(57)【要約】【解決手段】Ａ／Ｄコンバータで、アナログ電圧シグナルをデジタル表現に高速に変換することためのシステムと方法が提供される。この発明は、Ｎ本の超伝導、好ましくはＨＴＣの、伝送線で製造されたＮビットのＡ／Ｄコンバータが教示される。Ｎ本の線は各々と並列に、かつ、隣接して配置される。各ラインには、２Ｎ−１個のジョセフソン接合素子が直列に埋め込まれている。前記ジョセフソン接合素子は前記Ｎ本の超伝導伝送線の構成上にマトリックスを構成し、前記ジョセフソン接合素子を、Ｎ桁のバイナリ番号をＸ方向に沿って生成し、さらに前記Ｎ桁のバイナリ番号がＹ方向に沿って整数順に並ぶように、置くものである。走査用電子ビームがこの配列に当てられるために生成される。このビームは、前記線を横切る方向に高周波数で走査され、適用された電圧信号によって線に沿う方向に偏向される。前記電子ビームはジョセフソン接合素子の一つに当たる状態で前記Ｎ本の超伝導伝送線のいずれか１つの上で電圧ステップを生成する。このようにビームを交差走査することで、Ｎビットステップの電圧パターンが前記線上に生成される。前記パターンは入力電圧信号の直接的なデジタル読取値となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧信号のサイズに関する情報を得るシステムであって、
始点を有する超伝導伝送線と、
１又は２以上のジョセフソン接合素子であって、前記超伝導伝送線に埋め込まれ、前記始点から所定の間隔で並んでいる、前記ジョセフソン接合素子と、
電子ビームであって、前記超伝導伝送線に当てられるものであり、この電子ビームは電圧信号の大きさに比例する量だけ超伝導伝送線の方向に沿って変位するように受光されるものであり、そして、前記電子ビームは、前記１以上ジョセフソン接合素子のうちのいずれか１つに当たる状態で、前記超伝導伝送線上に電圧ステップを生成するものである、前記電子ビームと
を有するシステム。
【請求項２】
請求項１のシステムであって、更に、
Ｎ−１本の追加の超伝導伝送線であって、このＮ−１本の追加の超伝導伝送線は、近接して配置され、実質的にお互いに並行であり、前記超伝導伝送線と共に、Ｎ本の実質的に同一の超伝導伝送線からなる構成を与え、その構成は２つの特徴的な方向、すなわち前記伝送線に沿う方向のＹ方向と、伝送線を横切るＸ方向を有する、前記追加の伝送線と、
Ｎ本の超伝導線構成上に埋め込まれたジョセフソン接合素子のマトリックスであって、このマトリックスは、Ｎ本の超伝導線の各一上の２Ｎ−１個のジョセフソン接合素子から形成され、ここで、前記ジョセフソン接合素子は、Ｎ桁のバイナリ番号がＸ方向に沿って、さらに前記Ｎ桁のバイナリ番号がＹ方向に沿って数値順に並ぶようになっている、マトリックスと、
電子ビームが周期的にＮ本の超伝導伝送線のそれぞれに当たるよう、前記電子ビームをｘ方向に偏向させる電圧走査と
からなる。
【請求項３】
請求項２記載のシステムにおいて、前記超伝導伝送線は、ＨＴＣ超伝導体材料で形成されているシステム。
【請求項４】
請求項３記載のシステムにおいて、
前記ＨＴＣ超伝導体材料が抵抗なしで電流を導通させる環境を提供する冷却サブシステムと、
吸引装置システムをさらに有する電子ビーム・サブシステムと
をさらに有するシステム。
【請求項５】
時間変動電圧信号のＮビットのデジタルサンプルを採る方法であって、
Ｎ本の超伝導伝送線を供給する工程であって、このＮ本の追加の超伝導伝送線は、互いに近接して配置され、実質的に互いに並行であり、２つの特徴的な方向、すなわち前記伝送線に沿う方向のＹ方向と、伝送線を横切るＸ方向とを有する構成を与えるものである、前記工程と、
Ｎ本の各超伝導線構成上に連続的に２Ｎ−１個のジョセフソン接合素子を埋め込む工程であって、前記ジョセフソン接合素子は前記Ｎ本の超伝導伝送線の構成上にマトリックスを構成し、前記ジョセフソン接合素子を、Ｎ桁のバイナリ番号をＸ方向に沿って生成し、さらに前記Ｎ桁のバイナリ番号がＹ方向に沿って整数順に並ぶように、置くものである、前記工程と、
