(57)【要約】【課題】数ミリボルト以上の出力電圧を得られ、駆動電源として直流電源を用いることができ、グランドプレーンとの間で容量が形成されず、占有面積が小さい超電導ドライバ回路を得ること。【解決手段】超電導ドライバ回路は２個の超電導接合とインダクタを構成要素とし、これらの要素部品によって閉じたループを構成する超電導磁束量子干渉素子（スクイド）によって構成する。各スクイドはインダクタを共有して、３段以上直列に接続するものとする。【選択図】　図１
2004072305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個の超電導接合とインダクタを構成要素とする閉じたループを構成する第１段の超電導磁束量子干渉素子、前記インダクタを共有して２個の超電導接合とインダクタを構成要素とする閉じたループを構成する第２段の超電導磁束量子干渉素子、前記第２段の超電導磁束量子干渉素子のインダクタを共有して２個の超電導接合とインダクタを構成要素とする閉じたループを構成する第３段の超電導磁束量子干渉素子より成り、前記各段の超電導磁束量子干渉素子の超電導接合は下段の超電導磁束量子干渉素子の超電導接合ほど臨界電流値が大きいものとされ、前記各段の超電導磁束量子干渉素子の超電導接合には所定のバイアス電流が供給され、かつ、第１段の超電導磁束量子干渉素子に磁束量子信号が入力され、第３段の超電導磁束量子干渉素子より出力電圧が得られることを特徴とする電圧増幅用超電導ドライバ回路。
【請求項２】
超電導磁束量子干渉素子が４段以上であり、最上段の超電導磁束量子干渉素子より出力電圧が得られる請求項１記載の電圧増幅用超電導ドライバ回路。
【請求項３】
２個の超電導接合とインダクタを構成要素とする閉じたループを構成する超電導磁束量子干渉素子を隣接する超電導接合を共有する形で並列に複数個配列した第１段の超電導磁束量子干渉素子群、前記インダクタを共有し且つ隣接する超電導接合を共有する形で２個の超電導接合とインダクタを構成要素とする閉じたループを並列に第１段の超電導磁束量子干渉素子群よりは１つ少ない数で複数個配列して構成する第２段の超電導磁束量子干渉素子、前記第２段の超電導磁束量子干渉素子のインダクタを共有し且つ隣接する超電導接合を共有する形で２個の超電導接合とインダクタを構成要素とする閉じたループを並列に第２段の超電導磁束量子干渉素子群よりは１つ少ない数で複数個配列して構成する第３段の超電導磁束量子干渉素子よりなり、前記各段の超電導磁束量子干渉素子の超電導接合はほぼ等しい臨界電流値とされ、前記各段の超電導磁束量子干渉素子群の超電導接合には所定のバイアス電流が供給され、かつ、第１段の超電導磁束量子干渉素子に磁束量子信号が入力され、第３段の超電導磁束量子干渉素子群より出力電圧が得られることを特徴とする電圧増幅用超電導ドライバ回路。
【請求項４】
超電導磁束量子干渉素子群が４段以上であり、最上段の超電導磁束量子干渉素子群より出力電圧が得られる請求項３記載の電圧増幅用超電導ドライバ回路。
【請求項５】
最上段のスクイドの数量を１個とし、下の段に下るにしたがって各段を構成する超電導磁束量子干渉素子群の超電導磁束量子干渉素子の数が１個ずつ増加する請求項３記載の電圧増幅用超電導ドライバ回路。
【請求項６】
２個の超電導接合とインダクタを構成要素とする閉じたループを構成する第１段の超電導磁束量子干渉素子、前記インダクタを共有して２個の超電導接合とインダクタを構成要素とする閉じたループを構成する第２段の超電導磁束量子干渉素子、前記第２段の超電導磁束量子干渉素子のインダクタを共有して２個の超電導接合とインダクタを構成要素とする閉じたループを構成する第３段の超電導磁束量子干渉素子より成り、前記各段の超電導磁束量子干渉素子の超電導接合は下段の超電導磁束量子干渉素子の超電導接合ほど臨界電流値が大きいものとされ、前記各段の超電導磁束量子干渉素子の超電導接合には第１段の超電導磁束量子干渉素子の超電導接合を除いて所定のバイアス電流が供給され、かつ、第１段の超電導磁束量子干渉素子の２個の超電導接合にそれぞれ磁束量子信号が入力され、第３段の超電導磁束量子干渉素子より出力電圧が得られることを特徴とする電圧増幅用超電導ドライバ回路。
【請求項７】
超電導磁束量子干渉素子が４段以上であり、最上段の超電導磁束量子干渉素子より出力電圧が得られる請求項６記載の電圧増幅用超電導ドライバ回路。
【請求項８】
第１段の超電導磁束量子干渉素子の１つの超電導接合に１つの入力信号を与え、他の１つの超電導接合に他の１つの入力信号を与えて、１つの入力信号によって超電導ドライバ回路を電圧状態にスイッチさせて電圧状態を保ち、他の１つの入力信号によって超電導ドライバ回路を零電圧状態に戻す請求項６記載の電圧増幅用超電導ドライバ回路。
【請求項９】
磁束量子を信号担体として所定の信号処理をする超電導磁束量子回路、該超電導磁束量子回路の出力する磁束量子信号を入力して磁束量子信号の入力ごとに磁束量子列の存在する状態と磁束量子列の存在しない状態との繰り返し状態を出力する磁束量子−電圧変換回路、該磁束量子−電圧変換回路の出力を入力とする電圧増幅用超電導ドライバ回路より成ることを特徴とする超電導回路。
【請求項１０】
前記磁束量子−電圧変換回路の出力を入力として、入力される磁束量子を２つの回路に分流させた後１つの出力回路に出力して入力される磁束量子を倍増する回路が磁束量子−電圧変換回路と電圧増幅用超電導ドライバ回路との間に挿入された請求項９記載の超電導回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導エレクトロニクスの分野に係り、とくに高速の信号処理が可能な磁束量子を信号の担体とし、高速信号観察用の計測回路、高速のアナログ信号処理用のアナログ・デジタル信号変換回路、あるいは高速のデジタルデータ処理回路等に用いられる超電導磁束量子回路の超電導ドライバ回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導磁束量子回路の出力部に用いられ、信号の電圧増幅機能を有する従来のドライバ回路には２種類の方式が考えられ、超電導回路に用いられている。以下、図面を参照して従来例、実施例を説明するが、参照符号を付した部品を区別したいときのみ、必要に応じて下付きの数字を付すものとする。
