Josephson-Einrichtungen, wie insbesondere Josephson- Spannungsnormale, die auf der Grundlage des Wechselstrom-Josephson- Effektes arbeiten, haben bereits Eingang in die Präzisionsmeßtechnik gefunden. Bei diesen Spannungsnormalen nutzt man die Frequenz- Spannungs-Umsetzung an einem Josephsonkontakt aus. Bringt man nämlich ein Josephsonkontakt in ein hochfrequentes Wechselfeld der Frequenz f ein, so wird die interne Josephson-Oszillation durch das externe Wechselfeld synchronisiert. Dabei treten in der Strom- Spannungs-Kennlinie Stufen konstanter Spannung, sogenannte Shapiro- Stufen auf, die auf folgende Weise mit der Frequenz f verknüpft sind : Un= n (h/2e) f mit n =...-3,-2,-1, 0, 1, 2, 3,... (ganze Zahl) (n : Ordnung der Shapirostufe, h : Planck'sches Wirkungsquantum, e : Elementarladung). Um bei einer Frequenz f von beispielsweise 70 GHz das 10-V Spannungniveau zu erreichen, sind Serienschaltungen von 14000 und mehr Josephsonkontakten erforderlich.

Nach dem Stand der Technik sind koplanare Streifenleitungen bekannt, bei denen zwei metallische Streifenleiter mit der Breite w und dem Abstand s auf einem Substrat der Dicke h und der Dielektitzitätskonstante Er aufgebracht sind (H. Meinke, F. W. Grundlach, "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", K15-K16, Springer-Verlag, 1992). Damit ist es möglich, hochfrequente Wechselfelder (Mikrowellen) zu führen. Weil die koplanare Streifenleitung aus zwei einfachen metallischen Streifenleitern auf einem dielektrischen Substrat besteht, können damit aber beispielsweise keine Schaltkreise zu Erzeugung hochgenauer Spannungen (Spannungsnormale) hergestellt werden, die aber bereits zum bekannten Stand der Technik gehören (V. Kose, F. Melchert"Quantenmaße in der elektrischen Meßtechnik"S.

24-41, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991).

Um Mikrowellenschaltkreise mit Josephsonkontakten, insbesondere zur Erzeugung von hochgenauen Spannungen zu realisieren, wurden die Josephsonkontakte in eine Mikrostreifenleitung integriert. Aus dem. Buch von J. Hinken"Supraleiter-Elektronik : Grundlagen, Anwendungen in der Mikrowellentechnik, Springer-Verlag, Berlin 1988, S. 87 bis 95, geht hervor, daß das zu entnehmende Josephson-Spannungsnormal wie folgt aufgebaut ist : Es enthält 1440 Josephsonkontakte (dort als Josephson- Elemente bezeichnet), die in vier als Mikrostreifenleiter gestalteten Ketten mit jeweiligen Abschlußwiderstand äquidistant hintereinander angeordnet sind. Zur Aufsummierung der Spannungen an den einzelnen Josephsonkontakten sind die vier Ketten gleichstrommäßig hintereinandergeschaltet. Um eine optimale Mikrowellenanregung der Josephsonkontakte gewährleisten zu können, werden die Ketten mikrowellenmäßig parallel geschaltet. Gleichzeitig müssen alle Josephsonkontakte in Reihe geschaltet sein. Dieses Problem wird durch sogenannte"dc-Blocks"gelöst, die die Mikrowelle passieren lassen, aber den Gleichstrom sperren. Die entsprechende Mikrowelle mit einer Frequenz von 70 oder 90 GHz werden über einen Hohlleiter und über einen sogenannten Flossenleitungsübergang (finline taper) auf die einzelnen Mikrostreifenleitungen mit den Josephsonkontakten als fortlaufende Welle transformiert. Damit sich auf den Mikrostreifenleitungen eine fortlaufende Welle ausbreiten kann, werden die Mikrostreifenleitungen mit absorbierenden Leitungen (Load) abgeschlossen.

Die Integration der Josephsonkontakte in eine Mikrostreifenleitung hat den Nachteil, daß zusätzlich zur Herstellung der Josephsonkontakte ein dickes Dielektrikum und eine zweite Metallschicht als Ground herzustellen sind. Insbesondere die defektfreie technologische Herstellung des 1, um bis 3 gm dicken Dielektrikums (beispielsweise aus Siliziumdioxid) bereitet große Probleme. Zusätzlich müssen noch die sogenannten"dc-Blocks"technologisch realisiert werden. Das alles bedeutet einen erhöhten herstellungstechnischen Aufwand.

