バイアス電源の高電圧化による単一磁束量子回路の高速化の検討

摘要

We investigate to speed up operating speed of single-flux-quantum circuits by applying higher bias voltage, which supply power to the circuits. Every bias current is supplied to each Josephson junction through a bias resistor connected to a constant-voltage power source in typical single-flux-quantum circuits. An insufficient bias voltage source, however, does not perform a virtual constant-current source, and makes slower switching of junctions. Our numerical simulations show that the switching speed is saturated for the bias voltage of ～100I_cR_s, where I_c and R_s are critical current of junction and shunt resistance, respectively. It is also shown that larger parasitic inductance in series to bias resistors increase switching speeds, but also can limit clock frequencies due to larger time constant. We measured delay times using ring oscillators powered by several bias voltages. The measured results agree well with the numerical prediction.%本稿では、単一磁束量子回路に電源として供給するバイアス電源電圧を高めることにより、回路の高 速化を行うことを検討する。単一磁束量子回路を動作させるためのバイアス電流は、通常定電圧源に接続したバイアス抵抗を介してジョセフソン接合に供給されるが、バイアス電圧が十分高くないと定電流源として機能せず、スイッチ時間の増大が起きる。回路シミュレーションによる解析から、I_cR_s積（接合の臨界電流値とシャント抵抗の積）のおよそ100 倍のバイアス電圧でスイッチ速度が飽和することが明らかとなった。また、バイアス抵抗に直列な寄生インダクタンス成分を増やすと、スイッチ速度はさらに高速化されるが、同時に時定数によりクロック周期が制限されることも分かった。バイアス電源電圧の異なるリング発振器を試作し、遅延時間を測定したところ、シミュレーション結果とよく一致する結果が得られた。