【０００３】
図２は従来用いられている制御線付きスクイド型超電導ドライバ回路の構成例を示す図である。超電導接合１とインダクタ７によって閉じたループを構成する超電導磁束量子干渉素子、すなわちスクイド６を直列に接続し、各スクイドに制御線２１を設けた構造である。超電導磁束量子回路からの信号２２を入力する信号線を直列に接続された各スクイドの制御線２１に接続する。３はバイアス電流源、５は出力線、８は接地である。
【０００４】
制御線の配線法は２種類あり、１つは１本の超電導線をすべてのスクイドの制御線として直列に配線する構成である。他の方法は１本の信号線を分岐して、制御線を並列に各スクイドに配線する構成である。制御線を並列に接続すると、信号が同時に各スクイドに入力されるので、周波数特性が向上する。
【０００５】
超電導磁束量子回路からの磁束量子信号２２は電流信号として、制御線２１に入力される。電流信号によって各スクイド６は出力電圧が変化する。スクイド１個あたりの出力電圧変化は０．１ｍＶ程度の微小な値であるから、電圧変化を増大させるために、１０個以上のスクイドを直列に接続する（笛ｏｓｅｐｈｓｏｎ　Ｏｕｔｐｕｔ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ｆｏｒ　ＲＳＦＱ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　　Ｏ．Ａ．　Ｍｕｋｈａｎｏｖ　等、ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，　７巻２８２６頁、１９９７年）。
【０００６】
図３は従来用いられている超電導接合列を利用した超電導ドライバ回路の他の構成例を示す図である。超電導接合１を直列に接続した超電導接合列１００１、１００２の一端を抵抗３１およびインダクタ９を介して並列接続するとともに、インダクタ９の中点に交流電源３２により交流電圧を供給する。またインダクタ９の中点から出力信号５を取る。一方、それぞれの超電導接合列１００の他端は接地する。一方の超電導接合列１００１の１段目に入力線を接続して磁束量子信号２２を入力する構成である。この超電導ドライバ回路では、電流―電圧特性にヒステリシス特性を示す超電導接合が用いられる。
【０００７】
超電導磁束量子回路からの信号電流パルス２２は超電導接合列１００１の１段目の超電導接合１１に注入される。信号電流パルス２２による電流が交流電源３２によるバイアス電流と合わせて臨界電流を上回れば、この超電導接合１１が超電導状態から電圧状態にスイッチする。電圧状態での超電導接合の抵抗値は相対的に高いので、バイアス電流は他方の超電導接合列１００２に選択的に流れる。このため超電導接合列１００２を構成する各超電導接合１の電流値が臨界電流を上回ることになる。そのため、超電導接合列１００２を構成する各超電導接合１は一斉に超電導状態から電圧状態に遷移する。一斉に電圧状態に遷移した超電導接合列１００２の抵抗より、１個だけ電圧状態にある超電導接合１１を含む超電導接合列１００１の抵抗のほうが低いので、こんどはバイアス電流は超電導接合列１００１にもっぱら流れることになる。その結果、この超電導接合列１００１の残りの超電導接合もすべて、超電導状態から電圧状態に遷移する（鄭ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ　Ｓｅｒｉｅｓ−Ｐａｒａｌｌｅｌ−Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ　　Ｈ．　Ｓｕｚｕｋｉ等、ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，３７巻２３９９頁１９９０年）。
【０００８】
図３に示す超電導ドライバ回路はヒステリシス特性を示す超電導接合が用いられているので、いったん電圧状態に遷移した超電導接合は所定の値より印加電流を低くしない限り、零電圧状態に復帰しない。一方、ヒステリシス特性を示す超電導接合が遷移した場合、電圧値はミリボルトレベルであり、磁束量子の信号電圧である０．１ｍＶ−０．５ｍＶより十分高い出力電圧が得られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
超電導ドライバー回路に必要とされる特性および性能は以下のとおりである。
【００１０】
第一に数ミリボルト以上の出力電圧を得られることである。とくに半導体増幅器はギガヘルツ以上の高周波領域で１ｍＶに近い雑音特性を示す。このような半導体増幅器と接続される超電導回路チップは半導体回路の雑音レベルより十分高い出力特性を有する必要がある。
【００１１】
第二に超電導ドライバの駆動電源として、直流電源を用いることができることである。出力信号と同じ周波数の交流電源で超電導ドライバを動作させる場合、駆動電圧のほうが磁束量子の信号電圧より十分高いので、超電導配線を逆流すること、あるいは電磁波として空間を伝幡して磁束量子回路に入射すること、等によって誤動作の原因となり得る。さらに超電導接合に特有のパンチスルー現象によって、１０ギガヘルツ以上で誤動作確率が増大する。
【００１２】
第三にグランドプレーンとの間で容量が形成されにくいことである。超電導ドライバの昇圧された部分とグランドプレーンとの間で容量成分がある場合、零電圧から電圧状態にスイッチするときに充電され、電圧状態から零電圧にスイッチするときに放電される。昇圧された電圧が高く、容量成分が大きい場合、充放電時間が長くなり、ギガヘルツ以上の高速動作を阻害する。
【００１３】
第四に占有面積が小さいことである。超電導磁束量子回路の集積規模が大きくなり、かつ出力信号の数が多くなるほど、占有面積の小さいことが望まれる。また動作周波数が数十ギガヘルツで高くなるほど、超電導ドライバの内部で信号の伝搬する時間を１０ピコ秒以下、あるいはこれより十分短くする必要がある。このためには超電導ドライバ回路の寸法を短くする必要がる。
