(57)【要約】【課題】  パルス電流の波形整形を可能にし、回路のリセット動作を確実にする。【解決手段】  トリガー電流によって第１の循環電流と第２の循環電流とを発生し、パルス電流を発生するインダクタＬ１，Ｌ２，ジョセフソン接合Ｊ１から構成されるパルス発生回路と、ＪＴＬバッファ１１ｂとの間に、第２の循環電流を排出するためのジョセフソン接合Ｊ２を設ける。コンパレータゲート１２から出力されるＳＦＱを保持するジョセフソン接合Ｊ１２、インダクタＬ１１，Ｌ１２から構成される保持回路に、リセット電流による第４の循環電流を排出するジョセフソン接合Ｊ１３を設ける。ＪＴＬバッファ１１ｂ，１３ａには、バイアス電流を入力する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号波形を測定する超電導サンプラー回路において、
トリガー電流によって第１の循環電流と前記第１の循環電流とは逆向きの第２の循環電流とを発生し、前記第１の循環電流により単一磁束量子パルスを発生するパルス発生回路と、
第１のバイアス電流が入力され、前記単一磁束量子パルスを伝播する第１のジョセフソン伝送線路バッファと、
前記パルス発生回路と前記第１のジョセフソン伝送線路バッファとの間に接続され、前記第２の循環電流を排出するジョセフソン接合と、
前記第１のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子パルスと、前記信号の電流と、可変されるフィードバック電流とが入力され、これらの電流の加算値に応じて単一磁束量子を出力するコンパレータゲートと、
第２のバイアス電流が入力され、前記単一磁束量子を伝播する第２のジョセフソン伝送線路バッファと、
前記第２のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子を保持するとともに、入力されるリセット電流によって、消去単一磁束量子を発生して前記単一磁束量子を消去し、前記消去単一磁束量子を排出する排出ジョセフソン接合を備えた保持回路と、
前記保持回路に保持された前記単一磁束量子を電圧に変換して出力する電圧変換回路と、
を有することを特徴とする超電導サンプラー回路。
【請求項２】
前記コンパレータゲートは、前記単一磁束量子パルスを排出する抵抗を有することを特徴とする請求項１記載の超電導サンプラー回路。
【請求項３】
前記電圧変換回路は、環状の前記保持回路の間に挿入され、前記排出ジョセフソン接合は、前記電圧変換回路の左右どちらか一方側に設けられることを特徴とする請求項１記載の超電導サンプラー回路。
【請求項４】
前記第１のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子パルスを分周する分周回路を有することを特徴とする請求項１記載の超電導サンプラー回路。
【請求項５】
前記コンパレータゲートから出力される前記単一磁束量子を分周する分周回路を有することを特徴とする請求項１記載の超電導サンプラー回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導サンプラー回路に関し、特に信号波形を測定する超電導サンプラー回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導技術を利用した超電導サンプラー回路は、高い時間分解能および広帯域、高感度での信号サンプリング機能を有し、光通信システムや高速デバイス開発など、様々な分野における高速信号波形測定ツールとしての利用が期待されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【０００３】
超電導サンプラー回路では、ジョセフソン接合の高速性と明確な電流しきい値を利用し、繰り返し表される電流波形を測定する（例えば、非特許文献１参照）。
図１１は、超電導サンプラーの動作原理を説明する図である。
【０００４】
図１１において、縦軸はジョセフソン接合１個または複数個からなるコンパレータゲートに流れる電流値を示し、横軸は測定時刻を示している。
コンパレータゲートに予め既知のフィードバック電流Ｉｆを加えて、波形測定される信号電流Ｉｓを加える。信号電流Ｉｓを加えた後、ある時刻ｔ１に、ジョセフソン接合のスイッチにより発生されたパルス電流Ｉｐをコンパレータゲートに加える。
【０００５】
この３つの電流は、コンパレータゲートで加算され、その和が、コンパレータゲートのしきい値Ｉｔｈを超えれば、コンパレータゲートはスイッチする。３つの電流の和が、コンパレータゲートのしきい値Ｉｔｈ以下であれば、コンパレータゲートはスイッチしない。
【０００６】
この操作を、フィードバック電流Ｉｆの値を変えながら複数回行うと、パルス電流Ｉｐが入力された時刻ｔ１にコンパレータゲートがスイッチする最小のフィードバック電流Ｉｆｍｉｎが得られる。フィードバック電流Ｉｆｍｉｎは、次の式（１）で示される。
Ｉｆｍｉｎ＝Ｉｔｈ−Ｉｐ−Ｉｓ……（１）
また、予めＩｓ＝０のときの、最小のフィードバック電流Ｉｆｍｉｎ（０）を求めることができ、次の式（２）で示される。
Ｉｆｍｉｎ（０）＝Ｉｔｈ−Ｉｐ……（２）
時刻ｔ１における信号電流Ｉｓ（ｔ１）の値は、上記の式（１），（２）を用いて、次の式（３）で求めることができる。
Ｉｓ（ｔ１）＝Ｉｆｍｉｎ（０）−Ｉｆｍｉｎ……（３）
次に、パルス電流Ｉｐを発生する時刻を変え、最小のフィードバック電流を測定し、その時刻での信号電流Ｉｓの値を求める。同様の操作を様々なパルス電流Ｉｐの発生時刻に対して行うことにより、信号電流Ｉｓの全体の波形を再現することができる。
【０００７】
なお、図１１では、異なる時刻での測定を表現するためにいくつかのパルス電流Ｉｐを示しているが、１回の測定サイクルに現れるパルス電流Ｉｐは、１つである。
次に、超電導サンプラー回路について説明する。