前記Ｎ本の超伝導伝送線の配列上に電子ビームを当てる工程であって、前記電子ビームは走査電圧によってＸ方向に偏向され、前記電子ビームは周期的にＮ本の超伝導伝送線のそれぞれに当たるようになっており、前記電子ビームはまた時間変動電圧信号のサイズに比例してＹ方向に偏向されるように受光され、前記電子ビームはジョセフソン接合素子の一つに当たる状態で前記Ｎ本の超伝導伝送線のいずれか１つの上で電圧ステップを生成し、これによりＮ本の線上の前記電圧ステップは前記時間変動電圧信号をデジタル的に表すものとなる、前記工程と、
を有する方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、超伝導伝送線を構成するためのＨＴＣ超伝導体材料を選択する工程をさらに含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナログ−ディジタル変換に関し、特に、高速アナログディジタル変換のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルプロセシングの進歩は、科学・技術およびデジタル処理アプリケーションにおける多くの努力にかなりの衝撃を与えている。デジタル方式の機器の能力を利用し処理するために高速のアナログ信号をデジタル表現に変換する必要がある場合が多くある。キーとなる要素は、多くのシステムの重大なフロントエンドであるアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄコンバータ）として知られているデバイスである。しかし、Ａ／Ｄコンバータの性能はデジタル方式の処理装置より劣るため、それが、多数のアプリケーションについて、完全なデジタル化を図る上での障害となっている。
【０００３】
約１０ビットを超える分解能で、３０ＭＨｚ〜３ＧＨｚの間で動作するＡ／Ｄコンバータが望まれている。これらのＡ／Ｄコンバータは、レーダのフロントエンド、妨害レシーバ、画像処理、ＨＤＴＶ、その他の、構成要素として使用することができる。従来の半導体素子は、周知のシステム上の制限を有していたため、上記で要求される性能を満たすことができない。たとえば、現在のシリコンバイポーラ技術では１ＧＨｚで４ビット分解能を達成し、ガリウム砒素異質接合バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ）では１ＧＨｚで６ビット分解能を達成すると予測される。これは、ジョゼフソン接合（ＪＪ）技術が、最新のデジタルシステムに必要な性能を発揮する可能性が最も高いという余地を残すものである。液体Ｈｅ温度で作動する最速のジョゼフソン接合フラッシュＡ／Ｄコンバータは、１ＧＨｚで６ビット、１０ＧＨｚで３ビットを達成した。これらの低臨界温度（Ｔｃ）回路は、高Ｔｃ（ＨＴＣ）超電導を使用して再現することができない高い非線形を有する高品質のジョゼフソン接合を必要とする。従って、多くの周知の低Ｔｃジョセフソン接合回路およびその概念は、ＨＴＣ超電導内では実行できないと考えられる。したがって、この種の周知の技術が能力レベルにおいて基本的限界に達すると結論することは妥当であり、そして、新規な方法を追求することは正当化でありかつタイムリである。
【０００４】