【００１４】
このような超電導ドライバ回路に求められる特性および性能に対して、従来の超電導磁束量子回路に用いられる超電導ドライバー回路では以下に述べる問題を有し、必要十分な高周波信号を超電導回路から半導体回路に受け渡すのが困難であった。
【００１５】
図２に示す構造の超電導ドライバー回路では第一、第三、および第四の項目で問題を有する。スクイド１個あたりの出力電圧変化は０．１ｍＶ程度であるから、数ミリボルトの出力電圧を得るには数十個のスクイドを多段に接続する必要がある。スクイドループに必要最小限のグランドプレーンのみを設ける構造として容量を低減する努力がなされる。しかし、磁束量子回路から伸びた制御線はグランドプレーンに接続する必要があり、制御線２１とスクイドインダクタ７間の容量低減には限界がある。また出力電圧変化を高めるために、スクイドの段数を多くするほど寸法が長くなり、占有面積も増大する。
【００１６】
図３に示す構造の超電導ドライバー回路では、駆動電源３２として出力信号の周波数に対応した交流電流を印加する必要がある。この理由はヒステリシスを有する超電導接合では、一旦電源電流を十分小さい値に戻さない限り、電圧状態から零電圧に復帰しない。この構造の超電導ドライバでは出力電圧を超電導接合１個当たりミリボルトと高く取れるものの、交流電流駆動のため、駆動電源の動作周波数が障害となり、高速化できない。
【００１７】
本発明の目的は次のような特性や性能を有する超電導ドライバ回路を得ることにある。第一には数ミリボルト以上の出力電圧を得られることである。第二には駆動電源として、直流電源を用いられることである。第三にグランドプレーンとの間で容量が形成されにくいことである。第四に占有面積が小さいことである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題に対して本発明においては以下の手段を講じた。
【００１９】
本発明の超電導ドライバ回路は２個の超電導接合とインダクタによって閉じたループを構成する超電導磁束量子干渉素子すなわちスクイドを単位とし、各スクイドはインダクタを共有して、３段以上直列に接続されたものとする。直列に接続された各スクイドに対しては必要に応じて電流バイアス線を接続するものとする。これら電流バイアス線は、各スクイドの左右の超電導接合に近い位置に、それぞれ交互に接続する。
【００２０】
直列に接続された各段のスクイドを構成する超電導接合に関して、上段（出力）側のスクイドに含まれる超電導接合の臨界電流ほど、漸次その値を低く設定するものとする。最下段のスクイドの超電導接合に対して、１個あるいは２個の超電導接合線路から磁束量子信号を入力するものとする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１に実施例１の超電導ドライバ回路を入力信号線としての超電導接合線路とともに示す。超電導ドライバ回路１２はスクイド６１，６２，−−−，６６が６段重ねとされた構造とした。各スクイド６は左右に超電導接合１を配し、上下にインダクタ７を設けた構成とした。最下段のスクイド６１はインダクタ７１と２つの超電導接合１１１，１１２によるループであるが、２段目のスクイド６２から最上段のスクイド６６はそれぞれ上下のスクイドとインダクタ７を共有したループ構成である。例えば、スクイド６２は２つのインダクタ７１および７２と２つの超電導接合１２１，１２２によるループである。超電導接合の臨界電流は下段のスクイドから上段のスクイドに向けて漸次低い値とした。具体的には図１において、超電導接合１の臨界電流値は、それぞれ、スクイド６１では０．２５ｍＡ、スクイド６２では０．２ｍＡ、スクイド６３では０．１５ｍＡ、スクイド６４では０．１ｍＡ、スクイド６５では０．０７ｍＡ、スクイド６６では０．０５ｍＡとした。しかし必ずしもこの値、あるいはこれらの値の比に固定する必要はない。
【００２２】
一方、インダクタ７の値は下段のスクイドから上段のスクイドに向けて漸次大きい値とした。具体的には、それぞれ、スクイド６１では２ｐＨ、スクイド６２では４ｐＨ、スクイド６３では４ｐＨ、スクイド６４では８ｐＨ、スクイド６５では８ｐＨ、スクイド６５では１６ｐＨとした。インダクタの値も、必ずしもこの値、あるいはこれらの値の比に固定する必要はない。ただし臨界電流とインダクタの積が磁束量子（２フェムト・ウェーバ）の半整数倍となることを設定の目安とした。図１では各スクイド臨界電流とインダクタの積を磁束量子のほぼ１／２とした。
【００２３】
各スクイドの右肩および左肩に交互に直流電流のバイアス電源３を接続した。すなわち、スクイド６１では左肩、スクイド６２では右肩、スクイド６３では左肩、スクイド６４では右肩、スクイド６５では左肩とし、最上段のスクイド６５では、インダクタ７６の中央より右側にずらせた位置に電源３を接続した。各スクイドのバイアス電源３により印加される電流は上段のスクイドとの、超電導接合の臨界電流の差に対応した値とした。
【００２４】
実施例１の超電導ドライバ回路の動作を検証するために入力信号としての磁束量子信号を超電導接合線路１１を介して最下段のスクイド６１の左肩に導入する構成とした。超電導接合線路１１の他端には磁束量子列の発生部４を設けた。磁束量子列の発生部４では、超電導接合１とこの超電導接合１の臨界電流を超えてバイアス電流を印加するための交流電源１４が直列に接続され、交流ジョセフソン電流を発生する。交流ジョセフソン電流は超電導接合線路１１では、磁束量子列として伝搬し、交流電源１４によるバイアス電流に応じて磁束量子の伝搬頻度は増加する。ここでは、バイアス電流源としての交流電源１４には零電流と臨界電流を超える有限電流値を振幅とする交流電流を用いた。
【００２５】
図４は実施例１の超電導ドライバ回路を酸化物系の超電導薄膜および絶縁膜によって構成した場合のレイアウトの例を示す図であり、図５は超電導接合に着目した断面を示す図である。図４では、図１の回路との対応が見易く、且つ、簡単化のために、図５に表れる絶縁膜等は省略したものとした。