【０００８】
図１２は、従来の超電導サンプラー回路の回路図である。
図に示すように超電導サンプラー回路は、サンプリングパルス発生回路１０１、コンパレータゲート１０２、および出力読み出し回路１０３を有している。
【０００９】
サンプリングパルス発生回路１０１は、トリガー電流端子１０１ａ、ジョセフソン接合Ｊ１０２〜Ｊ１０５、およびインダクタＬ１０３〜Ｌ１０６から構成されるジョセフソン伝送線路（Josephson Transmission Line：以下ＪＴＬ）バッファ１０１ｂを有している。
【００１０】
トリガー電流端子１０１ａにトリガー電流が入力されると、ジョセフソン接合Ｊ１０１，Ｊ１０２、インダクタＬ１０２からなる第１のループに、図１２の紙面を表から裏に貫く単一磁束量子（Single Flux Quantum：以下ＳＦＱ）が侵入する。それに伴って、第１のループに第１の循環電流が流れる。第１の循環電流は、パルス電流となってＪＴＬバッファ１０１ｂを伝播し、コンパレータゲート１０２に出力される。インダクタＬ１０１、ジョセフソン接合Ｊ１０１からなる第２のループには、図１２の紙面を裏から表に貫くＳＦＱが侵入し、第２の循環電流が流れる。第２の循環電流は、パルス電流の発生を１回だけに限定するために必要とされる電流である。
【００１１】
コンパレータゲート１０２は、波形測定される信号電流が入力される信号電流端子１０２ａ、フィードバック電流が入力されるフィードバック電流端子１０２ｂを有している。
コンパレータゲート１０２のジョセフソン接合Ｊ１０７には、サンプリングパルス発生回路１０１から出力されるパルス電流と、波形測定される信号電流と、フィードバック電流との加算値が流れる。この３つの電流の和がジョセフソン接合Ｊ１０７のしきい値を超えると、ジョセフソン接合Ｊ１０７はスイッチし、ＳＦＱがジョセフソン接合Ｊ１０７，Ｊ１０８、インダクタＬ１０７からなる第３のループに侵入する。そして、第３のループに第３の循環電流が流れる。
【００１２】
出力読み出し回路１０３は、ジョセフソン接合Ｊ１０８〜Ｊ１１１、インダクタＬ１０８〜Ｌ１１１から構成されるＪＴＬバッファ１０３ａ、リセット電流端子１０３ｂ、およびジョセフソン接合Ｊ１１２，Ｊ１１３から構成される超電導量子干渉素子（Superconducting Quantum Interference Device：以下ＳＱＵＩＤ）を有している。なお、ＪＴＬバッファ１０３ａと前述したＪＴＬバッファ１０１ｂは、素子分離の機能を有し、不要な電流の流れ込みを防止してノイズの発生を防止している。
【００１３】
ＪＴＬバッファ１０３ａは、第３の循環電流を、ジョセフソン接合Ｊ１１１、インダクタＬ１１１，Ｌ１１２からなる第４のループに、第４の循環電流として伝播する。第４のループは、第４の循環電流を保持するように構成されている。この第４の循環電流を、ＳＱＵＩＤによって、電圧として出力端子１０３ｃ，１０３ｄから取り出し、そのときのフィードバック電流を測定することによって、信号電流の波形を測定することができる。
【００１４】
各測定サイクルの最後には、リセット電流をリセット電流端子１０３ｂから入力する。リセット電流による反対向きのＳＦＱによって、第４のループに保持されたＳＦＱはリセットされる。
【００１５】
コンパレータゲート１０２が有しているジョセフソン接合Ｊ１０６は、パルス波形整形用エスケープ接合であり、第１の循環電流によるパルス電流の波形整形を行うとともに、第２のループが保持しているＳＦＱを排出する。第２のループが保持しているＳＦＱは、トリガー電流の入力が終わった後、ＪＴＬバッファ１０１ｂを伝播し、ジョセフソン接合Ｊ１０６をスイッチする。第２のループが保持しているＳＦＱは、ジョセフソン接合Ｊ１０６の抵抗によってサンプラー回路から排出される。また、リセット電流によるＳＦＱも、ＪＴＬバッファ１０３ａを伝播し、ジョセフソン接合Ｊ１０６から排出される。
【特許文献１】特開２００３−２８８９８号公報（段落番号〔００３７〕〜〔００４６〕、図１）
【特許文献２】特開２００１−４６６６号公報（段落番号〔００５９〕〜〔００９８〕、図１〜図５）
【特許文献３】特開２０００−１１１５８８号公報（段落番号〔００１６〕〜〔００２４〕、図１）
【特許文献４】特開平７−１３１０８２号公報（段落番号〔００１８〕〜〔００２６〕、図１）
【非特許文献１】日高睦夫、丸山道隆、佐藤哲朗、「高温超伝導体を用いた単一磁束量子（ＳＦＱ）サンプラー」、電子情報通信学会論文誌、２００３年１１月、ＶＯＬ．Ｊ８６−Ｃ、ＮＯ．１１、ｐ．１１２８〜１１３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、従来の超電導サンプラー回路では、第２のループが保持するＳＦＱが、コンパレータゲート１０２へと伝播し、不正なタイミングでのサンプリング動作を引き起こす恐れがあった。
【００１７】
また、パルス電流の波形整形を行うには、ＪＴＬバッファ１０１ｂのジョセフソン接合Ｊ１０２〜Ｊ１０５にグランド方向に向かうバイアス電流を入力する必要があるが、第２のループで保持されるＳＦＱは、第１のループで発生するＳＦＱとは逆向きであり、第２のループが保持しているＳＦＱの排出を確保する必要性から、バイアス電流を入力することができない。
【００１８】
さらに、第４のループに保持されたＳＦＱをリセットするリセット電流によるＳＦＱは、ジョセフソン接合Ｊ１０６で排出されるためにＪＴＬバッファ１０３ａおよびジョセフソン接合Ｊ１０７を伝播させる必要があり、確実なリセット動作が難しく、また、第３のループのＳＦＱを伝播させる必要があるため、ＪＴＬバッファ１０３ａにバイアス電流を入力することができない。