したがって、従来の低Ｔｃジョセフソン接合素子を使用する事によって可能であると考えられていたよりも高い能力レベルのオーダを生成するＨＴＣ超電導に基づく、新しいＡ／Ｄ変換システムおよび方法に対する技術のニーズは以前として残る。特に、１０ビットの分解能で１０ＧＨｚを上回る帯域幅の能力を有するＡ／Ｄ変換システムに対するニーズがあり、そして、それは従来周知の技術によっては成し遂げることが不可能である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従来技術の、上記で議論され、及びその他の問題および欠陥は、本発明のＡ／Ｄコンバータとして公知の、アナログ電圧信号をデジタル表現に変換するためのシステムと方法によるいくつかの方法や装置によって克服されるかまたは軽減される。
【０００６】
本発明は、Ｎ本の超伝導、好ましくはＨＴＣの、伝送線によって作成されたＮ-ビットＡ／Ｄコンバータを教示する。前記Ｎ本の線は、互いに並列かつ近接して配置される。各線上には、２Ｎ-１個のジョセフソン接合素子が直列的に埋め込まれる。従って、ジョセフソン接合素子は、Ｎ本の超伝導伝送線の構成上にマトリックスを構成し、それによって、前記伝送線を横切る方向に前記ジョセフソン接合素子がＮ桁の２進数を与え、長さ方向に沿って前記Ｎ桁の２進数が整数順に並ぶ。走査電子ビームが、この装置に当てるために生成される。このビームは高周波数で伝送線全体を横切ってスキャンされ、その一方で、それは印加電圧により線方向に沿って偏向される。ビームは、Ｎ個の伝送線の各線に電圧ステップを発生させ、Ｎ個のジョセフソン接合素子のいずれか１つを打つ状態にする。このようにして、各ビームの交さ走査により、Ｎビットステップの電圧パターンがその伝送線上に生成される。このパターンは、入力電圧シグナルの直接の読み取り数値となる。
【０００７】
上記の議論されたおよびその他本発明の特徴および効果は、以下の詳細な説明および図面から当業者によって理解されるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本願明細書では、従来の低Ｔｃジョゼフソン接合（ＪＪ）素子を使用して可能であると思われていたものよりも高いパフォーマンス・レベル・オーダーを生成することができるＨＴＣ超電導弱リンク素子に基づく新規なＡ／Ｄコンバータ・システム及び方法が、開示される。このシステムは、２つの現象に依存する。第１に、電子ビームが数ＧＨｚ周波数範囲内で偏向可能であること。第２に、ジョーゼフスン接合素子（ＪＪ）は、適当な電子ビームが当たることで電圧状態に変換されること。この超高性能のＡ／Ｄコンバータは、電子ビームのインタラクションを、超伝導素子及び回路とともに利用する。特に、本願明細書において開示されたシステム及び方法は、１０ＧＨｚを上回る帯域幅で、電子ビームを偏向させることができ、１０ビットの分解能で１０ＧＨｚ帯域幅の性能を有するＡ／Ｄコンバータを提供できる。これは、従来の技術によって成し遂げるのが不可能であったものである。このハイブリッドのシステムは、また、超伝導伝送線の重要な低分離性という性質と、ＨＴＣ弱リンクの超高速スイッチングによる利益を受ける。１の実施例において、５００ＭＨｚから１ＧＨｚのアナログ帯域幅を有する１２ビットＡ／Ｄコンバータが、実現可能である。これは、他の技術によれば高いオーダーである。他の実施例ではＡ／Ｄコンバータの性能を、１２のビットで１０ＧＨｚの性能まで向上させることが出来る。
【０００９】
エネルギを有する電子ビームによって励起された場合、ジョゼフソン接合素子は、０電圧状態から有限の電圧状態にスイッチされる事は、よく知られている。このビームは、ジョーゼフスン電流を抑制する準粒子を生成する。図１は弱リンク・タイプのジョセフソン接合素子の現在の電圧特性であり、それは臨界電流Ｊｏを有し、それは、電流Ｉｇでバイアスされた電流である。電子ビームが印加された場合、ＪｏはＩ’ｏ（Ｉｇのより低い）に抑制され、素子を０電圧状態からＶｏまで切替えさせる。この素子は、電子ビーム励起を除去すると、０電圧状態にリセットされる。弱リンク・タイプ・ジョセフソン接合素子のスイッチング・スピードは、サブピコ秒のレンジであることは周知である。これを達成するために、電子ビームのエネルギーＥｅは、同時に、ジョーゼフスン・エネルギーＥｊ＝ＩｏＭｏ／２Ｂのオーダーになければならならず、ここでＥｅは超伝導凝結エネルギーよりも非常に小さくなければならない。ジョゼフソン素子を使用した場合、Ｉｏを０．１〜ＩｍＡの範囲に、そして、電子ビーム電流及び電圧をそれぞれ、数μＡ及び数ＫＶに、そして、ビーム励起パルス周期を１−１０のピコ秒値域にするという条件は容易に満たすことができる。