【００２６】
先に、図５を参照して実施例１の超電導ドライバ回路の超電導接合１を説明する。超電導接合１はイットリウム・バリウム銅酸化物薄膜を上部電極膜４５および下部電極膜４２とするランプエッジ型とし、接合の障壁層４４はスロープを形成した下部電極膜の端部表面に、イオンビームを照射することによって形成した表面損傷層とした。基板４１および電極膜間の層間絶縁膜４３にはそれぞれランタン・ストロンチウム・アルミニウム・タンタル酸化物の単結晶および薄膜を用いた。グランドプレーンは設けなかった。
【００２７】
図４のレイアウトでは、例えば、最下段のスクイド６１は上部電極膜４５１が逆Ｕ字状のパターンとされ、逆Ｕ字状の両辺部に配置された下部電極膜４３１１と４３１２との間に超電導接合１１１と１１２とが形成されている。下部電極膜４３１１と４３１２の他端は接地線としての配線８に接続されている。配線８は下部電極膜４３の一部として必要なパターンになされる。逆Ｕ字状のパターンの上辺部はインダクタ７１に対応する。次段のスクイド６２はスクイド６１と同じパターンで形成されるが、スクイド６１では接地線としての配線８に接続された逆Ｕ字状の両辺部の他端が、スクイド６１の逆Ｕ字状のパターンの上辺部の肩の部分に接続される。ここで、左下がりのハッチングで示す部分は上部電極膜４５と下部電極膜４３との接続部が超電導状態を維持して接続されることを意味する。スクイド６１の左肩からはバイアス電源３に接続するための配線３１が引き出され、スクイド６２の右肩からはバイアス電源３に接続するための配線３２が引き出されている。最上段のスクイド６６の上部電極膜４５からはバイアス電源３に接続するとともに出力線に接続するための配線３６が引き出されている。これらの配線３１から３６は上部電極膜４５の一部として必要なパターンになされる。最下段のスクイド６１の左側には、これに接続された超電導接合線路１１を構成する上部電極膜４５があり、これと下部電極膜４３とで構成される超電導接合およびバイアス電源３に接続する配線３１１が示されている。図４と図１とを対照すると、図４のレイアウトが、回路と同じ形となっていることが容易に分かる。
【００２８】
上述したように、超電導磁束量子回路の戻り電流の経路８には、超電導接合の下部電極膜４３を配線として用いた。超電導ドライバ回路の出力線５となる配線３６の一部はインピーダンスを適当に設定するため、下部電極膜を接地線として用いて、出力線５に近接して配し、コプレナー型とした。これによって超電導回路チップと外部回路とのインピーダンスマッチングを得るものとした。
【００２９】
このような回路構成で、超電導接合の臨界電流Ｉｃと常伝導状態の抵抗Ｒｎの積、すなわちＩｃＲｎ値は温度４．２Ｋで２ｍＶであった。この超電導ドライバ回路は以下に示す動作特性を示した。磁束量子列の発生部に交流電流を印加したところ、超電導接合線路における発生電圧は０．８ｍＶであった。これは磁束量子列の発生頻度として４００ＧＨｚに相当する。一方、超電導ドライバ回路で出力電圧は４ｍＶであり、入力電圧を５倍に増幅できたことになる。
【００３０】
図６は実施例１の超電導ドライバ回路の出力電圧の高周波特性を示す図であり、最上段に交流電源１４の交流電流波形を、次段にこれによって発生される磁束量子列を、最下段に超電導ドライバ回路の出力電圧の波形を、それぞれ、示す。図において、５１は最上段スクイド６６の出力電圧、５２は３段目スクイド６３の出力電圧、５３は最下段スクイド６１の出力電圧を示し、上段のスクイドほど高い発生電圧を示すことがわかる。また動作周波数２０ＧＨｚでも、超電導ドライバ回路は十分追従している。波形の急峻性から判断して、より高い周波数の信号に対しても、本超電導ドライバ回路は増幅作用が可能である。
【００３１】
本超電導ドライバ回路の動作原理は以下のとおりである。直列に接続されたスクイド６１−６６は共有するインダクタ７を介して、磁束量子信号の情報が最下段のスクイド６１から最上段のスクイド６６まで伝達される。この結果として、各スクイド６は一斉に零電圧状態と電圧状態間をスイッチし、各スクイド６の出力電圧が足し合わされた電圧が発生する。
【００３２】
各段のスクイドには直流のバイアス電流がバイアス電流源３によって供給され、各スクイドは零電圧状態にはあるが、臨界点に近い状態に保持される。磁束量子が超電導ドライバ回路の最下段のスクイド６１を通り抜けたとき、磁束量子にともなうループ電流がインダクタ７１に流れる。このループ電流がバイアス電流に加算されるために、最下段のスクイド６１は電圧状態にスイッチする。
【００３３】
最下段のスクイド６１のインダクタ７１に加算された電流は２段目のスクイド６２のループにも流れる。この結果２段目のスクイド６２も超電導状態から電圧状態にスイッチする。同様にして、上下関係にある２個のスクイドで共有されるインダクタを介して、入力磁束量子にともなう下段のスクイドループ電流が上段のスクイドに伝達される。このため、直列に接続されたスクイドは次々に電圧状態にスイッチする。この基本動作に関してはカプルネンコ等の論文で紹介されている（天ｏｌｔａｇｅ　Ｄｉｖｉｄｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ　Ｓｌｉｔｓ　ｉｎ　Ａ　Ｈｉｇｈ−Ｔｃ　ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＦｉｌｍ　ａｎｄ　Ｔｗｏ　Ｂｉｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒａｉｎ　Ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ　　Ｖ．　Ｋ．　Ｋａｐｌｕｎｅｎｋｏ等、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、６７巻２８２頁、１９９５年）。
【００３４】