Ein Vorschlag zur Vereinfachung der Technologie ist in S. P. Benz, "Superconductor-normal-supercinductor junctions for programmable voltage standards"Appl. Phys. Lett., Vol 67, No. 18, pp. 2714-2716, Oct.

1995 beschrieben. Hier sind die Josephsonkontakte in den Innenleiter

einer Koplanarleitung (CPW : coplanar waveguide) integriert, die beiden äußeren Masseleitungen der Koplanarleitung bestehen aus reinem supraleitenden Material. Der Nachteil der Herstellung des dicken Dielektrikums entfällt zwar hier, dafür müssen aber bei jeder Krümmung der Koplanarleitung die beiden äußeren Masseleiter kurzgeschlossen werden, um die Anregung unerwünschter Moden zu vermeiden. Dieser notwendige Potentialausgleich wirkt sich deshalb nachteilig aus, weil er zusätzlichen technologischen Aufwand erfordert. Ein weiterer Nachteil sind die auch hier benötigten"dc-Blocks". Der dort zu entnehmende Schaltkreis ist in Segmente aus je 512, 512,1024,2048 und 4096 Josephsonkontakten aufgebaut, die seperat mit Gleichstrom versorgt werden können. Diese bitserielle Einteilung in Segmente aus 2' Josephsonkontakten ist ein neuer Typ von Josephson-Spannungsnormalen, die als programmierbare Josephson- Spannungsnormale bezeichnet werden. Das Prinzip dieses programmierbaren Spannungsnormals besteht darin, daß die Josephsonkontakte jedes Segments in Abhängigkeit von dem jeweils eingestellten Gleichstrom auf der Shapirostufe n=l, n=-1 oder n=0 arbeiten. Die Gesamtspannung ergibt sich dann aus der Summe der Spannungen aller Einzelsegmente, so daß die Gesamtspannung wieder hochgenau und zusätzlich sehr schnell mit der Auflösung des kleinsten Segments einstellbar ist.

Um mit dem programmierbaren Spannungsnormal metrologisch relevante hochgenaue Spannungen bis 10 V erzeugen zu können, sind hier bis 300000 Josephsonkontakte notwendig, was eine hohe Integrationsdichte von Josephsonkontakten erfordert.

Damit tritt ein weiterer Nachteil der hier beschriebenen Methoden zur homogenen Mikrowellenversorgung der Josephonkontakte hervor, nämlich deren geringe Intregrationsdichte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellenschaltkreis anzugeben, bei dem Josephsonkontakte mit einer hohen Integrationsdichte mit einer homogenen Mikrowelle versorgt werden, um beispielsweise hochgenaue Spannungen bis 10 V erzeugen zu können.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Josephsonkontakte in beide Streifenleiter einer koplanaren Streifenleitung (CPS : coplanar strips)

integriert angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner weitere Verwendungen dieses Mikrowellenschaltkreises.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs- beispiele näher erläutert werden. Es zeigen : Fig. l a einen Streifenleiter mit integrierten Josephsonkontakten in einem seitlichen Schnitt, Fig. lb eine koplanare Streifenleitung mit integrierten Josephsonkontakten in Draufsicht, Fig. 1 c die koplanare Streifenleitung mit integrierten Josephsonkontakten nach Fig. lb in einem Schnitt entlang einer Ebene X-X, Fig. 2 ein Beispiel für die Verwendung eines kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreises als Spannungsnormal und Fig. 3 ein weiteres Beispiel für die Verwendung eines kryoelektronischen Mikrowellenschaltkreises als programmierbares Spannungsnormal.

Figur la zeigt einen Streifenleiter mit integrierten Josephsonkontakten 40 in einem seitlichen Schnitt, Figur lb eine koplanare Streifenleitung mit integrierten Josephsonkontakten nach Fig. la in Draufsicht und Fig. Ic einen Schnitt entlang einer Ebene X-X gemäß Fig. lb. Im Beispiel ist auf einem oxidierten Si-Substrat 3 zunächst eine Supraleiterschicht 41 einer Dicke von 150 nm abgeschieden. Darauf sind eine Isolationsschicht 42 einer Dicke von ca. 2 nm und eine weitere Supraleiterschicht 43 einer Dicke von 400 nm zur Bildung der einzelnen Josephsonkontakte 40 mit den schematisch dargestellten Strukturen aufgebracht. Es ist im Rahmen vorliegender Erfindung dabei unerheblich, welche Supraleitermaterialien, ob konventionelle oder HTSL-Supraleiter, zum Einsatz gelangen. Insbesondere können die Josephsonkontakte 40 durch SIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Supraleiter Josephsonkontakte), wie Nb-A1203-Nb, oder SNS-Kontakte (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter Josephsonkontakte), wie Nb-PdAu-Nb, oder SINIS-Kontakte (Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Isolator-Supraleiter Josephson- kontakte), wie Nb-Al203-Al-Al203-Nb, gebildet sein. Die Herstellung