【００１９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、コンパレータゲートの誤動作を防止し、ＪＴＬバッファにバイアス電流を入力できるようにしてＳＦＱパルスの波形整形を可能にし、さらに、リセット動作を確実にすることができる超電導サンプラー回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明では上記問題を解決するために、図１に例示する構成によって実現可能な超電導サンプラー回路が提供される。本発明の超電導サンプラー回路は、信号波形を測定する超電導サンプラー回路において、トリガー電流によって第１の循環電流と第１の循環電流とは逆向きの第２の循環電流とを発生し、第１の循環電流により単一磁束量子パルスを発生するパルス発生回路と、第１のバイアス電流が入力され、単一磁束量子パルスを伝播する第１のジョセフソン伝送線路バッファと、パルス発生回路と第１のジョセフソン伝送線路バッファとの間に接続され、第２の循環電流を排出するジョセフソン接合と、第１のジョセフソン伝送線路バッファから出力される単一磁束量子パルスと、信号の電流と、可変されるフィードバック電流とが入力され、これらの電流の加算値に応じて単一磁束量子を出力するコンパレータゲートと、第２のバイアス電流が入力され、単一磁束量子を伝播する第２のジョセフソン伝送線路バッファと、第２のジョセフソン伝送線路バッファから出力される単一磁束量子を保持するとともに、入力されるリセット電流によって、消去単一磁束量子を発生して単一磁束量子を消去し、消去単一磁束量子を排出する排出ジョセフソン接合を備えた保持回路と、保持回路に保持された単一磁束量子を電圧に変換して出力する電圧変換回路と、を有することを特徴とする。
【００２１】
図１に示す超電導サンプラー回路において、インダクタＬ１，Ｌ２、ジョセフソン接合Ｊ１は、第１の循環電流と第２の循環電流とを発生し、第１の循環電流より単一磁束量子パルスを発生するパルス発生回路である。ＪＴＬバッファ１１ｂは、バイアス電流が入力されて単一磁束量子パルスを伝播する第１のジョセフソン伝送線路バッファである。ジョセフソン接合Ｊ２は、ＪＴＬバッファ１１ｂとパルス発生回路の間に接続され、第２の循環電流を排出するジョセフソン接合である。コンパレータゲート１２は、単一磁束量子パルスと、信号の電流と、フィードバック電流とが入力され、これらの電流の加算値に応じて単一磁束量子を出力するコンパレータゲートである。ＪＴＬバッファ１３ａは、バイアス電流が入力されて単一磁束量子を伝播する第２のジョセフソン伝送線路バッファである。ジョセフソン接合Ｊ１２、インダクタＬ１１，Ｌ１２は、ＪＴＬバッファ１３ａから出力される単一磁束量子を保持するとともに、入力されるリセット電流によって、消去単一磁束量子を発生して単一磁束量子を消去し、消去単一磁束量子を排出する排出ジョセフソン接合（ジョセフソン接合Ｊ１３）を備えた保持回路である。これによって、コンパレータゲート１２の誤動作を防止できる。また、ＪＴＬバッファ１１ｂ，１３ａに、バイアス電流を入力することが可能になる。さらに、保持回路に消去単一磁束量子を排出する排出ジョセフソン接合を備えることによって、リセット動作が確実になる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の超電導サンプラー回路では、第１の循環電流と第２の循環電流とを発生して単一磁束量子パルスを発生するパルス発生回路と、第１のジョセフソン伝送線路バッファとの間に、第２の循環電流を排出するためのジョセフソン接合を設けるようにした。これによって、コンパレータゲートの誤動作を防止することができる。
【００２３】
また、第２の循環電流を、第１のジョセフソン伝送線路バッファを伝播させて排出しなくて済み、第１のジョセフソン伝送線路バッファにバイアス電流を入力することができ、パルス電流の波形整形をすることができる。
【００２４】
また、単一磁束量子を保持する保持回路に、リセット電流による消去単一磁束量子を排出する排出ジョセフソン接合を備えるようにした。これによって、単一磁束量子を、第２のジョセフソン伝送線路バッファおよびコンパレータゲートを伝播させて排出しなくて済み、単一磁束量子を消去するリセット動作を確実にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る超電導サンプラー回路を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る超電導サンプラー回路の回路図である。
【００２６】
図に示すように超電導サンプラー回路は、サンプリングパルス発生回路１１、コンパレータゲート１２、および出力読み出し回路１３を有している。
サンプリングパルス発生回路１１は、ジョセフソン接合Ｊ１〜Ｊ６、インダクタＬ１〜Ｌ６、トリガー電流端子１１ａを有している。
【００２７】
トリガー電流端子１１ａは、ジョセフソン接合Ｊ１、インダクタＬ１，Ｌ２の一端と接続されている。ジョセフソン接合Ｊ１、インダクタＬ１の他端は、グランドに接続されている。
【００２８】
ジョセフソン接合Ｊ３〜Ｊ６とインダクタＬ３〜Ｌ６は、４段のＪＴＬバッファ１１ｂを構成している。ジョセフソン接合Ｊ３とインダクタＬ３の一端は、互いに接続され、ジョセフソン接合Ｊ３の他端は、グランドに接続されている。
【００２９】
インダクタＬ３とジョセフソン接合Ｊ３は、１段のＪＴＬバッファを構成している。インダクタＬ３の他端には、ジョセフソン接合Ｊ４とインダクタＬ４から構成される１段のＪＴＬバッファが接続されている。同様に、ジョセフソン接合Ｊ５とインダクタＬ５から構成される１段のＪＴＬバッファ、ジョセフソン接合Ｊ６とインダクタＬ６から構成される１段のＪＴＬバッファが接続されて、４段のＪＴＬバッファを構成している。各段を構成しているＪＴＬバッファのジョセフソン接合Ｊ３〜Ｊ６の一端には、バイアス電流が入力されるための端子が接続されている。なお、ＪＴＬバッファ１１ｂは、図１では４段となっているがこの段数に限られない。
