehend aus einem isolierenden Sub
strat 1, einem supraleitenden Metallfilm 2, einer isolieren
den, halb- oder normalleitenden Zwischenschicht 3 und einer
supraleitenden Schicht 4. Für das Substrat 1 wird Glas, Ke
ramik oder ein isolierender Kristall als Material verwendet.
Die Schichten 2 und 4 werden durch Aufdampfen oder Kathoden
zerstäubung hergestellt. Isolierende Zwischenschichten 3
werden z. B. durch Oxidation hergestellt. Die Dicke d der iso
lierenden Schicht 3 beträgt 1 bis einige nm. Wird
für die Schicht 3 halbleitendes oder normalleitendes Mate
rial verwendet, so beträgt die Dicke ein Mehrfaches des obi
gen Wertes. Die Schichten 2 und 4 haben jeweils Dicken von
einigen 10 bis zu einigen 100. Die Breite b der
Schicht 3 beträgt einige Mikrometer bis einige 100 Mikrometer, die
Länge l der Schicht 3 beträgt einige Millimeter bis einige
Zentimeter.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsge
mäße Anordnung von mehreren auf der ganzen Länge HF-mäßig
in Serie geschalteten leitungsförmigen Josephson-Elementen.
Auf einem isolierenden Substrat 11 ist eine Vielzahl von supra
leitenden Metallstreifen 12 aufgebracht. Nach dem Aufbringen
isolierender oder halbleitender oder normalleitender Zwi
schenschichten 13 werden Metallfilme 14 aufgebracht. Die
jeweils durch Schichten 13 getrennten überlappenden Regionen
der Filme 12 und 14 bilden leitungsförmige Josephson-Elemente.
Jedes dieser leitungsförmigen Josephson-Elemente ist in der
aus Fig. 2 ersichtlichen Weise entweder durch eine seitliche
Fortsetzung des unteren Films 12 oder des oberen Films 14 mit
dem benachbarten leitungsförmigen Josephson-Element verbunden.
Auf diese Weise sind alle leitungsförmigen Josephson-Elemen
te über ihre ganze Länge HF-mäßig in Serie geschaltet. Die
Eingangsspannung der gesamten Anordnung zwischen Punkten
15 und 16 ist die Summe aller auf den leitungsförmigen Jo
sephson-Elementen auftretenden Eingangsspannungen. Die Aus
gangsspannungen addieren sich in gleicher Weise. In Fig. 2
wurden nur wenige in Serie geschaltete leitungsförmige Jo
sephson-Elemente eingezeichnet. In praktischen Ausführungs
formen, bei denen die einzelnen leitungsförmigen Josephson-
Elementen Breiten von wenigen Mikrometer bis zu einigen 10 Mi
krometer haben können, sind einige 10 bis einige 100 in Serie
geschalteter leitungsförmiger Josephson-Elemente realisier
bar. Die Eingangsimpedanz (Ausgangsimpedanz) der gesamten
Anordnung ist im Falle n in Serie geschalteter leitungsför
miger Josephson-Elemente etwa n mal so groß wie die Eingangs
impedanz (Ausgangsimpdedanz) des einzelnen Josephson-Elemen
tes. Die Einkopplung (Auskopplung) eines elektrischen Signals
bzw. einer elektromagnetischen Signalwelle erfolgt über die
Leitungsanschlüsse 15 und 16 (17 und 18) und/oder ein ex
ternes elektromagnetisches Feld mit dem elektrischen Feld
vektor in der Richtung E ext .
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Auf einem isolierenden Substrat 21 sind Metallfilme 22 und
darauf durch Zwischenschichten 23 getrennt Metallfil
me 24 aufgebracht. Die Anordnung gemäß Fig. 3 unterscheidet
sich von der gemäß Fig. 2 dadurch, daß die Metallfilme 22
und 24 eine ringförmige Geometrie aufweisen, so daß die ein
zelnen leitungsförmigen Josephson-Elemente nur an den Ein
gängen und an den Ausgängen, nicht aber dazwischen verbunden
und solcherart in Serie geschaltet sind.