solcher einzelner Josephsonkontakte 40 ist ebenfalls Stand der Technik und bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Ausführung. Für die Erfindung bedeutsam ist jedoch, daß die Josephsonkontakte 40 wenigstens in einer koplanaren Streifenleitung 1 angeordnet sind. Die Beabstandung s der beiden Streifenleiter ist frei wählbar und beträgt im Beispiel 3 u. m. Ebenso ist die Breite w eines Streifenleiters in Grenzen frei wählbar und kann im Beispiel zwischen 1.... 60 pm betragen. Durch die konkrete Wahl vorstehend genannter Parameter ist der Wellenwiderstand und die Dämpfung der koplanaren Streifenleitung einstellbar.

So kann durch entsprechende Wahl der Beabstandung s bspw. zwischen 1 pm... 5, um und der Breite w der Josephsonkontakte die Dämpfung (im Beispiel 0,2 db/cm) und der Wellenwiderstand (im Beispiel 30... 200Q) der koplanaren Streifenleitung eingestellt werden.

Im Beispiel nach den Figuren 1 sind auf beiden Streifenleitern 11,12 der koplanaren Streifenleitung 1 zwischen 1000 bis 20000 Josephsonkontakte 40 vorgesehen. Dabei ist ersichtlich, daß bei gleicher Länge des Wellenleiters doppelt so viele Josephsonkontakte in die koplanare Streifenleitung integrierbar sind, als dies bei vergleichbaren Mikrowellenschaltkreisen nach dem Stand der Technik möglich wäre.

In Figur 2 zeigt schematisch die Verwendung einer koplanaren Streifenleitung 1 mit integrierten Josephsonkontakten als kryoelektronischer Mikrowellenschaltkreis für ein Spannungsnormal. Ein derartiger Mikrowellenschaltkreis ist insbesondere Teil einer Einrichtung zur Erzeugung eines hochpräzisen Spannungsstandards mit Hilfe von Josephsonkontakten. In der schematisch ausgeführten Fig. 2 der Zeichnung nicht dargestellte Teile dieser Einrichtung, wie übliche Kühlmittelbeälter, Mittel zur Frequenzstabilisierung u. a., sind geläufige Fachwissen (vgl. z. B. V. Kose, F. Melchert,"Quantenmaße in der elektrischen Meßtechnik", S. 24-41, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991) und brauchen deshalb hier nicht näher erläutert zu werden. Von einer hochstabilen Mikrowellenquelle 2 mit bspw. 70 GHz wird eine sinusförmige Mikrowelle in die Antenne 21 eingekoppelt, an die sich die koplanare Streifenleitung 1 gemäß der Erfindung anschließt. Am gegenüberliegenden Ende ist die koplanare Streifenleitung 1 mit einer

supraleitenden koplanaren Streifenleitung 6 hoher Dämpfung (Load) abgeschlossen, um Stehwellen zu vermeiden. Die Load ist ihrerseits am Ende kurzgeschlossen, um alle Josephsonkontakte der Streifenleiter 11, 12 gleichstrommäßig in Reihe zu schalten (siehe Pfeile). Die Gesamtspannung wird an den Kontaktflächen 5 abgegriffen, und der Gleichstrom kann an den Kontaktflächen 5 zugeführt werden. Der Vergleich mit einer zu eichenden Spannung erfolgt durch Abgriff des Spannungssignals an den Kontakten 5 und Weiterleitung an ein nicht dargestelltes Nanovoltmeter, entsprechend des Standes der Technik.

Damit steht ein Spannungsnormal zur Erzeugung hochgenauer Spannungen von 1 V bis 10 V zur Verfügung.

Ebensogut läßt sich der vorstehend beschriebene Schaltkreis auch für ir hochpräzise Potentiometer-Einrichtungen mit Josephsonkontakten verwenden.