【００３０】
ジョセフソン接合Ｊ２は、インダクタＬ２の他端とＪＴＬバッファ１１ｂの間に接続されている。
コンパレータゲート１２は、ジョセフソン接合Ｊ７，Ｊ８、信号電流端子１２ａ、フィードバック電流端子１２ｂを有している。
【００３１】
信号電流端子１２ａとフィードバック電流端子１２ｂは、ジョセフソン接合Ｊ７，Ｊ８の一端と接合されている。ジョセフソン接合Ｊ７の他端は、ＪＴＬバッファ１１ｂのインダクタＬ６に接続され、ジョセフソン接合Ｊ８の他端は、グランドに接続されている。
【００３２】
出力読み出し回路１３は、ジョセフソン接合Ｊ９〜Ｊ１５、インダクタＬ８〜Ｌ１２、リセット電流端子１３ｂ、電圧出力端子１３ｃ，１３ｅ、およびバイアス電流端子１３ｄを有している。
【００３３】
ジョセフソン接合Ｊ９〜Ｊ１２とインダクタＬ８〜Ｌ１１は、４段のＪＴＬバッファ１３ａを構成している。ＪＴＬバッファ１３ａは、インダクタＬ７を介して、コンパレータゲート１２と接続されている。ジョセフソン接合Ｊ９とインダクタＬ８の一端は、互いに接続され、ジョセフソン接合Ｊ９の他端は、グランドに接続されている。
【００３４】
インダクタＬ８とジョセフソン接合Ｊ９は、１段のＪＴＬバッファを構成している。インダクタＬ８の他端には、ジョセフソン接合Ｊ１０とインダクタＬ９から構成される１段のＪＴＬバッファが接続されている。同様に、ジョセフソン接合Ｊ１１とインダクタＬ１０から構成される１段のＪＴＬバッファ、ジョセフソン接合Ｊ１２とインダクタＬ１１から構成される１段のＪＴＬバッファが接続されて、４段のＪＴＬバッファを構成している。各段を構成しているＪＴＬバッファのジョセフソン接合Ｊ９〜Ｊ１２の一端には、バイアス電流が入力されるための端子が接続されている。なお、ＪＴＬバッファ１３ａは、図１では４段となっているがこの段数に限られない。
【００３５】
ジョセフソン接合Ｊ１４，Ｊ１５は、ＳＱＵＩＤを構成している。ジョセフソン接合Ｊ１４，Ｊ１５の一方には、インダクタＬ１２が接続され、他方には、ＳＱＵＩＤの電圧を取り出すための電圧出力端子１３ｃおよびバイアス電流端子１３ｄが接続されている。インダクタＬ１２のジョセフソン接合Ｊ１５と接続されている側の端子は、グランドに接続されている。
【００３６】
ＪＴＬバッファ１３ａの出力であるインダクタＬ１１とＳＱＵＩＤの間には、リセット電流が入力されるリセット電流端子１３ｂ、ジョセフソン接合Ｊ１３、および電圧出力端子１３ｅが接続されている。ジョセフソン接合Ｊ１３は、リセット電流端子１３ｂとＳＱＵＩＤの間に設けられている。
【００３７】
なお、上記のインダクタＬ１〜Ｌ１２は、超電導体の配線それ自体が持つインダクタンス成分を利用している。
サンプリングパルス発生回路１１のインダクタＬ１，Ｌ２、ジョセフソン接合Ｊ１、およびトリガー電流端子１１ａは、パルス発生回路を構成している。トリガー電流端子１１ａにトリガー電流が入力されると、トリガー電流は、インダクタンスの一番小さなジョセフソン接合Ｊ１を流れる。トリガー電流によってジョセフソン接合Ｊ１がスイッチすると、ジョセフソン接合Ｊ１〜Ｊ３、インダクタＬ２からなる第１のループに、図１の紙面を表から裏に貫くＳＦＱが侵入する。それに伴って、第１のループに第１の循環電流が流れる。第１の循環電流は、パルス電流となってＪＴＬバッファ１１ｂを伝播し、コンパレータゲート１２に出力される。なお、超電導回路では、循環電流が伝播すると同様に、ＳＦＱが伝播するというように考えることもできる。
【００３８】
一方、ジョセフソン接合Ｊ１、インダクタＬ１からなる第２のループには、図１の紙面を裏から表に貫くＳＦＱが侵入し、第２の循環電流が流れる。第２の循環電流は、パルス電流の発生を１回だけに限定するために必要とされる電流である。
【００３９】
ＪＴＬバッファ１１ｂには、バイアス電流が入力される。これによって、ＪＴＬバッファ１１ｂを伝播するパルス電流は、波形整形がされる。
コンパレータゲート１２の信号電流端子１２ａには、波形測定される信号電流が入力される。フィードバック電流端子１２ｂには、可変されるフィードバック電流が入力される。ジョセフソン接合Ｊ８には、信号電流端子１２ａに入力される信号電流と、フィードバック電流端子１２ｂに入力されるフィードバック電流と、サンプリングパルス発生回路１１から出力されるパルス電流との加算値が流れる。この３つの電流の和が、ジョセフソン接合Ｊ８のしきい値を超えると、ジョセフソン接合Ｊ８はスイッチする。これによって、ジョセフソン接合Ｊ８，Ｊ９、インダクタＬ７からなる第３のループにＳＦＱが侵入し、第３の循環電流が流れる。
【００４０】
ジョセフソン接合Ｊ７は、パルス波形整形用エスケープ接合であり、ＪＴＬバッファ１１ｂから出力されるＳＦＱを排出するとともに、コンパレータゲート１２をスイッチさせるためのパルス電流の波形整形をする機能を持つ。
【００４１】
第３のループに流れる第３の循環電流は、ＪＴＬバッファ１３ａを伝播する。ＪＴＬバッファ１３ａには、バイアス電流が入力されており、これによって、第３の循環電流は、ＪＴＬバッファ１３ａを確実に伝播することができる。
【００４２】
なお、ＪＴＬバッファ１３ａと前述したＪＴＬバッファ１１ｂは、素子分離の機能も有し、不要な電流の流れ込みを防止して、ノイズの発生を防止している。
ＪＴＬバッファ１３ａを伝播した第３の循環電流は、ジョセフソン接合Ｊ１２、インダクタＬ１１，Ｌ１２からなる保持回路の第４のループに、第４の循環電流として伝播する。第４のループは、第４の循環電流を保持するように構成されている。この第４の循環電流は、ジョセフソン接合Ｊ１４，Ｊ１５より構成されているＳＱＵＩＤによって、電圧として出力される。
【００４３】
