Entwicklung von Josephsonschaltungen mit integrierten Flussquanten-Phasenschieberelementen
Final Report Abstract
Die Einzelflussquanten (engl. Rapid Single Flux Quantum - RSFQ)-Elektronik ist derzeit eine etablierte Technologie zur Informationsverarbeitung, die den Josephson-Tunnelkontakt als aktives Schaltelement verwendet. Das Hauptbauelement der RSFQ-Technik ist das Interferometer, das konventionell aus zwei Josephsonkontakten besteht, die durch eine supraleitende Induktivität verbunden sind. Unter der Bedingung: LIc~1,5Φo (2.1) (L - Induktivität des Interferometers, Ic - kritischer Strom des kleinsten Josephsonkontakts des Interferometers und ®o - 2.07mV-ps - das magnetische Flussquant), hat das RSFQInterferometer zwei stabile Energiezustände, die der An- bzw. Abwesenheit eines in der Interferometerschleife gespeicherten magnetischen Flussquants Φo entsprechen. Damit werden die binären '1'- bzw. 'O'-Zustände des RSFQ-Interferometers definiert, auf denen die digitale RSFQ-Logik basiert. Typische Werte der Nb-Technologie von Ic~250µA fuhren in (2.1) zu Werten L~12pH, was im Entwurf als kurze Segmente von Mikrostreifen- bzw. Streifenleitungen realisiert wird. Für einige viel versprechende zukünftige Anwendungen der RSFQ-Technologie (z.B. Ansteuerung von Qubits, Astronomiedetektoren, etc.) müssen die verwendeten kritischen Ströme um einen Faktor von mindesten 10 abgesenkt werden, um die erforderlichen niedrigen Signal- und Rauschpegel zu erreichen. Dementsprechend muss die Induktivität der speichernden Interferometerschleife gemäß (2.1) um den gleichen Faktor erhöht werden, was ein drastisches Anwachsen der Schleifengeometrie eines klassischen Schleifenaufbaus nach sich zieht und zu Anpassungsproblemen zwischen den Josephsonkontakten und der verbindenden supraleitenden Induktivität fuhrt. Diese Schwierigkeiten können effizient überwunden werden, indem die Schleifeninduktivität durch ein neuartiges passives Phasenschiebeelement ersetzt wird. Es besteht aus einer kompakten supraleitenden Schleife, die eine kleine Anzahl n von eingefangenen magnetischen Flussquanten Φ (typisch n = 1) umfasst. Sie resultieren aus der Quantisierung des magnetischen Flusses durch die Schleife bei ihrem Übergang vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand während der Abkühlung (s.g. Initialisierung des Phasenschiebers). Da die Abmessungen des Phasenschiebers unabhängig von der kritischen Stromdichte der Josephsonkontakte ist, nehmen die Abmessungen der gesamten Interferometerschleife mit der Reduzierung der kritischen Ströme kaum zu. - Ein anderer und sehr wichtiger Vorteil dieser Anordnung ist die erhöhte Stabilität des Interferometers, was die Bit-Fehler-Rate der RSFQElektronik bei niedrigen kritischen Strömen wesentlich verbessert. Im Rahmen dieses Projektes wurde die Anwendbarkeit/Implementierbarkeit passiver Phasenschieberelemente in RSFQ-Logikschaltungen untersucht und experimentell überprüft. Entscheidend dafür ist die Entwicklung des Vorgangs, der die gleichzeitige Initialisierung von mehreren Phasenschieberschleifen zuverlässig gewährleistet, ohne die Funktionalität der umliegenden RSFQ-Elektronik zu degenerieren. Diese komplexen Herausforderungen sind mit der Topologie erfüllt. Die Initialisierung erfolgt durch eine zwischen der Grundplatte und der Schleife des Phasenschiebers integrierten Spule, die nur währen des Abkühlprozessen mit einem bestimmtem Gleichstrom II versorgt wird. Der resultierende magnetische Fluss ist mit dem