Fig. 4 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel eine Weiterbildung der
Anordnung gemäß Fig. 3. Auf einem isolierenden Substrat
31 aufgebrachte ringförmige supraleitende Metallfilme 32
sind durch schmale Brücken 35 aus supraleitendem Metall
film miteinander zu einer zusammenhängenden Einheit verbunden.
Durch eine (isolierende, halb- oder normalleitende) Zwischen
schicht getrennt sind darüber ringförmige supraleitende
Metallfimstrukturen 34, welche durch supraleitende Me
tallfilm-Brücken 36 verbunden sind, aufgebracht. Die Ring
strukturen 32 (34) und die sie verbindenden Brücken 35 (36)
können dabei aus einer einzigen homogenen Metallfilmschicht
bestehen. Durch die Brücken 35 (36) sind die Ringstrukturen
32 (34) miteinander leitend verbunden und gleichstrommäßig
parallel geschaltet. Für die Mikrowellen, welche sich auf
den einzelnen, niederohmigen leitungsförmigen Josephson-Ele
menten ausbreiten, stellen die Brücken eine zu hohe Induktivi
tät dar, so daß die Brücken auf die Mikrowelleneigenschaften
keinen Einfluß haben.
Fig. 5 zeigt als viertes Ausführungsbeispiel die Draufsicht auf eine
für den Einbau in einen Mikrowellenhohlleiter vorgesehe
nen Ausgestaltung der Anordnung gemäß Fig. 3. Wie in
Fig. 3 sind auf ein isolierendes Substrat 41 ringförmige
Strukturen 42 und 44 aufgebracht. Die leitungsförmigen Jo
sephson-Elemente werden jeweils von der Struktur 42 und
der durch eine Zwischenschicht getrennten, darüber befind
lichen Filmstruktur 44 gebildet. Metallfilme 47 dienen zur
Einkopplung einer Hohlleiterwelle in die in Serie geschalte
ten leitungsförmigen Josephson-Elemente und bilden beim
Einbau in einen Hohlleiter eine Einleitung-Struktur.
Eine supraleitende Dünnfilmleitung 45 dient zur Gleichspan
nungszuführung an die ringförmigen Strukturen 44, und Dünn
filmleitung 46 dient zur gleichstrommäßigen Verbindung aller
Strukturen 44 untereinander und mit den beiden supraleiten
den Metallfilmflächen 47. Auf zwei Flächen 48 ist ei
ne stärkere Metallisierung zur Kontaktierung aufgebracht. Die
Leitungen 45 und 46 haben einen so hohen Induktivitätsbelag,
daß die Mikrowelleneigenschaften der HF-mäßig in Serie ge
schalteten Josephson-Elemente durch diese Leitungen nicht
beeinfluß werden.
Fig. 6 zeigt eine Ansicht eines Ausführungsbeispieles einer
in einem Hohlleiter 50 eingebauten Schaltungsanordnung gemäß
Fig. 5. Die supraleitenden Metallfilmflächen 47 sind dabei
über die ganze Länge mit der Innenwand des Hohlleiters 50
verbunden, so daß die Metallfilmflächen 47 im Hohlleiter
eine Einleitung-Struktur bilden.
Fig. 7 zeigt einen Steghohlleiter 60 zur mikrowellenmäßigen
Anpassung von in Serie geschalteten Josephson-Elementen ge
mäß Fig. 2 bis Fig. 4 an Mikrowellenhohlleiter. Ein Steg
61 führt in bekannter Weise zu einer Konzentration des E-Fel
des zwischen dem Steg und der gegenüberliegenden Innenwand
des Hohlleiters. Dadurch entsteht auch eine Erhöhung der Wand
stromdichte auf der dem Steg gegenüberliegenden Innenwand.
