DE19508917A1

DE19508917A1 - Planarer supraleitender Resonator

Info

Publication number: DE19508917A1
Application number: DE19508917A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Grothe; Klaus Dipl Phys D Voigtlaender; Matthias Dipl Phys Dr Klauda; Claus Dipl Phys Dr Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-03-11
Filing date: 1995-03-11
Publication date: 1996-09-12
Also published as: EP0732764A1; US5721195A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem planaren, supraleitenden Resonator, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. In dem Artikel "Miniature Dual Mode Microstrip Filters" in IEEE, MTT-S. Digest N-1, Seiten 443-446, 1991 sind verschiedene Streifenleitungsresonatoren beschrieben, bei denen ein zu zwei Achsen symmetrisches Streifenleitungselement zwischen einem ersten und einem zweiten zum ersten um 90° verdreht angeordneten Streifenleiter angeordnet ist. Das symmetrische Element weist zur Verkopplung der beiden in diesem Resonator schwingenden Moden eine unter einem Winkel von 45° zu einem der beiden Streifenleiter bzw. den beiden Symmetrieachsen angeordnete Asymmetrie bzw. Symmetriestörung auf. Die Asymmetrie kann hierbei in variabler Gestalt auftreten. So ist beispielsweise ein quadratischer Resonator gezeigt, an dem eine Ecke abgeschnitten ist. Außerdem sind ring- oder kreisförmige Resonatoren mit einem rechteckigen Ausschnitt oder Zusatzstück dargestellt. Diese Asymmetrie bewirkt eine Verkopplung der beiden im Resonator schwingenden, zueinander orthogonalen Moden.

Aus dem Fachbuch von W. Buckel, "Supraleitung", 4. Aufl., 1993, VCH-Verlag, Seiten 72-92 sind die theoretischen Grundlagen für die Josephson-Effekte und den Josephson- Kontakt bekannt. Der Josephson-Kontakt ist durch Anlegen eines Magnetfeldes bezüglich seiner Stromtragfähigkeit veränderbar.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße planare, supraleitende Resonator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Ausmaß der Verkopplung der beiden orthogonalen Moden über die Stärke eines Magnetfeldes steuerbar ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen planaren, supraleitenden Resonators möglich.

Die Ausgestaltung des Josephson-Kontakts in Form eines durch eine nichtsupraleitende Schicht vom Streifenleiter getrennten weiteren Streifenleiters stellt eine vorteilhafte Maßnahme dar, da diese Ausgestaltung herstellungstechnisch besonders einfach realisierbar ist.

Es erweist sich außerdem als vorteilhaft, wenn der Josephson-Kontakt als lokale Störzone in der Kristallstruktur des Streifenleiters ausgebildet ist, da diese lokale Störzone auch noch nachträglich, nach der Fertigstellung des Layouts des Resonators in den Resonator mit geringem Aufwand einbringbar ist.

Die Erzeugung des Magnetfelds mittels eines vom Josephson- Kontakt elektrisch isolierten elektrischen Leiters ist besonders vorteilsbringend, da durch Regelung von elektrischem Strom im elektrischen Leiter der Zustand des Josephson-Kontaktes veränderbar und damit die Verkopplung der Moden im Resonator ebenfalls variabel ist.

Ist der elektrische Leiter über der nichtsupraleitenden Schicht angeordnet, so resultiert aus dieser Anordnung der Vorteil eines besonders homogenen Magnetfeldes.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, den elektrischen Leiter als Streifenleiter auszubilden, da dadurch wiederum die Planarität des Resonators in vorteilhafter Weise erhalten bleibt. Dadurch vereinfacht sich auch wiederum die Herstellbarkeit.

Wird der elektrische Leiter als Draht ausgebildet, so läßt sich die Isolierung zwischen dem elektrischen Leiter und dem Resonator auf besonders einfache Weise mit einer besonders niedrigen Dielektrizitätszahl erreichen.

Wenn der elektrische Leiter durch eine Oxidschicht vom Josephson-Kontakt isoliert ist, so verbessert sich wiederum die Herstellbarkeit des Resonators.