Um die Josephsonkontakte 40 mit einem ausreichend homogenen Mikrowellenstrom zu speisen, ist es unter Umständen bei sehr vielen Josephsonkontakten (bspw. bei SIS-Kontakten ab 20000) notwendig, die Josephsonkontakte in mehreren parallelen Mikrowellenketten anzuordnen, gleichzeitig müssen die Josephsonkontakte aber in Reihe geschaltet sein. Am Prinzipschaltkreis nach Figur 3 ist erkennbar, daß beispielsweise bei drei kaskadenförmig zueinander in Verbindung stehenden Leistungsteilern 22 und damit vier parallelen Ketten la, lb, 1 e, 1 d die Josephsonkontakte 40 automatisch gleichstrommäßig in Reihe geschalten sind. Damit sind keine Gleichstromunterbrechungen (dc- Block), wie sie bei den anderen beschriebenen Wellenleitern nach dem Stand der Technik erforderlich wären, notwendig.

In Zukunft werden die Josephson-Spannungsnormale eine große Bedeutung erlangen, bei denen sich die hochgenaue Spannung schnell einstellen läßt, und damit auch Wechselspannungen bzw. zeitlich beliebige Spannungsverläufe synthetisierbar sind (vgl. C. A. Hamilton, C. J. Burroughs, S. P. Benz"Josephson Voltage Standard-A Review", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 7, No. 2, pp. 3756-3761, June 1997).

Diese Schaltkreise werden manchmal auch als Josephson-Digital/Analog Wandler bezeichnet.

Bei einem dieser Schaltkreistypen für ein programmierbares Spannungsnormal, wie in Fig. 3 näher dargestellt, sind dazu zusätzliche Gleichstromzuleitungen 4 vorzusehen. Dieser Schaltkreistyp arbeitet dergestalt, daß die Stufenordnung n definiert zeitlich geändert wird (bitserielle Einteilung der Josephsonkontakte).

Ein anderer Schaltkreistyp für ein pulsgetriebenes Spannungsnormal mit Einkopplung einer gepulsten Mikrowelle, basiert auf der definierten zeitlichen Änderung der eingestrahlten Frequenz f. Dabei werden die Josephsonkontakte mit einer programmierten Pulsfolge gespeist. Ein derartiger Schaltkreistyp ist grundsätzlich auch bereits bekannt, (US-PS 5,812,078) oder (vgl. C. A. Hamilton, C. J. Burroughs, S. P. Benz "Josephson Voltage Standard-A Review", IEEE Trans. Appl.

Supercond. Vol. 7, No. 2, pp. 3756-3761, June 1997), läßt sich aber durch vorliegende Erfindung wesentlich einfacher realisieren.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, unter Beibehaltung der vorgeschlagenen koplanaren Streifenleitung 1 bzw. Ketten 1 a, 1 b, 1 c, 1 d, diese z. B. mehrfach gewunden (mäanderformig) auszuführen, zwecks Erreichung einer, möglichst hohen Packungsdichte auf flächenmäßig beschränkten Substraten. Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten parallelen Ausführungen der koplanaren Streifenleitung 1 stellen somit keine Beschränkung der Erfindung auf nur solche Varianten dar.

Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt darin, daß : 1. keine zusätzlichen technologischen Schritte zur Herstellung der Mikrowellentauglichkeit der Schaltkreise benötigt werden, was eine wesentlich vereinfachte Herstellungtechnologie bedingt. Im Gegensatz zum bekannten Stand müssen kein zusätzliches Dielektrikum und keine zusätzliche supraleitende Metallschicht (Ground) hergestellt werden. Es sind keine zusätzlichen Prozeßschritte zum Potentialausgleich erforderlich, wie bei den nach dem Stand der Technik bekannten Koplanarleitungen.

2. sich die Integrationsdichte von Josephsonkontakten verdoppelt,

3. eine geringere Dämpfung zu verzeichnen ist, da bei gleicher Anzahl von Josephsonkontakten, wie nach bekannten Ausführungen des Standes der Technik, die Länge des Wellenleiters um den Faktor zwei verkürzt ist und 4. keine Gleichstromunterbrechnung (dc-Block) notwendig ist.

Bezugszeichenliste -koplanare Streifenleitung mit integrierten Josephsonkontakten 1a, 1b, 1c, 1d - Ketten 11, 12-Streifenleiter mit integrierten Josephson- kontakten der koplanaren Streifenleitung 2-Mikrowellenquelle 3-Substrat 4-Kontaktflächen zur Gleichstromeinspeisung 5-Kontaktflächen zum Spannungsabgriff und Gleichstromeinspeisung 6-supraleitende, absorbierende, koplanare Streifenleitung (6) hoher Dämpfung (Load) 21-Antenne 22-Leistungsteiler 40-Josephsonkontakt 41, 43-Supraleiterschicht 42-Isolationsschicht