Development of RF power dividers for highly integrated circuits of AC Josephson voltage standards

Der Josephson-Arbiträrwellengenerator (JAWS) ermöglicht die Erzeugung spektral reiner quantisierter AC-Spannungen. Er wird auch als pulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal bezeichnet. Um den bestehenden Messaufbau des JAWS durch Reduzierung der Anzahl der HF-Kabel bei Raumtemperatur zu vereinfachen, die Kosten des Pulsmustergenerators zu senken und die Ausgangsspannung des JAWS in Zukunft zu erhöhen, wurden On-Chip-HF-Leistungsteiler entwickelt und kontinuierlich optimiert. In dieser Arbeit werden diese On-Chip-Leistungsteiler für JAWS hinsichtlich der numerischen Simulation, ihres Herstellungsprozesses und der Messung der integrierten Schaltungen bei 4K untersucht.
In dieser Arbeit gab es drei Iterationsschritte in der Schaltungsentwicklung. Im ersten Schritt wurden zwei unterschiedliche Typen von HF-Leistungsteilern entwickelt: der zweistufige Seriell-Parallel-Teiler und der einstufige ein-Sektion Wilkinson-Teiler. Die Ausgänge der Teiler wurden mit Bias-Tee-Schaltungen und Reihenschaltungen aus ungestapelten SNS-Josephson-Kontakten integriert. (S: Supraleiter (Nb), N: Normalleiter (NbxSi1-x)). Beide Arten von Leistungsteilern wurden erfolgreich in JAWS integriert. Mit insgesamt 1.000 Kontakten und einstufigem Wilkinson-Teiler wurden spektral reine Sinuswellen mit effektiven Ausgangsspannungen von 18 mV bei einer Taktfrequenz von 15 GHz erfolgreich synthetisiert. Der Test-Chip mit dem seriell-parallelen Teiler und einer Testschaltung von 2.000 Josephson-Kontakten erzeugte effektive Ausgangsspannungen von 22 mV.
Im zweiten Schritt wurden die gewonnenen Erkenntnisse genutzt, um zwei neue modifizierte breitbandige Wilkinson-Teiler zu entwerfen: Der einstufige Drei-Sektionen-Wilkinson-Teiler hat erweiterte Bandbreite im Vergleich zum einstufigen Ein-Sektion-Wilkinson-Teiler; der zweistufige Ein-Sektion-Wilkinson-Teiler hat keine Phaseverschiebung und gute Isolation zwischen den Ausgängen gegenüber dem zweistufigen Seriell-Parallel-Teiler. Beide modifizierten Teiler wurden in Reihenschaltungen mit dreifach gestapelten Josephson-Kontakten integriert. Spektral reine Sinuswellenformen wurden mit beiden Leistungsteilern erfolgreich synthetisiert. Mit dem einstufigen Drei-Sektionen-Wilkinson-Leistungsteiler und 3.000 Kontakten wurden spektral reine Wellenformen mit effektiven Ausgangsspannungen von 53mVbei einer Taktfrequenz von 15GHzsynthetisiert. Der JAWS-Chip mit zweistufigem Wilkinson-Leistungsteiler und insgesamt 6.000 Kontakten erzeugte spektral reine Sinuswellen mit effektiven Ausgangsspannungen von 105 mV.
Um die synthetisierte AC-Ausgangsspannung weiter zu erhöhen, wurden anschließend der zweistufige Seriell-Parallel-Teiler und der einstufige Ein-Sektion-Wilkinson-Teiler mit großen Josephson-Reihenschaltungen integriert (max. 20.400 Kontakten pro HF-Kanal). Das Messergebnis stellt einen großen Schritt voran dar. So konnte eine maximale effektive Ausgangsspannung von 600 mV pro JAWS-Chip (300 mV pro HF-Kanal) erzeugt werden. Dies stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber bisherigen JAWS-Schaltungen dar und kann perspektivisch noch weiter verbessert werden.