Simulations of Josephson junction arrays driven with a mode-locked laser
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2020-12-15
Department
Major/Subject
Engineering Physics
Mcode
SCI3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
91
Series
Abstract
Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) can generate arbitrary voltage waveforms with ultimate accuracy due to signal quantization. This work presents simulations aiming to improve JAWS and has been carried out at VTT Technical Research Centre of Finland as a part of a project that aims to develop an optically driven JAWS. The goal is to develop an optical pulse pattern generator and to demonstrate the operation of Josephson junction arrays (JJAs) driven with optical pulses. In the future, the setup can be used to produce arbitrary pulse patterns which allows the generation of arbitrary voltage waveforms. The optical pulses are converted into electrical ones at cryogenic temperatures. The pulse shapes should be maintained to ensure the reliable operation of JAWS, which motivates simulations of transmission line effects. We measured two JJA samples and studied them using simulations with a single Josephson junction model and a more realistic JJA model. The simulated systems were varied in order to study transmission line effects. The effects of impedance tapering of the coplanar waveguide (CPW), adding a passive transmission line and distorting the pulse shapes were studied. In addition, measurement data was compared to the results of various simulations. The simulation results showed that the Josephson junction dynamics could not alone explain the measurement data and that transmission line effects influenced the data. The results indicated that improving the impedance tapering of the CPWs would reduce the current pulse reflections in the JJAs. The effect of reflections became even more significant when a passive transmission line was added. The results illustrated that the distortion in the current pulse shapes can affect the average voltage values across the JJAs. Therefore, it would be beneficial to improve the transmission lines of the measurement setup. In conclusion, the simulation results presented in this thesis helped to identify possible improvements to the system for the future JAWS operation.Josephson-liitoksiin perustuva mielivaltaisen aaltomuodon syntetisaattori (Josephson arbitrary waveform synthesizer, JAWS) on laite, jonka avulla pyritään tuottamaan tarkkoja, mielivaltaisia jänniteaaltomuotoja. Tämä diplomityö esittelee simulaatioita, joiden tavoitteena on parantaa JAWS-laitetta. Työ on tehty Teknologian tutkimuskeskus VTT:llä osana projektia, jossa tavoitteena on suunnitella optinen pulssigeneraattori ja testata Josephson-liitosketjun (Josephson junction array, JJA) ohjaamista optisilla pulsseilla, jotka muutetaan sähköisiksi valodiodin avulla. Tulevaisuudessa optisella laitteistolla voidaan tuottaa mielivaltaisia pulssijonoja, mikä mahdollistaa mielivaltaisen kvantittuneen jännitesignaalin tuottamisen. Varsinkin jos pulssitaajuutta vielä nostetaan, on tärkeää, etteivät pulssien muodot vääristy mittausjärjestelyssä tai JJA:ssa. Sen vuoksi simulaatioissa keskityttiin erityisesti mittausjärjestelyn ja JJA:n siirtolinjaominaisuuksiin. Projektissa mitattiin kaksi JJA-näytettä. Simulaatioissa käytettiin kahta mallia, yhden Josephson-liitoksen mallia ja realistisempaa JJA-mallia, jota muunneltiin siirtolinjaominaisuuksien tutkimiseksi. Simulaatioissa tarkasteltiin esimerkiksi, miten liitosketjun siirtolinjan karakteristisen impedanssin asteittainen pienentäminen, passiivisen siirtolinjan lisääminen tai pulssien muodon vääristyminen vaikuttavat tuloksiin. Simulaatioiden tuloksia verrattiin mittausdataan. Tulosten avulla pääteltiin, että Josephson-liitosten ominaisuuksien lisäksi mittaustuloksiin ovat vaikuttaneet merkittävästi mittausjärjestelyn ja JJA:n siirtolinjaheijastukset. Virtapulssien heijastusten määrä JJA:ssa väheni liitosketjun siirtolinjan impedanssin pienennyksen toteutusta parantamalla. Sen sijaan heijastusten vaikutus kasvoi, kun simulaatiomalliin lisättiin passiivinen siirtolinja. Tulokset osoittivat, että pulssien muodon vääristyminen voi vaikuttaa jännitteen arvoon liitosketjun yli. Tulosten perusteella sekä mittausjärjestelyä että JJA-näytteitä voidaan merkittävästi parantaa huolellisemmalla suunnittelulla.Description
Supervisor
Möttönen, MikkoThesis advisor
Kemppinen, AnttiMykkänen, Emma
Keywords
superconductivity, Josephson junction, pulse-driven Josephson voltage standard, Josephson arbitrary waveform synthesizer