[论文解读] Study of microwave resonances induced by bias lines of shunted Josephson junctions

Uğur Yılmaz, Sasan Razmkhah+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于T模型的电学仿真方法，用于预测并抑制采用1 kA/cm² RSFQ铌工艺制造的并联约瑟夫森结中由偏置线引起的微波共振。通过将提取的电感和电容参数集成到SPICE网表中，并使用JSIM进行仿真，该模型准确预测了230 GHz的共振，且表明在结附近放置1–10 Ω的串联电阻可有效抑制不必要的共振，同时保持结的性能不受影响。

ABSTRACT

Bias lines routed over a ground plane naturally form microstrip lines associated with the presence of a capacitance. This can lead to unwanted resonances when coupled to Josephson junctions. This work presents an electrical model of a shunted Josephson junction with its bias lines and pads, fabricated with the 1 kA/cm$^2$ RSFQ niobium process of the FLUXONICS Foundry. A compact LCL T-model is used to simulate the microwave behavior of the bias line, predict resonances and design resonance-free superconducting circuits. The I-V characteristics of three shunted Josephson junctions have been obtained from time-domain simulations done with JSIM and show a good match with the global behavior and experimentally observed resonance at 230 GHz, measured at 4.2 K. The influence of the position and value of a series resistor placed on bias lines is studied to damp unwanted resonances at the junction.

研究动机与目标

• 解决偏置线在地平面之上形成微带线而引起的超导电路中不必要的微波共振问题。
• 为带有偏置线和焊盘的并联约瑟夫森结开发一种紧凑、SPICE兼容的等效电路模型，以实现高频仿真的高精度。
• 在4.2 K下，通过与实验测得的I-V特性对比，验证该模型的准确性。
• 识别出用于抑制共振而不降低结性能的最优电阻位置和阻值。
• 通过标准设计工具实现高速RSFQ电路的无共振设计。

提出的方法

• 使用InductEx工具并辅以人工提取方法，从物理版图中提取电感和电容参数。
• 基于25 µm长的版图切片，构建表示偏置线微带结构的集总元件T模型，参数由实际结构提取。
• 使用JSIM仿真器将模型实现为SPICE网表，其中包含约瑟夫森结的紧凑物理模型。
• 对I-V特性进行时域仿真，并与4.2 K下的实验测量结果进行比较。
• 系统性地改变仿真中串联阻尼电阻的位置和阻值，以评估其对共振抑制的效果。
• 利用该模型预测共振频率，并评估结参数对共振行为的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 紧凑的T模型能否准确预测并联约瑟夫森结中由偏置线引起的微波共振？
• RQ2 串联电阻的阻值和位置如何影响偏置线中不必要的共振的阻尼效果？
• RQ3 在4.2 K下，仿真得到的I-V特性与实验数据的吻合程度如何，特别是在230 GHz共振附近？
• RQ4 为抑制共振并保持结功能，最优的电阻值和位置是什么？
• RQ5 该模型能否集成到标准的RSFQ设计流程中，以实现对共振敏感的电路设计？

主要发现

• T模型准确预测了230 GHz的共振，与具有Ic = 300 µA、Rshunt = 1.47 Ω和Cshunt = 1.5 pF的结的实验测量结果一致。
• 仿真显示I-V曲线存在显著的滞后现象，这是由于JSIM结模型中未包含准粒子电流和近邻效应，可能无法完全反映真实行为。
• 将1–10 Ω的串联电阻尽可能靠近约瑟夫森结放置，可实现最有效的共振阻尼。
• 阻值≥并联电阻（1.47 Ω）的电阻最为有效，阻值越高，阻尼效果越强，但会降低IcRn乘积。
• 该模型可实现对RSFQ电路中由共振引起的扰动的初步预测，并支持使用标准仿真工具实现无共振设计。
• 该方法在三个临界电流分别为200 µA、250 µA和300 µA的结上得到验证，仿真与测量结果具有良好一致性。