DE2739156C2 - - Google Patents

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.