An der Stelle höchster Konzentration der Wandstromdichte wird
der Hohlleiter durch den Schnitt 62 aufgeschnitten. Wird in die
aufgeschnittene Fläche eine Anordnung von in Serie geschalte
ten Josephson-Elementen in der Weise eingesetzt, daß sich
der Eingang (bzw. Ausgang) dieser Anordnungen gegenüber dem
Steg 61 befindet, so erfolgt eine Einkopplung der Hohlleiter
welle in den Eingang (bzw. eine Auskopplung z. B. eines HF
Signales aus dem Ausgang der Anordnung in den Hohlleiter).
Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch den Steghohlleiter,
Fig. 9 eine Draufsicht auf den Steghohlleiter nach Fig. 7.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Ankopplung
einer erfindungsgemäßen Anordnung 71 an einen Steghohlleiter
nach Fig. 7. Die Anrichtung dieser Anordnung 71 senkrecht
zum Steghohlleiter 70 bewirkt, daß die vom Mikrowellenfeld
des Hohlleiters induzierten Stromlinien die Richtung von
E ext in Fig. 2 haben. Gleichstromzuführungen 72 sind
schematisch eingezeichnet.
Fig. 11 zeigt das Ausführungsbeispiel einer Weiterbildung
der Anordnung von Fig. 10. In Serie geschaltete Jo
sephson-Elemente 75 sind eingangsseitig an einen Steghohl
leiter 73 und ausgangsseitig an einen Steghohlleiter 74 an
gekoppelt. Gleichstromzuführungen 76 sind schematisch
eingezeichnet.
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von Josephson-
Elementen zur Ankopplung an externe Mikrowellenschaltkreise,
dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Josephson-Elemente
jeweils als an sich bekannte leitungsförmige Struktur aus zwei
schwach gekoppelten supraleitenden Metallstreifen auf einem
dielektrischen Substrat ausgeführt sind, daß alle Elemente
parallel verlaufend nebeneinander angeordnet sind und daß an
beiden Enden der leitungsförmigen Strukturen alle Elemente
hochfrequenzmäßig in Reihe geschaltet sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die leitungsförmigen Josephson-Elemente über ihre gesamte
Länge HF-mäßig in Reihe geschaltet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Josephson-Elemente über supra
leitende Verbindungen hoher Induktivität gleichstrommäßig
parallel geschaltet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die supraleitenden Verbindungen hoher
Induktivität als Dünnfilmleitungen mit hohem Induktivitätsbelag
ausgeführt sind.
5. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die HF-mäßig in Serie geschalteten
Josephson-Elemente in einen Hohlleiter eingebaut sind und zum
Zwecke der Ein- und/oder Auskopplung von elektromagnetischen
Wellen in eine Feinleitung-Struktur integriert sind.
6. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Ein- bzw. Aus
kopplung elektromagnetischer Wellen in einen Hohlleiter
bzw. aus einem Hohlleiter die HF-mäßig in Serie ge
schalteten Josephson-Elemente zumindest an einem Ende einem
Steghohlleiter gegenüberliegend angeordnet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19772739156 DE2739156A1 (de) | 1977-08-31 | 1977-08-31 | Schaltungsanordnung mit josephson- elementen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19772739156 DE2739156A1 (de) | 1977-08-31 | 1977-08-31 | Schaltungsanordnung mit josephson- elementen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2739156A1 DE2739156A1 (de) | 1979-03-15 |
DE2739156C2 true DE2739156C2 (de) | 1989-11-30 |
Family
ID=6017726
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19772739156 Granted DE2739156A1 (de) | 1977-08-31 | 1977-08-31 | Schaltungsanordnung mit josephson- elementen |
Country Status (1)
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DE (1) | DE2739156A1 (de) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2463512A1 (fr) * | 1979-05-30 | 1981-02-20 | Anvar | Perfectionnements aux dispositifs a jonctions tunnel et aux procedes de fabrication de telles jonctions |
US4344052A (en) * | 1980-09-29 | 1982-08-10 | International Business Machines Corporation | Distributed array of Josephson devices with coherence |
DE4010489A1 (de) * | 1990-03-31 | 1991-10-02 | Dornier Luftfahrt | Supraleitendes element |
-
1977
- 1977-08-31 DE DE19772739156 patent/DE2739156A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2739156A1 (de) | 1979-03-15 |
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