【００１０】
図２は、本願明細書において開示される複数ビットＡ／Ｄコンバータ・システムの構成要素としての伝送線２０を示すものである。この伝送線２０は、複数のジョセフソン接合２２を連続的に含む（図２の断面によって示されるように）非分散ＨＴＣ超伝導伝送線である。伝送線２０は一般にＺｏの特性インピーダンス効果（数オーム）があり、そして、両端でマッチ（ｍａｔｃｈｅｄ）されている。電流供給はIgでジョセフソン接合をバイアスし、そして、上に示したように、電子ビームがこれらの接合のいずれか一つにヒットした場合に、電圧パルスＶｏが生成され、線の出力端部に送られる。この伝送線は、左から右へ信号の伝達遅れ時間Tを定義する長さＬを有し、ここで、Ｔは、Ｖｐが伝送線位相速度であり、実際的な状況において、光速の１／３に等しい場合に、Ｔ＝Ｌ／ｖｐである。伝達遅れ時間は、一般にＡ／Ｄコンバータの分解能の帯域幅およびビットを制限する。
【００１１】
したがって、Ａ／Ｄコンバータは図２で示したＮ本の伝送線２０を含む。動作原理は図３に示され、この実施例では３ビットのＡ／Ｄコンバータ３０が示されている。この場合、３本の伝送線３２ａ、３２ｂおよび３２ｃは、各々に隣接して配置されており、クロストークを最小にするために適切な距離だけ離間している。これらの伝送線３２ａ、３２ｂおよび３２ｃはＹ方向に沿って設けられ、電子ビームはＸ方向に沿ってスィープまたはスキャンにされる。また、図３に示されるのは、２３または８本の、Ｙ０からＹ７によって示される行である。ＸＹ平面において、８つの行および３つのカラム（３つの伝送線３２ａ、３２ｂおよび３２ｃ）を有するマトリックスが形成される。各行の位置を表示しているビット・パターンは、各行のジョゼフソン接合（Ｘ）の番号によって示される。たとえば、第１の行、Ｙｏは、ジョセフソン接合素子を有さず、Ｙｏ位置を表示しているビット・パターンは（０、０、０）である。他方で、Ｙ７は３つのジョセフソン接合素子を有し、そして、ビット・パターンは（１、１、１）である。Ａ／Ｄコンバータ機能を達成するため、これは、非常に速くＸＹ平面方向で電子ビームをスキャンする能力を利用する。２０ＧHZに近づく帯域幅の電子ビーム偏向が可能である。Ｘ方向において、電子ビームはサンプリング周波数ｆｓ（ｆｓ>１０ＧHｚ）で、連続的にスィープされる。入力アナログ信号がＹ偏向システムに印加され、ビームをY方向に、入力アナログ信号の値に応じて、ＹｏからＹ７の間の位置に向かって、偏向させる。たとえば、入力アナログ信号がゼロである場合、電子ビームは第1の行（Ｙｏ）を横切ってＸ方向にスィープされ、そして、この場合、この行にはジョゼフソン接合がないので、３つのラインの出力電圧はビット・パターン（０．０．０）である。入力電圧が最も高い場合、ビームは、第８の行（Ｙ７）を横切ることができるようにＹ方向に偏向させられ、そして、３つのジョゼフソン接合がスイッチングを行い（図１および２に従って）、そして、出力はビット・パターン（１、１、１）である。もちろん、値がゼロと最高値の間にある場合、ビームは他の行を横切ってスィープすることになる。アナログ信号が変化するにつれて、出力ビット・パターンはサンプリング周波数ｆｓでそれを反映するために変わる。本願明細書において当業者によって理解されるべきことは、ジョセフソン接合素子が"１"に割当てられそして"０"を無効にするように割り当てられるか、若しくはその逆に割当てられるかということは、任意であるということである。