ただし、各スクイドのループ電流が次々と伝搬して、各スクイドが零電圧状態から超電導状態にスイッチするためには、各スクイドに適当なバイアス電流を印加しておく必要がある。バイアス電流はすべて接地電位、あるいは共通電位を通って戻り電流となる。このために必然的に、下段に位置するスクイドほど流れる電流レベルが高くなる。これに対応して、超電導接合の臨界電流を高くする必要がある。この一例として、実施例１では、上述したように、超電導接合１の臨界電流値は、それぞれ、スクイド６１では０．２５ｍＡ、スクイド６２では０．２ｍＡ、スクイド６３では０．１５ｍＡ、スクイド６４では０．１ｍＡ、スクイド６５では０．０７ｍＡ、スクイド６６では０．０５ｍＡとした。
【００３５】
実施例１に係る超電導ドライバ回路ではスクイド６段で数ミリボルトの出力電圧を発生できた。したがって、数ミクロン幅の配線を用いても、０．１ｍｍ以下の寸法で超電導ドライバ回路を構成できる。すなわち超電導ドライバ回路の占有面積は従来のスクイド型の１ミリメートル前後と比較して、きわめて微小なものとできる。
【００３６】
実施例１の超電導ドライバ回路と、図２とのそれを対比して明らかなように、実施例１では入力信号との磁気的な結合を必要とせず、いわゆる、電流注入によって、直列接続されたスクイド列がスイッチするものとなる。このため、磁気的な結合を行う場合と比べて、接地される磁気結合線との重なりがないから、接地電位面あるいはグランドプレーンとの容量成分は小さいものとできる。さらに、実施例１の超電導ドライバ回路はすべて直流電流によって駆動されるから、数十ギガヘルツの高周波特性を容易に発揮でき、広く超電導磁束量子回路に適用することができる。
【００３７】
また、実施例１における超電導ドライバ回路は超電導接合を構成するために必要な２層の超電導膜と、１層の層間絶縁膜だけで構成したが、グランドプレーンとなる超電導膜１層と、層間絶縁膜１層を追加して、戻り電流をグランドプレーンに流す構造でも、超電導ドライバ回路を構成することができる。ただしこの回路構造とするときは、高周波領域での動作を確保するために、最下段のスクイド６１の形成される領域以外はグランドプレーンを敷かない配置とするのが良い。
【００３８】
また、実施例１において、各段のバイアス電流はレイアウトの都合から、左肩、右肩から交互に供給するものとしたが、適切なバイアス電流が設定されれば、同じ方向から供給されるものとしても良いことは明らかである。
【００３９】
さらに、実施例１では酸化物系の超電導薄膜で超電導ドライバ回路を構成したが、ニオブや窒化ニオブなど金属系の超電導薄膜で超電導ドライバ回路を構成することも可能である。
【００４０】
（実施例２）
図７に実施例２の超電導ドライバ回路を入力信号線としての超電導接合線路とともに示す。超電導ドライバ回路１３はスクイド６２１，６２２，−−−，６２４が４段重ねとされた構造とした。さらに、図１と対比して分かるように、実施例２の超電導ドライバ回路では、最上段のスクイド６２４は１個であるが、次の段のスクイド６２３は２個、その次の段のスクイド６２２は３個、最下段のスクイド６２１は４個のスクイドを、それぞれ、並列に接続した。インダクタ７は、それぞれ、上下のスクイドで共有するとともに、並列接続された隣り合うスクイド同士で超電導接合を共有する構成とした。
【００４１】
スクイドを構成する超電導接合１の臨界電流はすべて互いにほぼ等しい値とした。結果的に各段の超電導接合の臨界電流の和は下段のスクイドから上段のスクイドに向けて漸次低い値となった。各スクイドループのインダクタのインダクタンス値もそれぞれほぼ等しい値とした。実施例２でも、実施例１と同様に、各スクイドの右肩および左肩に交互に直流電流のバイアス電源３を接続した。すなわち、スクイド６２１では左肩、スクイド６２２では右肩、スクイド６２３では左肩とし、最上段のスクイド６２４では、インダクタ７２４の中央より右側にずらせた位置に電源３を接続した。印加電流は上段のスクイド列の、超電導接合の臨界電流の和との差に対応した値とした。
【００４２】
実施例２の超電導ドライバ回路の動作を検証するために入力信号としての磁束量子信号を超電導接合線路１１を介して最下段のスクイド６２１の左肩に導入する構成とした。超電導接合線路１１の他端には磁束量子列の発生部４を設けた。磁束量子列の発生部４の構成は実施例１と同じである。
【００４３】
図８は実施例２の超電導ドライバ回路を酸化物系の超電導薄膜および絶縁膜によって構成した例の超電導接合に着目した断面構造を示す図である。層間絶縁膜４７を介してグランドプレーン４６を設けた点を除けば、実施例１と同じである。実施例２の超電導ドライバ回路を酸化物系の超電導薄膜および絶縁膜によって構成した場合のレイアウトの例は、実施例１の図１の回路と図４のレイアウトの対応と同様に、構成できるので図示は省略した。
【００４４】
実施例２のグランドプレーン４６は、磁気遮蔽膜として全域に設けるものとして良いが、超電導ドライバ回路の構成される領域部分では、最下段のスクイド６２１の領域部分のみとし、超電導ドライバ回路の２段目から最上段のスクイドの構成される領域部分には、グランドプレーンを敷かない配置とした。
【００４５】
このような回路構成で、超電導接合の臨界電流Ｉｃと常伝導状態の抵抗Ｒｎの積、すなわちＩｃＲｎ値は温度４．２Ｋで２ｍＶであった。この超電導ドライバ回路は以下に示す動作特性を示した。磁束量子列の発生部に交流電流を印加したところ、超電導接合線路における発生電圧は０．８ｍＶであった。一方、超電導ドライバ回路で出力電圧は２．５ｍＶ以上であり、入力電圧を３倍以上に増幅できたことになる。
【００４６】
図９は実施例２の超電導ドライバ回路の出力電圧の高周波特性を示す図であり、最上段に交流電源１４の交流電流波形を、次段にこれによって発生される磁束量子列を、最下段に超電導ドライバ回路の出力電圧の波形を、それぞれ、示す。図において、５４は最上段スクイド６２４の出力電圧、５５は３段目スクイド６２３の出力電圧、５６は２段目スクイド６２２の出力電圧、５７は最下段スクイド６２１の出力電圧を示し、上段のスクイドほど高い発生電圧を示すことがわかる。また動作周波数２０ＧＨｚでも、超電導ドライバ回路は十分追従している。波形の急峻性から判断して、より高い周波数の信号に対しても、本超電導ドライバ回路は増幅作用が可能である。