Phasenschieber stark gekoppelt und wird nach seinem Übergang in den supraleitenden Zustand quantisiert und dort eingefroren. Dadurch wird ein entsprechender Kreisstrom in der Phasenschieberschleife erzeugt, der die gewünschte Phasenverschiebung zwischen den Anschlusspunkten des Phasenschiebers definiert. Diese Schaltung wurde sowohl mit konventioneller (jc = 1kA/cm2 ) als auch mit reduzierter (jc = 100A/cm2) kritischer Stromdichte der Josephsonkontakte in der Nb-Technologie realisiert. Um ihre Anwendbarkeit in leistungsfähigen digitalen RSFQ Schaltungen nachzuweisen, wurden die maximale Operationsgeschwindigkeit und Bit-Fehler-Rate als Kriterien ausgewählt und mittels speziell dazu entwickelter Testumgebungen experimentell untersucht. Die korrekte Funktionsweise des TFFs wurde bei Taktfrequenzen bis zu der charakteristischen Frequenz der verwendeten Nb-Technologie demonstriert; die erreichte Bit-Fehler-Rate war ausreichend niedrig und nicht größer als die Bit-Fehler-Rate eines konventionellen TFFs, welches mit dieser Herstellungstechnologie bereits früher realisiert wurde. Die Ergebnisse weisen prinzipiell nach, dass die Implementierung des entwickelten Phasenschiebers keinerlei negative Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit der RSFQ-Elektronik hat und damit keine Beschränkungen für seine Einbindung in ultra-schnelle digitale RSFQSchaltungen bestehen. Weiterhin wurde die Integrierbarkeit des vorgeschlagenen Phasenschiebers im RSFQ-Design-Prozess untersucht. Dafür wurde ein 2-Bit RSFQ Zähler entwickelt, der aus zwei TFF besteht, wobei die beiden Phasenschieber mit einer gemeinsamen Spule gleichzeitig initialisiert wurden. Die gesamte Testschaltung wurde mit einer Stromdichte von jc = 100A/cm2 der Josephsonkontakte hergestellt und erfolgreich getestet. Mit einer gesamten Anzahl von 55 Josephsonkontakten ist sie weltweit die komplexeste digitale RSFQ-Schaltung, die bisher mit so niedriger Stromdichte erfolgreich realisiert wurde! Die erreichte ultimative Operationsgeschwindigkeit, die ausreichend niedrige Bit-Fehler-Rate und die Integrierbarkeit der im Projekt entwickelten und getesteten Schaltungen haben die Anwendbarkeit des neuartigen Phasenschiebers in komplexen und leistungsfähigen digitalen RSFQ-Schaltungen experimentell bestätigt. Damit ist eine neue Qualität in der technischphysikalischen Basis sowie ein Entwurf zukünftiger RSFQ-Elektronik bei reduzierter kritischer Stromdichte der Josephsonkontakte erreicht und nachgewiesen worden.
Publications
- O. Mielke, Th. Ortlepp, B. Dimov, F. H. Uhlmann, "Phase Engineering Techniques in Superconducting Quantum Electronics," 8th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS 2007, 16.-20.09.2007, Brussels, Belgium
- B. Dimov, "Superconductive Phase Shifting within the RSFQ Digital Circuits," 3rd RSFQ design workshop, 19.-20.09.2005, Ilmenau, Germany
- B. Dimov, "Towards the Implementation of Superconductive Phase Shifters in High- Speed Complex RSFQ Digital Circuits," 4th RSFQ design workshop, 23.-25.09.2007, Ilmenau, Germany
- B. Dimov, D. Balashov, M. Khabipov, A. B. Zorin, Th. Ortlepp, D. Hagedorn, F.-Im. Buchholz, F. H. Uhlmann, J. Niemeyer, "RSFQ Digital Devices Including a Tc-shifter," Tagung Kryoelektronische Bauelemente KRYO'05, 09.-11.10.2005, Bad Herrenalb, Germany
- B. Dimov, D. Balashov, M. Khabipov, Th. Ortlepp, F.-Im. Buchholz, A. B. Zorin, J, Niemeyer, F. H. Uhlmann, "Implementation of Superconductive Passive Phase Shifters in High-Speed Integrated RSFQ Digital Circuits," 8th European Conference on Applied Superconductivity EVCAS 2007, 16.-20.09.2007, Brussels, Belgium