各測定サイクルの最後には、リセット電流端子１３ｂからリセット電流が入力される。リセット電流による反対向きのＳＦＱによって、第４のループに保持されたＳＦＱ（第４の循環電流）はリセット（排出）される。
【００４４】
ジョセフソン接合Ｊ２は、インダクタＬ１，Ｌ２、ジョセフソン接合Ｊ１から構成されるパルス発生回路と、ＪＴＬバッファ１１ｂとの間に設けられたリセット用接合である。ジョセフソン接合Ｊ２は、トリガー電流の入力が終わった後スイッチし、第２のループが保持している第２の循環電流を排出する。
【００４５】
ジョセフソン接合Ｊ１３は、ジョセフソン接合Ｊ１２、インダクタＬ１１，Ｌ１２から構成される保持回路に設けられたリセット用接合である。ジョセフソン接合Ｊ１３は、リセット電流による反対向きのＳＦＱをサンプラー回路から排出する。
【００４６】
このように、ジョセフソン接合Ｊ２を設けたことによって、第２の循環電流を、ＪＴＬバッファ１１ｂを伝播させて排出しなくて済むようになる。よって、ＪＴＬバッファ１１ｂにバイアス電流を入力することができるようになり、波形整形をすることができる。また、コンパレータゲート１２の誤動作を防止することができる。
【００４７】
また、ジョセフソン接合Ｊ１３を設けたことによって、リセット電流による反対向きのＳＦＱを、ＪＴＬバッファ１３ａおよびジョセフソン接合Ｊ８を伝播させて排出しなくて済むようになる。よって、リセット動作を確実に行えるようになる。また、ＪＴＬバッファ１３ａにバイアス電流を入力することができるようになり、コンパレータゲート１２から出力される第３の循環電流を確実に伝播させることができる。
【００４８】
図２は、バイアス電流が入力された超電導サンプラー回路の回路図である。
図２に示す超電導サンプラー回路は、配線自体が持つインダクタンス成分を示す位置が図１と異なっているだけで、本質的な構成、機能は図１と同じである。また、図に示す値は、各素子のパラメータを示している。図中のｍは、ｍＡ（ミリアンペア）を示し、ｐは、ｐＨ（ピコヘンリ）を示している。また、ジョセフソン接合に付されている電流値は、ジョセフソン接合がスイッチする臨界電流を示している。
【００４９】
図に示すようにＪＴＬバッファ２１には、バイアス電流回路２２によって、バイアス電流が入力されている。また、ＪＴＬバッファ２３には、バイアス電流回路２４によって、バイアス電流が入力されている。
【００５０】
図に示すような、バイアス電流回路２２，２４によって、ＪＴＬバッファ２１，２３にバイアス電流が供給される。
図３は、図２の超電導サンプラー回路と比較される従来の超電導サンプラー回路の回路図である。
【００５１】
図３に示す超電導サンプラー回路は、配線自体が持つインダクタンス成分を示す位置が、図１２の従来例と異なっているだけで、本質的な構成、機能は図１２と同じである。また、図に示す値は、各素子のパラメータを示している。図中のｍは、ｍＡ（ミリアンペア）を示し、ｐは、ｐＨ（ピコヘンリ）を示している。また、ジョセフソン接合に付されている電流値は、ジョセフソン接合がスイッチする臨界電流を示している。
【００５２】
図に示すように従来の超電導サンプラー回路では、ＪＴＬバッファ２５，２６にバイアス電流を入力することができない。
図４は、パルス電流の波形シミュレーション結果を示した図で、（ａ）は図３の超電導サンプラー回路、（ｂ）は図２の超電導サンプラー回路の波形を示す。
【００５３】
図４（ａ），（ｂ）に示す波形は、図２，３に示す素子のパラメータでのシミュレーション結果である。図４（ａ）に示す波形は、図３に示した点Ｂでの波形、図４（ｂ）に示す波形は、図２に示した点Ａでの波形である。
【００５４】
図４（ａ）に示すように、図３に示した従来の超電導サンプラー回路では、パルス電流の半値幅は４５ピコ秒となった。一方、図４（ｂ）に示すように図２に示した本発明に係る超電導サンプラー回路では、パルス電流の半値幅は２．４ピコ秒となった。
【００５５】
このように、ＪＴＬバッファにバイアス電流を入力することによって、パルス電流は波形整形され、急峻な波形が得られる。これによって、信号電流の高い時間分解能が得られ、波形測定できる信号電流の周波数が高くなる。具体的には、１００ＧＨｚ以上の周波数を持つ信号電流の波形測定が可能となる。
【００５６】
図５は、図２における超電導サンプラー回路の信号電流波形のシミュレーション結果を示した図である。
図に示す波形は、図２の超電導サンプラー回路によって波形測定される信号電流のシミュレーション結果である。横軸は位相（degree）を示し、縦軸は最小のフィードバック電流の電流値（Ifmin）を示す。
【００５７】
なお、図に示す波形は、０．１ｍＡの正弦波の信号電流（Is）を入力し、０．０１ｍＡのステップでフィードバック電流（If）を入力したときのシミュレーション結果である。また、図に示す波形は、上から、５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ、１５０ＧＨｚ、２００ＧＨｚの信号電流を入力したときのシミュレーション結果である。
【００５８】
図６は、図３における超電導サンプラー回路の信号電流波形のシミュレーション結果を示した図である。
図に示す波形は、図３の従来の超電導サンプラー回路によって波形測定される信号電流のシミュレーション結果である。横軸は位相（degree）を示し、縦軸は最小のフィードバック電流の電流値（Ifmin）を示す。
【００５９】
なお、図に示す波形は、０．１ｍＡの正弦波の信号電流（Is）を入力し、０．０１ｍＡのステップでフィードバック電流（If）を入力したときのシミュレーション結果である。また、図に示す波形は、上から、１ＧＨｚ、３ＧＨｚ、５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ、１５０ＧＨｚ、２００ＧＨｚの信号電流を入力したときのシミュレーション結果である。
【００６０】