【００１２】
前記３ビットＡ／Ｄコンバータ３０は、明らかに超伝導伝送線のゼロ抵抗及び非分散品質、前記ジョゼフソン接合の極めて高いスイッチング・スピードおよびＸＹ方向に数ＧＨｚで電子ビームを偏向させる能力に依存している。
【００１３】
図４において、Ｎビットの一般的なＡ／Ｄコンバータ４０が示される。ここでは、当然、Ｎ本の伝送線４２ａ、４２ｂ、４２ｃ．．．４２Ｎ−１が必要である。前記行は周期ｐで、ジョセフソン接合素子の長さで繰り返し、そして、それはまたボイド、すなわちジョセフソン接合素子のないラインの最も短い部分、の部分の長さである。各伝送線の全長は、Ｌ＝ｐ２Ｎである。この関係は、Ｌが一定に保たれる場合、ｐの値が減少するにつれて、ビットの数が増加し、それによってより広いアナログ帯域幅が許容される。アナログ帯域幅は、伝送線４２中の信号の伝搬遅延Ｔによって制限され、それは伝送線の長さに関連する。Ａ／Ｄコンバータ４０の帯域幅は、ＢＷ＝１／２Ｔで表すことができる。
【００１４】
サンプリング周波数は、電子ビームがＸ方向にスィープされる周波数であり、それは、システムの最大性能を決定するものである。システムの最大アナログ帯域幅ＢＷは、１／２ｆｓを超えることができない。図５に示すように、Ａ／Ｄコンバータの性能は、３つの線若しくは領域によって一般的に区画される。
【００１５】
平坦な領域は、Ｙ-方向の電子ビーム偏向帯域幅、ｆｓおよびＢＷ＝ｆｓ／２という関係によってに制限される。サンプリング間隔がほぼ３Ｔより長い場合に限り、アナログ帯域幅ＢＷ＝ｆｓ／２は分解度を表すビットから独立している。Ｐ＝０．５ミクロンでビーム・サイズが直径０．５ミクロンに等しい場合、ｆｓ＝２０ＧＨＺは最大アナログ帯域幅１０ＧＨＺと最大ビット番号Ｎ＝１３を与える。
【００１６】
光は領域を制限し、すなわち、Ｎ>１３の場合、帯域幅はビットの数に対して以下の公式に示すように関連する：ＢＷ＝（ｃ／２ｎｐ）ｘ（１／２Ｎ）ここで、ｃは光の速度であり、ｎはｃと比べて伝送線位相速度がどれくらい遅いかを反映するもので、個々では３であると過程され、そして、ｐはピッチである。この式から、１ＧＨｚのＢＷで、Ｎ＝１７ビットのものを得る。
【００１７】
前記数式では、伝送線長さは無限に長くはないことから、図５に示す最大長さに関する限界が与えられる。経験による直感、マイクロ素子の製造のような実務的な制約、電子ビーム・スキャン距離、ビームのデフォーカス、その他に基づき、最大伝送線長は約１０ｃｍであり、この場合、Ａ／Ｄコンバータの性能は５００ＭＨｚの帯域幅で１８ビットの分解能を有する。
【００１８】
ピッチを０．５ミクロン以下にし、電子ビーム偏向帯域幅を２０ＧＨＺよりも大きくすることにより、図５の破線の曲線で示すように、更に性能を向上させることが可能である。両方とも、電子ビーム偏向システムの精密な設計と共に、高度なリソグラフィおよびマイクロ素子の製造技術によって実現可能である。
【００１９】
前述の分析から、本発明の電子ビームＡ／Ｄコンバータが最も進んだジョセフソン接合回路よりも高い性能のオーダを有するものであることは明らかである。１３ビットの分解能でアナログ帯域幅が１０ＧＨｚ、又は１７ビットで１ＧＨｚを得る可能性は、他の技術を用いて企図することは不可能である。この種の極めて高い性能レベルを達成することへのキーファクターは、１０ＧＨｚを超える帯域幅の電子ビーム偏向回路を製造する能力である。これは、Ｓ．Ｍ．  Ｋｏｃｉｍｓｋｉ(ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．３８．ｐａｇｅ  １５２４，Ｊｕｎｅ，１９９１)によって示されている。この新規な概念の重要な他の効果は、ジョゼフソン接合が、鋭準パーティクルトンネリングコンポーネントを有するトンネル接合ではなく、弱リンク・タイプのものであることが可能であるということである。弱リンクは、ＨＴＣ超伝導材料を使用して直ぐに作ることができ、それにより図６で示すミニチュア冷凍器で７７°Ｋまで冷却することができる。
