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. The Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) generates spectrally pure quantized AC voltages. It is also called pulse-driven AC Josephson voltage standard. To simplify the existing experimental set-up of the JAWS by reducing the number of RF cables at room temperature, to lower the cost of Pulse Pattern Generator and to increase the output voltage of JAWS in the future, on-chip RF power dividers were developed and continuously optimized. This thesis investigates the on-chip power dividers for JAWS focusing on the numerical simulation, its fabrication process, and measurement of the integrated circuits at 4K.
In this work, there were three iteration steps in the circuit development. Firstly, two different types of RF power dividers were developed: the two-stage serial-parallel and the one-stage Wilkinson power divider. The outputs of the power dividers were integrated with bias-tee circuits and series arrays of non-stacked SNS type Josephson junctions (S: superconductor (Nb), N: normal metal (NbxSi1-x)). Both types of power dividers were successfully integrated into JAWS. With the Wilkinson power divider, output AC voltages of 18 mV (RMS) were obtained at a clock frequency of 15 GHz combined with a test array of 1,000 Josephson junctions. The test chip containing the serial-parallel power divider and a test array of 2,000 Josephson junctions generated RMS output voltages of 22 mV.
In the second step, gained knowledge was used. And two new modified broadband Wilkinson power dividers were investigated: the one-stage three-section Wilkinson power divider has extended bandwidth compared to one-stage single-section Wilkinson divider; the two-stage single-section Wilkinson divider has no phase shift and good isolation between the outputs in contrast to the two-stage serial-parallel power divider. Both modified dividers were integrated with triple-stacked Josephson junction series arrays successfully. Spectrally pure sinusoidal waveforms were also successfully synthesized with both types of power dividers. With the one-stage three-section Wilkinson power divider combined with a test array of 3,000 Josephson junctions, a RMS voltage of nearly 53 mV was obtained at a clock frequency of 15 GHz. As for the two-stage single-section Wilkinson power divider combined with a test array of 6,000 Josephson junctions, RMS output voltages of about 105 mV was generated.
To further increase the synthesized AC output voltage, the two-stage serial-parallel power divider and one-stage single-section Wilkinson divider were finally integrated with larger Josephson junction arrays (maximum 20,400 junctions per RF channel). The experimental results demonstrates a significant step forward. So far, a maximum RMS voltage of 600 mV per JAWS chip (300 mV per RF channel) has been realized. This represents a significant improvement over previous JAWS circuits and can be improved even further in the future.