本発明の超電導サンプラー回路では、ＪＴＬバッファにバイアス電流を入力して、パルス電流を波形整形する。よって、従来の超電導サンプラー回路に対し、信号電流の高い時間分解能が得られ、波形測定できる信号電流の周波数が高くなる。図５と図６を比較すると、本発明の超電導サンプラー回路は、従来の超電導サンプラー回路より、高い周波数の信号電流波形を測定することが可能である。
【００６１】
また、本発明の超電導サンプラー回路では、バイアス電流が入力されたＪＴＬバッファにより、パルス電流を波形整形し、なまらせることなくコンパレータゲートに入力する。よって、コンパレータゲートでは、スムーズにスイッチング動作が行われるので、適正な信号電流波形を得ることができる。図５の信号電流波形は、図６の信号電流波形より、正弦波に近い波形となっている。
【００６２】
図７は、超電導サンプラー回路の周波数特性を示した図である。
図に示すグラフの横軸は信号周波数を示し、縦軸は規格化観測波形振幅を示す。図に示す波形は、上から、ＩｃＲｎ（臨界電流値とシャント抵抗値の積でジョセフソン接合の信号処理能力を示す量）が１．０ｍＶにおける図２の超電導サンプラー回路の周波数特性、ＩｃＲｎが０．７ｍＶにおける図２の超電導サンプラー回路の周波数特性、ＩｃＲｎが０．７ｍＶにおける図３の超電導サンプラー回路の周波数特性を示している。
【００６３】
本発明の超電導サンプラー回路では、バイアス電流が入力されるＪＴＬバッファにより、パルス電流の波形整形をし、高い時間分解能によって信号電流の波形を測定する。よって、図７に示すように、本発明の超電導サンプラー回路は、従来の超電導サンプラー回路に対し、周波数特性が改善される。図３に示した従来の超電導サンプラー回路は、３ＧＨｚ以下で波形振幅が３ｄＢ減衰するのに対し、図２に示した本発明の超電導サンプラー回路では、ＩｃＲｎが１．０ｍＶの場合、１５０ＧＨｚ以上で波形振幅が３ｄＢ減衰している。また、ＩｃＲｎが０．７ｍＶの場合、１１０ＧＨｚ以上で波形振幅が３ｄＢ減衰している。
【００６４】
このように、第１の循環電流と第２の循環電流を発生して、パルス電流を発生するインダクタＬ１，Ｌ２，ジョセフソン接合Ｊ１から構成されるパルス発生回路と、ＪＴＬバッファ１１ｂとの間に、第２の循環電流を排出するためのジョセフソン接合Ｊ２を設けるようにした。これによって、第２の循環電流を、ＪＴＬバッファ１１ｂを伝播させて排出する必要がなくなり、ＪＴＬバッファ１１ｂにバイアス電流を入力することができるので、パルス電流の波形整形をすることができる。
【００６５】
また、第２の循環電流を、ＪＴＬバッファ１１ｂを伝播させて排出する必要がなくなったので、コンパレータゲート１２での誤動作を防止することができる。
また、パルス電流は、波形整形によって急峻な波形となり、コンパレータゲート１２のスイッチ動作をスムーズにするので、広帯域かつ高感度での信号電流を得ることができる。
【００６６】
また、ＳＦＱを保持するジョセフソン接合Ｊ１２、インダクタＬ１１，Ｌ１２から構成される保持回路に、リセット電流による第４の循環電流を排出するジョセフソン接合を設けるようにした。これによって、第４の循環電流を、ＪＴＬバッファ１３ａを伝播させて排出する必要がなくなり、ＪＴＬバッファ１３ａにバイアス電流を入力することができるので、ＳＦＱの伝播を確実にすることができる。
【００６７】
また、リセット電流による第４の循環電流を、ＪＴＬバッファ１３ａおよびジョセフソン接合Ｊ８を伝播させる必要がなくなり、リセット動作を確実にすることができる。そして、安定した超電導サンプラー回路の動作が得られるようになる。
【００６８】
なお、図１において、ジョセフソン接合Ｊ１３を除いた回路を構成することもできる。この場合、リセット電流による第４の循環電流は、ＪＴＬバッファ１３ａを伝播して、ジョセフソン接合Ｊ７で排出させる必要があるため、ＪＴＬバッファ１３ａにバイアス電流を入力することはできない。しかしこの場合であっても、バイアス電流が入力されるＪＴＬバッファ１１ｂによる効果は享受することができる。
【００６９】
また、図１において、信号電流端子１２ａの入力インピーダンスが既知である、あるいは、信号電流端子１２ａに既知の入力インピーダンスを有する電圧−電流変換回路等を付加する場合には、信号の電圧波形も測定できる。
【００７０】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る超電導サンプラー回路を図面を参照して詳細に説明する。
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る超電導サンプラー回路の回路図である。
【００７１】
図８において、図１と同じものには同じ符号を付し、その説明は省略する。
図に示すように、コンパレータゲート３１は、一端がジョセフソン接合Ｊ８、信号電流端子１２ａ、フィードバック電流端子１２ｂと接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２を有している。抵抗Ｒ１の他端は、ＪＴＬバッファ１１ｂのインダクタＬ６と接続されている。抵抗Ｒ２の他端は、インダクタＬ７と接続されている。
【００７２】
第１の実施の形態では、ジョセフソン接合Ｊ７によって、コンパレータゲート１２（ジョセフソン接合Ｊ８）がスイッチする前に、ＳＦＱを排出するとともにパルス電流を波形整形していた。しかし、パルス電流は、ＪＴＬバッファ１１ｂによって、波形整形されることから、ＳＦＱを排出する機能のみを有していてもよい。そこで、第２の実施の形態では、抵抗Ｒ１，Ｒ２によって、ＳＦＱの排出のみを行うようにしている。
【００７３】
このように、コンパレータゲート３１のパルス電流が入力される入力段に抵抗Ｒ１を設け、第３の循環電流を出力する出力段に抵抗Ｒ２を設けるようにした。これによって、パルス電流は、抵抗Ｒ１，Ｒ２で排出することができる。なお、抵抗Ｒ１のみによって、コンパレータゲート３１を構成し、ＳＦＱを排出することも可能である。