【００４７】
実施例２の超電導ドライバ回路は、ほぼ同一の寸法で、ほぼ等しい臨界電流を有する超電導接合およびほぼ同一の寸法のインダクタを配列して構成できるために、設計通りに回路を作製するのが比較的容易である。また出力電圧を高くするために、スクイド列の段数を増加する場合、設計およびレイアウトの変更に比較的容易に対応することができる。
【００４８】
（実施例３）
図１０は本発明に係る超電導ドライバ回路を超電導磁束量子回路と結合した超電導回路の構成例を示すブロック図である。超電導回路の全体は、超電導磁束量子回路１０１、磁束量子―電圧変換回路１０２および超電導ドライバ回路１０３からなり、これら回路の間が超電導接合線路１１によって接続される構成である。ここで、超電導磁束量子回路１０１は磁束量子を信号として各種の論理処理を行う回路であり、超電導ドライバ回路１０３は、実施例１あるいは実施例２として先に説明した回路である。
【００４９】
図１１に磁束量子―電圧変換回路の回路例を示した。磁束量子―電圧変換回路は磁束量子２２が１個到達する毎に磁束量子列を出力５として連続的に発生し、電圧状態になり、次の磁束量子２２の到達によって、磁束量子列の発生を停止する回路である。磁束量子２２の到達毎にこのような磁束量子列の発生と停止が繰り返される。このような磁束量子列の発生と停止が繰り返される信号を入力とする超電導ドライバ回路１０３では、先に述べたように、磁束量子―電圧変換回路１０２で発生した磁束量子列の頻度に対応した電圧を増幅する。
【００５０】
実施例３では、超電導ドライバ１０３の構成は実施例１とほぼ同様とした。すなわち、スクイドを６段重ねた構造とし、各スクイドは左右に超電導接合を配し、上下にインダクタを設けた構成とした。インダクタはそれぞれ上下のスクイドと共有した。超電導接合の臨界電流は下段のスクイドから上段のスクイドに向けて漸次低い値とした。各スクイドの右肩および左肩に交互に直流電流の電源線を接続した。最上段のスクイドでは、インダクタの中央よりずらせた位置に電源線を接続した。酸化物系の超電導薄膜および絶縁膜によって構成し、断面構造は図８に示したものと同様とした。グランドプレーンおよび超電導接合はイットリウム・バリウム銅酸化物薄膜を上部電極および下部電極とするランプエッジ型とした。基板および電極間の層間絶縁膜にはそれぞれランタン・ストロンチウム・アルミニウム・タンタル酸化物の単結晶および薄膜を用いた。
【００５１】
超電導磁束量子回路部分およびこの戻り電流の経路、超電導ドライバー回路につながる超電導接合線路、超電導ドライバ回路の最下段のスクイド、および、超電導ドライバ回路の出力線等にグランドプレーンを敷いた。ただし、超電導ドライバ回路の２段目から最上段のスクイドには、グランドプレーンを敷かない配置とした。
【００５２】
このような回路構成で、超電導接合の臨界電流Ｉｃと常伝導状態の抵抗Ｒｎの積、すなわちＩｃＲｎ値は温度４．２Ｋで２ｍＶであった。磁束量子―電圧変換回路での出力電圧は０．４４ｍＶであった。この出力電圧は磁束量子の発生頻度として２２０ＧＨｚに相当する。磁束量子―電圧変換回路からの磁束量子列を超電導ドライバ回路に入力した。超電導ドライバ回路によって、２ｍＶの出力電圧が得られた。
【００５３】
図１２は上段に磁束量子の波形、中段に磁束量子―電圧変換回路での出力電圧波形、下段に超電導ドライバ回路の電圧波形を示す図である。磁束量子２２の到達毎に磁束量子列の発生と停止が繰り返され、このような磁束量子列の発生と停止が繰り返される信号を入力とする超電導ドライバ回路１０３から磁束量子―電圧変換回路１０２で発生した磁束量子列の頻度に対応した電圧を得られている様子がわかる。
【００５４】
超電導ドライバ回路は超電導磁束量子回路の出力信号を増幅するのは勿論、発生した電圧信号が超電導磁束量子回路に逆流しないことが重要である。電圧パルスの逆流は超電導磁束量子回路に対する雑音となるからである。実施例３に示した構成での磁束量子―電圧変換回路１０２で発生した磁束量子列は超電導磁束量子回路に逆流しないし、超電導接合に流れる電流もとくに変動していないことが図１２に示す動作波形から分る。すなわち、磁束量子―電圧変換回路に入力される磁束量子の波形（上段）が、下段に示す超電導ドライバ回路の電圧によって何らの影響を受けていないことは明白である。図には超電導ドライバ回路１０３からの戻り電流は全く現れておらず、接合での発生電圧（磁束量子信号）は超電導ドライバ回路を接続していない場合と同一であることがわかる。
【００５５】
本発明に係る超電導ドライバ回路を超電導磁束量子回路と磁束量子―電圧変換回路を介して結合して超電導回路を構成することによって、超電導磁束量子回路自体に雑音をもたらさず、かつ超電導磁束量子回路の動作マージンに影響を与えない超電導回路を構成することができる。
【００５６】
（実施例４）
図１３は本発明に係る超電導ドライバ回路を超電導磁束量子回路と結合した超電導回路の他の構成例を示すブロック図である。超電導回路の全体は、超電導磁束量子回路１０１、磁束量子―電圧変換回路１０２、磁束量子増倍回路１０４および超電導ドライバ回路１０３からなり、これら回路の間が超電導接合線路１１によって接続される構成である。ここで、図１０と図１３とを対比して明らかなように、実施例４では、磁束量子―電圧変換回路１０２と超電導ドライバ回路１０３との間に磁束量子増倍回路１０４が挿入された点を除けば同じである。
【００５７】
先にも述べたように、超電導ドライバ回路１０３は入力された磁束量子列の頻度に対応した電圧が得られるものであるから、高い出力電圧を得るためには、入力される磁束量子列の頻度を大きくすることが有用である。磁束量子増倍回路１０４はそのために挿入されたものである。
【００５８】