Werden mehrere Resonatoren gemeinsam auf einem Substrat angeordnet, so verringern sich die Herstellungskosten und es lassen sich mit diesen Resonatoren abstimmbare Filter realisieren.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen in etwa quadratischen Resonator mit einem zusätzlichen Streifenleiter,

Fig. 2 einen in etwa quadratischen Streifenleiter mit einer abgeschnittenen Ecke,

Fig. 3 einen in etwa kreisscheibenförmigen Resonator,

Fig. 4 zwei Resonatoren auf einem gemeinsamen Substrat.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein annähernd quadratisch ausgebildeter Streifenleiter 2 auf einem flachen Substrat 1 angeordnet. An einer Seite des quadratischen Streifenleiters 2 ist auf dem Substrat 1 ein Eingangsstreifenleiter 13 und auf einer um 90° zur ersten Seite verdreht liegenden Seite des Streifenleiters 2 ein Ausgangsstreifenleiter 14 angeordnet. An der der zwischen dem Ausgangsstreifenleiter 14 und dem Eingangsstreifenleiter 13 liegenden Ecke gegenüberliegenden Ecke weist der Streifenleiter 2 einen Übergang zu einem unter einem Winkel von 45° zum Ausgangsstreifenleiter 14 angeordneten in etwa rechteckigen Übergangsfortsatz auf. Der Übergangsfortsatz grenzt an einen Josephson-Kontakt 3, welcher aus einer nichtsupraleitenden Schicht 4, die hier in Form einer dünnen, normal leitenden Schicht, beispielsweise einer Metallschicht, realisiert ist und einem daran anschließenden weiteren Streifenleiter 5 gebildet ist. Diese Anordnung bildet einen Resonator 10 für hochfrequente, elektromagnetische Signalwellen. Weiter ist auf dem Substrat 1 ein elektrischer Leiter 6 in Form eines dritten Streifenleiters 7 um den Josephson-Kontakt 3 herum verlaufend angeordnet.

Über den Eingangsstreifenleiter 13 und den Ausgangsstreifenleiter 14 werden die hochfrequenten, elektromagnetischen Signalwellen geleitet. Im Resonator 10 sind dabei zwei zueinander orthogonale Moden schwingungsfähig. Die Schichtdicke der nichtsupraleitenden Schicht 4 liegt im Bereich der Kohärenzlänge des Streifenleiters 2.

Wird ein elektrischer Strom durch den elektrischen Leiter 6 geschickt, so entsteht ein Magnetfeld, welches u. a. den Bereich des Josephson-Kontakts 3 durchdringt. Hier addieren sich sogar die beiden Magnetfelder des rechts und des links liegenden Streifenleiterabschnitts des elektrischen Leiters 6 zu einem Gesamtmagnetfeld. Der Anteil dieses Magnetfeldes, welcher parallel zur Erstreckung des Josephson-Kontakts 3 verläuft, bewirkt eine Veränderung des Josephson- Gleichstroms, welcher durch den Josephson-Kontakt 3 fließt. Dadurch variiert der Zustand des Josephson-Kontakts 3 zwischen dem gewöhnlich elektrisch-leitenden, ohm′schen Zustand und dem supraleitenden Zustand. Befindet sich der Josephson-Kontakt 3 im supraleitenden Zustand, so ist der weitere Streifenleiter 5 voll elektrisch wirksam, so daß eine stärkere Verkopplung der orthogonalen Moden im Streifenleiter 2 resultiert. Gerät dagegen der Josephson- Kontakt 3 in den normal leitenden Zustand, so wird die Kopplung zum weiteren Streifenleiter 5 stark verringert, wodurch sich auch die Verkopplung der beiden orthogonalen Moden im Streifenleiter 2 verringert.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei die Numerierung aus der Fig. 1 beibehalten wurde. In Abwandlung der Fig. 1 ist anstelle des zum quadratischen Streifenleiter 2 angesetzten rechteckigen Zusatzstücks der Josephson-Kontakt 3 hier in einer Form ausgebildet, bei der die nichtsupraleitende Schicht 4 in Form eines dünnen Luftspalts ausgebildet ist, welcher entlang einer Schnittlinie verläuft, die durch Abtrennen einer Ecke des Streifenleiters 2 entstanden ist. Die Dicke des Luftspalts befindet sich wiederum im Bereich der Kohärenzlänge des Streifenleiters 2. Die abgetrennte Ecke bildet hier den weiteren Streifenleiter 5. Über das Substrat 1 ist teilweise eine Isolationsschicht 9 beispielsweise in Form einer Oxidschicht verlegt, über der der dritte Streifenleiter 7 aufgebracht ist. Der dritte Streifenleiter 7 verläuft dabei in etwas senkrecht zur nichtsupraleitenden Schicht 4 und dient als elektrischer Leiter 6.