【００７４】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る超電導サンプラー回路を図面を参照して詳細に説明する。
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る超電導サンプラー回路の回路図である。
【００７５】
図９において、図１と同じものには同じ符号を付し、その説明は省略する。
図に示すように、ジョセフソン接合Ｊ２１とリセット電流が入力されるリセット電流端子３１ａは、ジョセフソン接合Ｊ１４，Ｊ１５から構成されるＳＱＵＩＤとグランドの間に接続されている。リセット電流端子３１ａは、ＳＱＵＩＤのジョセフソン接合Ｊ１５とジョセフソン接合Ｊ２１の間に設けられている。
【００７６】
ジョセフソン接合Ｊ２１は、リセット電流による、第４の循環電流のＳＦＱとは反対向きのＳＦＱによってスイッチする。反対向きのＳＦＱは、ジョセフソン接合の抵抗によって、第４のループから排出される。
【００７７】
すなわち、リセット電流端子とリセット電流によるＳＦＱを排出するジョセフソン接合は、ジョセフソン接合Ｊ１２、インダクタＬ１１，Ｌ１２から構成される環状の保持回路の間に挿入されるＳＱＵＩＤの左右どちらか一方に接合されていればよく、リセット電流による反対向きのＳＦＱを排出することができる。
【００７８】
次に、本発明の第４の実施の形態に係る超電導サンプラー回路を図面を参照して詳細に説明する。
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る超電導サンプラー回路の回路図である。
【００７９】
図１０において、図１と同じものには同じ符号を付し、その説明は省略する。
図に示すように、サンプリングパルス発生回路１１とコンパレータゲート１２の間には、ＴＦＦ（Toggle-Flip-Flop）５１、遅延回路５２、およびＪＴＬバッファ５３が接続されている。コンパレータゲート１２と出力読み出し回路１３の間には、ＪＴＬバッファ５４およびＴＦＦ５５が接続されている。
【００８０】
ＴＦＦ５１は、サンプリングパルス発生回路１１から出力されるパルス電流を間引いて出力する。すなわち、ＴＦＦ５１は、コンパレータゲート１２に出力するパルス電流の出力周期を分周する。
【００８１】
ＴＦＦ５５は、コンパレータゲート１２から出力されるＳＦＱを間引いて出力する。すなわち、ＴＦＦ５５は、コンパレータゲート１２から出力されるＳＦＱの出力周期を分周する。
【００８２】
遅延回路５２は、ＴＦＦ５１から出力されるＳＦＱパルスの出力タイミングを遅延させる。
ＪＴＬバッファ５３，５４は、ＪＴＬバッファ１１ｂと同じ構成を有し、その説明を省略する。
【００８３】
サンプリングパルス発生回路１１から出力されるパルス電流の出力周期が高速な場合、コンパレータゲート１２で信号電流を必要とする周期分サンプリングできない場合が生ずる。パルス電流の出力周期は、信号周期と同じ、あるいはそれより低速である必要があり、ＴＦＦ５１によって、出力周期を遅らせている。遅延回路５２は、出力タイミングを調整するためのもので、従来は外部に付加していたものを、超電導サンプラー回路に内蔵させることにより、システムを小型化、低コスト化し、かつタイミングジッタの低減を図る。同様の理由により、ＴＦＦ５５においても、コンパレータゲート１２から出力されるＳＦＱの出力周期を遅らせている。
【００８４】
ＪＴＬバッファ５３は、パルス電流がＴＦＦ５１，遅延回路５２を通過するために、その波形がなまるのを防止している。すなわち、ＴＦＦ５１，遅延回路５２を通過したパルス電流の波形整形を行っている。また、それと同時に素子分離の機能も有している。ＪＴＬバッファ５４も同様に、その後段においてＳＦＱがＴＦＦ５５を通過することから、波形整形と素子分離を行う。
【００８５】
このように、パルス電流の出力周期、コンパレータゲート１２から出力されるＳＦＱの出力周期を分周することにより、信号電流の波形測定を確実に行うことができる。
（付記１）  信号波形を測定する超電導サンプラー回路において、
トリガー電流によって第１の循環電流と前記第１の循環電流とは逆向きの第２の循環電流とを発生し、前記第１の循環電流により単一磁束量子パルスを発生するパルス発生回路と、
第１のバイアス電流が入力され、前記単一磁束量子パルスを伝播する第１のジョセフソン伝送線路バッファと、
前記パルス発生回路と前記第１のジョセフソン伝送線路バッファとの間に接続され、前記第２の循環電流を排出するジョセフソン接合と、
前記第１のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子パルスと、前記信号の電流と、可変されるフィードバック電流とが入力され、これらの電流の加算値に応じて単一磁束量子を出力するコンパレータゲートと、
第２のバイアス電流が入力され、前記単一磁束量子を伝播する第２のジョセフソン伝送線路バッファと、
前記第２のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子を保持するとともに、入力されるリセット電流によって、消去単一磁束量子を発生して前記単一磁束量子を消去し、前記消去単一磁束量子を排出する排出ジョセフソン接合を備えた保持回路と、
前記保持回路に保持された前記単一磁束量子を電圧に変換して出力する電圧変換回路と、
を有することを特徴とする超電導サンプラー回路。
【００８６】
（付記２）  前記コンパレータゲートは、前記単一磁束量子パルスを排出する抵抗を有することを特徴とする付記１記載の超電導サンプラー回路。