- B. Dimov, D. Balashov, M. Khabipov, Th. Ortlepp, F.-Im. Buchholz, A. B. Zorin, J. Niemeyer, F. H. Uhlmann, "RSFQ Digital Electronics with Superconductive Passive Phase Shifters - a High-Speed Test," Tagung Kryoelektronische Bauelemente KRYO'07, 03.- 05.10.2007, Herrsching am Ammersee, Germany
- B. Dimov, D. Balashov, M. Khabipov, Th. Ortlepp, F.-Im. Buchholz, A. B. Zorin, J. Niemeyer, F. H. Uhlmann, "Superconductive passive phase shifter for integrated RSFQ digital circuits," International Superconductive Electronics Conference ISEC'07, 10.- 14.06.2007, Washington, DC, USA
- B. Dimov, D. Balashov, M. Khabipov, Th. Ortlepp, F.-Im. Buchholz, A. B. Zorin, J. Niemeyer, F. H. Uhlmann, "Superconductive passive phase shifter for integrated RSFQ digital circuits," Supercond. Sei. Technoi, vol. 20, pp. S332-S335, 2007
- B. Dimov, F. H. Uhlmann, "Phase-Drop Realization within RSFQ Digital Circuits with Reduced Critical Current Density," Tagung Kryoelektronische Bauelemente KRYO'05, 09.-11.10.2005, Bad Herrenalb, Germany
- B. Dimov, Th. Ortlepp, F. H. Uhlmann, "Phase-Drop Realization within RSFQ Digital Circuits with Reduced Josephson Current Density," Applied Superconductivity Conference ASC 2006, 27.08.-01.09.2006, Seattle, USA
- B. Dimov, Th. Ortlepp, F. H. Uhlmann, "Phase-Drop Realization within RSFQ Digital Circuits with Reduced Josephson Current Density," IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.17, pp.613-616,2007
- B. Dimov, Th. Ortlepp, F. H. Uhlmann, "The Josephson Inductance as a Phase- Dropping Element within RSFQ Digital Circuits," Tagung Kryoelektronische Bauelemente KRYO'06, 03.-05.10.2006, Jena/Gabelbach, Germany
- B. Dimov, V. Mladenov, Th. Ortlepp, M. Kuilekov, F. H. Uhlmann, "Modeling of the Magnetic Coupling between Superconductive and Normal Conductive Microstructures by Varying Temperature," XIV, International Symposium on Theoretical Electrical Engineering ISTET, 20.-23.6.2007, Szczecin/Poland
- D. Balashov, "Superconductive Phase Shifter for RSFQ Digital Circuits," 4th RSFQ design workshop, 23.-25.09.2007, Ilmenau, Germany
- D. Balashov, B. Dimov, M. Khabipov, Th. Ortlepp, A. B. Zorin, F.-Im. Buchholz, F. H. Uhlmann, J. Niemeyer, "Frozen-flux-quanta phase shifter for integrated RSFQ-qubit circuit applications," Tagung Kryoelektronische Bauelemente KRYO'06, 03.-05.10.2006, Jena/Gabelbach, Germany
- D. Balashov, B. Dimov, M. Khabipov, Th. Ortlepp, D. Hagedorn, A. B. Zorin, F.-Im. Buchholz, F. H. Uhlmann, J. Niemeyer, "Passive Phase Shifter for Superconducting Josephson Circuits," Applied Superconductivity Conference ASC 2006, 27.08.-01.09.2006, Seattle, USA
- D. Balashov, B. Dimov, M. Khabipov, Th. Ortlepp, D. Hagedorn, A. B. Zorin, F.-Im.Buchholz, F. H. Uhlmann, J. Niemeyer, "Passive Phase Shifter for Superconducting Josephson Circuits," IEEE Trans. Appl Supercond., vol.17, pp.142-145, 2007
- D. Balashov, M. Khabipov, D. Hagedorn, A. B. Zorin, F.-Im. Buchholz, J. Niemeyer, B. Dimov, Th. Ortlepp, F. H. Uhlmann, "Frozen-flux-quanta phase shifter for digital Josephson circuits," DPG Treffen 2006, Dresden, 27.03.-31.03.2006
- Th. Ortlepp, B. Dimov, J. Kunert, H.-G. Meyer, P. Febvre, F. H. Uhlmann, "Experimental analysis of a new generation of compact Josephson-inductance-based RSFQ Circuits," International Superconductive Electronics Conference ISEC'07, 10.-14.06.2007, Washington, DC, USA