Auch hier wird wieder durch elektrischen Strom in dem dritten Streifenleiter 7 ein Magnetfeld erzeugt, welches die Durchlässigkeit des Josephson-Kontakts 3 und damit die Verkopplung der beiden orthogonalen Moden im Streifenleiter 2 steuert. Durch die Anordnung des elektrischen Leiters 6, direkt über der nicht supraleitenden Schicht 4 liegt hier ein besonders homogenes Magnetfeld zur Ansteuerung des Josephson-Kontakts 3 vor.

In Fig. 3 ist unter Beibehaltung der Numerierung aus den vorhergehenden Figuren ein kreisscheibenförmiger Streifenleiter 2 auf dem Substrat 1 aufgebracht. Bei diesem kreisscheibenförmigen Streifenleiter 2 wurde eine lokale Störzone 12, beispielsweise durch Ionenstrahlätzen auf dem Streifenleiter 2 erzeugt. Die Ionenstrahlätzlinie bzw. lokale Störzone 12 verläuft hier wiederum unter einem Winkel von 45° zum Ausgangsstreifenleiter 14. Es ist hier wiederum als elektrischer Leiter 6 der Draht 8 in einer Isolierung quer über den Josephson-Kontakt 3 geführt, so daß das Magnetfeld des im Draht 8 fließenden Stromes eine Steuerbarkeit des elektrischen Zustandes des Josephson- Kontaktes 3 zuläßt. Die Störzone kann auch in verschiedenen anderen Arten ausgebildet werden, die eine Störung der Kristallstruktur des Streifenleiters 2 bewirken.

Es sind ebenso Resonatoren 10 vorgesehen, bei denen mehrere Josephson-Kontakte 3 hintereinander angeordnet sind.

In Fig. 4 ist eine Anordnung dargestellt, bei der auf dem Substrat 1 außer dem Resonator 10 noch ein weiterer Resonator 11 aufgebracht ist. Die beiden Resonatoren 10, 11 sind zu einem planaren, supraleitenden Filter verschaltet. Der Eingangsstreifenleiter 13 des Resonators 10 bildet den Eingang des Filters. Zwischen dem Ausgangsstreifenleiter 14 und dem Streifenleiter 2 des Resonators 10 ist hier über einen Zwischenstreifenleiter 15 ein weiterer Resonator 11 eingekoppelt, so daß der Ausgangsstreifenleiter 14 den Ausgang des Filters bildet. Beide Resonatoren 10, 11 weisen zueinander komplementäre Störungen auf, d. h. der Resonator 10 weist eine Symmetriestörung in Form eines Einschnittes auf, während der weitere Resonator 11 die Symmetriestörung in Form eines rechteckigen Fortsatzes aufweist. Beide Symmetriestörungen sind mit Josephson-Kontakten 3 versehen, die durch Strom in je einem elektrischen Leiter 6 ansteuerbar sind.

Diese Anordnung stellt somit ein variables Filter dar, bei dem mittels der Stromsteuerung der Josephson-Kontakte 3 eine Veränderung der Filtercharakteristik einstellbar ist.

Claims

1. Planarer supraleitender Resonator mit einem auf einem Substrat (1) aufgebrachten symmetrischen Streifenleiter (2), der eine Symmetriestörung zur Verkopplung orthogonaler Moden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Symmetriestörung ein Josephson-Kontakt (3) angeordnet ist und daß am Josephson-Kontakt (3) ein Magnetfeld erzeugbar ist.

2. Planarer supraleitender Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Josephson-Kontakt (3) einen durch eine nichtsupraleitende Schicht (4) vom Streifenleiter (2) ganz oder teilweise getrennten weiteren Streifenleiter (5) umfaßt.

3. Planarer supraleitender Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Josephson-Kontakt (3) eine lokale Störzone (12) in der Kristallstruktur des Streifenleiters (2) umfaßt.

4. Planarer supraleitender Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Josephson-Kontakt (3) elektrisch isolierter elektrischer Leiter (6) vorgesehen ist, in dem ein das Magnetfeld erzeugender Strom erzeugbar ist.

5. Planarer supraleitender Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (6) über der nichtsupraleitenden Schicht (4) angeordnet ist.

6. Planarer supraleitender Resonator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (6) einen dritten Streifenleiter (7) umfaßt.

7. Planarer supraleitender Resonator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (6) einen Draht (8) umfaßt.

8. Planarer supraleitender Resonator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (6) durch eine Isolationsschicht (9) vom Josephson-Kontakt (3) isoliert ist.

9. Planarer supraleitender Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10) mit wenigstens einem weiteren Resonator (11) gemeinsam auf dem Substrat (1) angeordnet ist.