（付記３）  前記抵抗は、前記単一磁束量子パルスが入力される入力段と、前記単一磁束量子を出力する出力段とに設けられることを特徴とする付記２記載の超電導サンプラー回路。
【００８７】
（付記４）  前記電圧変換回路は、環状の前記保持回路の間に挿入され、前記排出ジョセフソン接合は、前記電圧変換回路の左右どちらか一方側に設けられることを特徴とする付記１記載の超電導サンプラー回路。
【００８８】
（付記５）  前記第１のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子パルスを分周する分周回路を有することを特徴とする付記１記載の超電導サンプラー回路。
【００８９】
（付記６）  前記コンパレータゲートから出力される前記単一磁束量子を分周する分周回路を有することを特徴とする付記１記載の超電導サンプラー回路。
（付記７）  前記第１のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子パルスを遅延する遅延回路を有することを特徴とする付記１記載の超電導サンプラー回路。
【００９０】
（付記８）  信号波形を測定する超電導サンプラー回路において、
トリガー電流によって第１の循環電流と前記第１の循環電流とは逆向きの第２の循環電流とを発生し、前記第１の循環電流により単一磁束量子パルスを発生するパルス発生回路と、
バイアス電流が入力され、前記単一磁束量子パルスを伝播する第１のジョセフソン伝送線路バッファと、
前記パルス発生回路と前記第１のジョセフソン伝送線路バッファとの間に接続され、前記第２の循環電流を排出するジョセフソン接合と、
前段に消去単一磁束量子を排出する排出ジョセフソン接合が設けられ、前記第１のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子パルスと、前記信号の電流と、可変されるフィードバック電流とが入力され、これらの電流の加算値に応じて単一磁束量子を出力するコンパレータゲートと、
前記単一磁束量子を伝播する第２のジョセフソン伝送線路バッファと、
前記第２のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子を保持するとともに、入力されるリセット電流によって、前記消去単一磁束量子を発生して前記単一磁束量子を消去する保持回路と、
前記保持回路に保持された前記単一磁束量子を電圧に変換して出力する電圧変換回路と、
を有することを特徴とする超電導サンプラー回路。
【００９１】
（付記９）  信号波形を測定する超電導サンプラー回路において、
トリガー電流によって第１の循環電流と前記第１の循環電流とは逆向きの第２の循環電流とを発生し、前記第１の循環電流により単一磁束量子パルスを発生するパルス発生回路と、
バイアス電流が入力され、前記単一磁束量子パルスを伝播する第１のジョセフソン伝送線路バッファと、
前記パルス発生回路と前記第１のジョセフソン伝送線路バッファとの間に接続され、前記第２の循環電流を排出するジョセフソン接合と、
前段に消去単一磁束量子を排出する排出ジョセフソン接合が設けられ、前記第１のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子パルスと、前記信号の電流と、可変されるフィードバック電流とが入力され、これらの電流の加算値に応じて単一磁束量子を出力するコンパレータゲートと、
前記単一磁束量子を伝播する第２のジョセフソン伝送線路バッファと、
前記第２のジョセフソン伝送線路バッファから出力される前記単一磁束量子を保持するとともに、入力されるリセット電流によって、前記消去単一磁束量子を発生して前記単一磁束量子を消去する保持回路と、
を有することを特徴とする超電導サンプラー回路。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る超電導サンプラー回路の回路図である。
【図２】バイアス電流が入力された図１の超電導サンプラー回路の回路図である。
【図３】図２の超電導サンプラー回路と比較される従来の超電導サンプラー回路の回路図である。
【図４】パルス電流の波形シミュレーション結果を示した図で、（ａ）は図３の超電導サンプラー回路、（ｂ）は図２の超電導サンプラー回路の波形を示す。
【図５】図２における超電導サンプラー回路の信号電流波形のシミュレーション結果を示した図である。
【図６】図３における超電導サンプラー回路の信号電流波形のシミュレーション結果を示した図である。
【図７】超電導サンプラー回路の周波数特性を示した図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る超電導サンプラー回路の回路図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る超電導サンプラー回路の回路図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る超電導サンプラー回路の回路図である。
【図１１】超電導サンプラーの動作原理を説明する図である。
【図１２】従来の超電導サンプラー回路の回路図である。
【符号の説明】
【００９３】
１１  サンプリングパルス発生回路
１１ａ  トリガー電流端子
１１ｂ，１３ａ，５３，５４  ＪＴＬバッファ
１２，３１  コンパレータゲート
１２ａ  信号電流端子
１２ｂ  フィードバック電流端子
１３，４１  出力読み出し回路
１３ｂ，３１ａ  リセット電流端子
５１，５５  ＴＦＦ
５２  遅延回路
Ｊ１〜Ｊ１５，Ｊ２１  ジョセフソン接合
Ｌ１〜Ｌ１２  インダクタ
Ｒ１，Ｒ２  抵抗
【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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