図１４は入力された１個の磁束量子を２個に増やして出力する磁束量子増倍回路の例を示す。磁束量子増倍回路は１個の磁束量子２２を入力される分岐回路２４と、この分岐回路２４の２つの出力を伝播するための超電導接合線路１１と、超電導接合線路１１から出力される２個の磁束量子を入力して２個の磁束量子列として出力するコンフルエンスバッファ２５によって構成される。コンフルエンスバッファ２５は２本の入力線と１本の出力線５を有するもので、それぞれの入力線から出力線に磁束量子が通り抜ける。一方の入力線から他方の入力線に磁束量子が通り抜けることや、出力線から入力線に磁束量子が逆流することは阻止される。また、この回路では、分岐回路２４で作られた２つの磁束量子の伝播速度が同じであっても、２個の磁束量子列として出力される。
【００５９】
図１４に示す磁束量子増倍回路１０４によって、磁束量子列は２倍の頻度となって超電導ドライバ回路１０３に入力される。磁束量子増倍回路１０４を挿入することによって、出力電圧がほぼ２倍になった。
【００６０】
磁束量子増倍回路を図１４に示すように１個だけでなく、２個以上直列に接続することも当然可能である。磁束量子増倍回路を２個並べれば磁束量子列の頻度は４倍に、３個並べれば頻度は８倍になる。ただし磁束量子増倍回路による磁束量子列の頻度が超電導接合のＩｃＲｎに対応する値より大きい場合、増倍作用は抑えられる。たとえばＩｃＲｎ値の１ｍＶに対応する磁束量子列の頻度は５００ＧＨｚに相当する。
【００６１】
（実施例５）
図１５は本発明に係る超電導ドライバ回路を超電導磁束量子回路と結合した超電導回路の他の構成例を示すブロック図、図１６は実施例５に適用される超電導ドライバ回路の具体例とこれに磁束量子信号を加えるための超電導接合線路とを示す図である。超電導回路の全体は、超電導磁束量子回路１０１および超電導ドライバ回路１０３からなり、超電導磁束量子回路１０１から出力される磁束量子信号によって超電導ドライバ回路１０３がセット、リセットされる形に構成されている。
【００６２】
図１６を参照しながら、実施例５に適用される超電導ドライバ回路の具体例を説明する。１４は超電導ドライバ回路であり、スクイド６３１，６３２，６３３および６３４の４段重ねの構造とされている。各スクイド６の超電導接合１の臨界電流は下段のスクイドから上段のスクイドに向けて漸次低い値とした。インダクタ７３１，７３２，７３３および７３４の値は下段のスクイドから上段のスクイドに向けて漸次大きい値とした。臨界電流とインダクタの積を磁束量子のほぼ１／２とした。
【００６３】
最下段のスクイド６３１を除き、スクイド６３２，６３３および６３４の右肩および左肩に交互に直流電流の電源線３を接続した。最上段のスクイドでは、インダクタの中央よりずらせた位置に電源線を接続した。印加電流は上段のスクイドとの、超電導接合の臨界電流の差に対応した値とした。最下段のスクイド６３１に直流電流のバイアス電源線３が接続されていない点において図１に示した超電導ドライバ回路と異なる。
【００６４】
超電導ドライバ回路１４の最下段のスクイド６３１の両側に入力信号用の超電導接合線路１５，１６を接続した。超電導接合線路１５の左端からは超電導磁束量子回路１０１から出力される磁束量子信号２２が加えられ、これを超電導ドライバ回路１４の最下段のスクイド６３１の左側に入力する。一方、超電導接合線路１６は超電導接合線路１５の途中から分岐されて磁束量子信号２２を導入され、これを超電導ドライバ回路１４の最下段のスクイド６３１の右側に入力する。
【００６５】
実施例５の超電導ドライバ回路１４は、実施例１と同様、酸化物系の超電導薄膜および絶縁膜によって構成した。超電導接合はイットリウム・バリウム銅酸化物薄膜を上部電極および下部電極とするランプエッジ型とした。基板および電極間の層間絶縁膜にはそれぞれランタン・ストロンチウム・アルミニウム・タンタル酸化物の単結晶および薄膜を用いた。実施例１と同様にグランドプレーンは設けなかった。
【００６６】
実施例５の超電導ドライバ回路１４は以下に示す手順で動作させた。右の超電導接合線路１６から磁束量子が入力されると、超電導ドライバ回路１４は電圧状態になる。つぎに左の超電導接合線路１５から磁束量子が入力されると、超電導ドライバ回路は超電導状態に復帰する。超電導磁束量子回路１０１から出力される磁束量子信号２２を超電導接合線路１５，１６によって周波数が等しく、位相が一定の割合でずれた磁束量子信号として、超電導ドライバ回路１４の最下段のスクイド６３１の両側から入力した。電圧状態では、超電導ドライバ回路１４の出力線５で２．５ｍＶの出力電圧が得られた。
【００６７】
実施例５の超電導ドライバ回路１４の動作原理は以下のとおりである。直列に接続されたスクイド６３１，６３２，６３３および６３４は、それぞれ、共有するインダクタ７を介して、磁束量子信号の情報が最下段から最上段まで伝達される。この結果として、各スクイドは一斉に零電圧状態と電圧状態間をスイッチし、これらが足し合わされた電圧が発生する。
【００６８】
最下段のスクイド６３１を除き、各段のスクイド６３２，６３３および６３４には直流のバイアス電流が印加され、各スクイドは零電圧状態にはあるが、臨界点に近い状態に保持される。超電導接合線路１６から磁束量子２２が超電導ドライバ回路１４の最下段のスクイド６３１に到達したとき、磁束量子にともなうループ電流がインダクタ７３１に流れる。しかし、最下段のスクイド６３１はバイアス電流が印加されていないために、磁束量子にともなうループ電流が流れるだけでは電圧状態にスイッチしない。かつ、もう一方の超電導接合線路１５から次の磁束量子が到達するまで、最下段のスクイド６３１のループに磁束量子は留まったままになっているので、ループ電流も流れ続ける。
【００６９】
最下段のスクイド６３１のインダクタ７３１に加算された電流は２段目のスクイド６３２のスクイドループにも流れる。２段目のスクイド６３２には、バイアス電流が印加されているため、ループ電流が加算されてスクイド６３２は電圧状態にスイッチする。同様にして、２個のスクイドで共有されるインダクタを介して、磁束量子にともなうループ電流が上段のスクイドに伝達される。このため、直列に接続されたスクイドは次々に電圧状態にスイッチする。