【００２０】
２０ＧＨｚ若しくはそれを超えるの偏向帯域幅を達成することとの主な問題は、Ｎ>１０の場合に２Ｎを超えるダイナミック・レンジでの線形性に関係している。幸いにも、開示されたＡ／Ｄコンバータ・アーキテクチャは、超伝導チップでこれにアドレスすることができる。ピッチｐで周期的に繰り返す行の代わりに、あるグループの行は、非線形の測定によって決定される可変スペースを有する。このスキームにより、したがって、非線形を最小にすることができる。
【００２１】
超高性能なＡ／Ｄコンバータ・システム７０の好適な実施例が、図７に略図で示される。Ａ／Ｄコンバータ・システム７０は、３つの大きなサブシステムを含む。電子ビームサブシステム７６は、例えば、０．５ミクロンの直径、０．１μＡ、所望のアナログ帯域幅に応じて１〜５ＫＶの範囲の電圧の電子ビームを発生し送ることが出来る能力を有する公知の電子ビーム発生器を有する。性能に応じて、ＸＹ方向偏向回路は、１００ＭＨｚ〜２０0ＧＨｚの範囲の帯域幅を達成するように設計されている。
【００２２】
超伝導伝送線チップ７６が、適切な絶縁体および抵抗器技術およびレギュレートされた電源と共に提供され、それは、図２〜４に関して説明されたように線形の送信を達成できる、高Ｔｃ超伝導伝送線および弱いリンク素子を利用するものである。チップ７６は、好ましくは、室温エレクトロニクスをインタフェースするための広帯域幅増幅器を含む。上面側が真空状態であるように、チップ７６は真空シール装置においてパッケージ化されなければならない、そして、他の表面が熱的に冷却のサブシステム７８に接続すると共に、電子ビーム励起にさらされる。
【００２３】
冷却のサブシステム７８は電源のミリワットのフラクションの超伝導回路からの消失を補償するために提供される。したがって、冷却の制限は、厳しくない。たとえば、冷却は、図６に示されるミニチュアのスターリングサイクル冷凍器を使用して、簡単に成すことができ、それは周知である。
【００２４】
追加の電子部品、図７に具体的には示していないが、具体的には、線形広帯域幅増幅器、同時性ジェネレータおよび室温インタフェース電子部品や、メモリバッファおよびプロセッサのようなものも、特定のアプリケーションのために必要に応じて含ませることができる。
【００２５】
上記のさまざまな本発明の態様に対する修正は、単なる例示である。例示の実施例に対する他の修正が当業者に直ちに思いつくと理解される。全てのこの種の修正および変更は、特許請求の範囲に定義された本発明の要旨及び範囲内であるとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、弱リンク・ジョーゼフスン接合素子の電流−電圧特性を示すものである。
【図２】図２は、電子ビームで励起された分散性の低いＨＴＣ超伝導線であって、両端でマッチし、一連の弱リンクを含むものを示すものである。
【図３】図３は、３ビットの、電子ビーム励起超伝導Ａ／Ｄコンバータを示すものである。
【図４】図４は、一般的な、Ｎビットの、ビーム励起超伝導Ａ／Ｄコンバータを示すものである。
【図５】図５は、例として実施例の電子ビームＡ／Ｄコンバータの期待される能力を示すものである。
【図６】図６は、ミニチュアのスターリング・クローズド・サイクル冷凍器を示すものである。
【図７】図７は超高性能なアナログ−デジタル・コンバータシステムの概略図を示すものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
2005508101.tif 000031
2005508101.tif 000032
2005508101.tif 000033