【００７０】
一方、もう一方の超電導接合線路１５から次の磁束量子が到達すれば、最下段のスクイド６３１の磁束量子は消滅し、スクイドループの超電導電流は零になる。ループ電流が流れなくなるため、２段目のスクイド６３２は電圧状態から零電圧状態に復帰する。同様にして、直列に接続されたスクイドは次々に零電圧にスイッチする。
【００７１】
本超電導ドライバ回路ではスイッチ動作に１個の磁束量子を用い、かつ最下段のスクイドが電圧状態に遷移しないので、超電導ドライバ回路のスイッチにともなう雑音は接続された超電導磁束量子回路に影響を与えない。
【００７２】
図１７に超電導ドライバ回路１４の出力電圧の高周波特性を、入力される磁束量子とともに示した。上段は超電導接合線路１６を介して入力される磁束量子を示し、これによって超電導ドライバ回路１４のスクイド６３２，６３３および６３４は電圧状態となる。中段は超電導接合線路１５を介して入力される磁束量子を示し、これによって超電導ドライバ回路１４のスクイド６３２，６３３および６３４は電圧状態から零電圧状態に復帰する。下段には超電導ドライバ回路１４の各スクイドの出力電圧を示す。５８は最上段スクイド６３４の出力電圧、５９は３段目スクイド６３３の出力電圧、６０は２段目スクイド６３２の出力電圧、６１は最下段スクイド６３１の出力電圧を示し、上段のスクイドほど高い発生電圧を示すことがわかる。出力電圧２．５ｍＶが得られている。分岐した超電導接合線路１６の遅延に応じて２個の磁束量子の到達時間差に対応して、電圧の発生時間は２５ピコ秒となった。また動作周波数２０ＧＨｚで超電導ドライバ回路は十分追従している。波形の急峻性から判断して、より高い周波数の信号に対しても、本超電導ドライバ回路は増幅作用が可能である。
【００７３】
本超電導ドライバ回路は超電導接合を構成するために必要な２層の超電導膜と、１層の層間絶縁膜で構成した。実施例１と同様、グランドプレーンとなる超電導膜１層と、層間絶縁膜１層を追加して、戻り電流をグランドプレーンに流す構造として、超電導ドライバ回路を構成しても良い。この回路構造としたときは、高周波領域での動作を確保するために、最下段のスクイド以外、グランドプレーンを敷かない配置とするのが良い。
【００７４】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態の項で述べたごとく、本発明に係わる超電導ドライバ回路は以下の効果を有する。
（１）回路面積および寸法を縮小できるので、高集積回路でも用いることができ、かつ多数個の出力信号に対応して超電導ドライバ回路を配列できる。
（２）電源に直流電流源を用いるので、磁束量子信号と駆動電源とのタイミングを合わせる必要がなく、回路動作が容易である。また動作周波数に対する制約がなく、数十ギガヘルツの高周波領域まで対応できる。
（３）昇圧されたスクイド部分をグランドプレーンと重ねる必要がないので、処理できる動作周波数が低減されることなく、数十ギガヘルツの高周波領域まで対応できる。
（４）超電導ドライバ回路から超電導磁束量子回路への雑音の影響が存在しない。したがって、超電導磁束量子回路の動作マージンの減少を来たさない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の超電導ドライバ回路を入力信号線としての超電導接合線路とともに示す図。
【図２】従来用いられている制御線付きスクイド型超電導ドライバ回路の構成例を示す図。
【図３】従来用いられている超電導接合列を利用した超電導ドライバ回路の他の構成例を示す図。
【図４】実施例１の超電導ドライバ回路を酸化物系の超電導薄膜および絶縁膜によって構成した場合のレイアウトの例を示す図。
【図５】図４に示すレイアウトで超電導接合に着目した断面を示す図。
【図６】実施例１の超電導ドライバ回路の出力電圧の高周波特性を示す図。
【図７】実施例２の超電導ドライバ回路を入力信号線としての超電導接合線路とともに示す図。
【図８】実施例２の超電導ドライバ回路を酸化物系の超電導薄膜および絶縁膜によって構成した例の超電導接合に着目した断面構造を示す図。
【図９】実施例２の超電導ドライバ回路の出力電圧の高周波特性を示す図。
【図１０】本発明に係る超電導ドライバ回路を超電導磁束量子回路と結合した超電導回路の構成例を示すブロック図。
【図１１】磁束量子―電圧変換回路の回路例を示す図。
【図１２】上段に磁束量子の波形、中段に磁束量子―電圧変換回路での出力電圧波形、下段に超電導ドライバ回路の電圧波形を示す図。
【図１３】本発明に係る超電導ドライバ回路を超電導磁束量子回路と結合した超電導回路の他の構成例を示すブロック図。
【図１４】入力された１個の磁束量子を２個に増やして出力する磁束量子増倍回路の例を示す図。
【図１５】本発明に係る超電導ドライバ回路を超電導磁束量子回路と結合した超電導回路の他の構成例を示すブロック図。
【図１６】実施例５に適用される超電導ドライバ回路の具体例とこれに磁束量子信号を加えるための超電導接合線路とを示す図。
【図１７】実施例５の超電導ドライバ回路の出力電圧の高周波特性を、入力される磁束量子とともに示す図。
【符号の説明】
１：超電導接合、２：インダクタ、３：直流電流電源、４：信号源、５：出力信号線、６：スクイド、７：スクイドインダクタ、１１，１５，１６：超電導接合線路、１２、１３、１４：超電導ドライバ回路、２１：制御線、２２：入力信号、２４：分岐回路、２５：コンフルエンスバッファ回路、３１：抵抗、１４，３２：交流電源、４１：基板、４２：下部電極、４３：層間絶縁膜、４４：接合障壁層、４５：上部電極、４６：グランドプレーン、４７：層間絶縁膜、５１〜６１：スクイド各段出力電圧。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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