(57)【要約】【解決手段】基本周波数ｆ０の、準周期的源から来る信号（Ｓｉｎ）の位相ノイズを低減するための装置が、磁束量子φ０を移動することによって電圧パルスを伝送するためのアクティブ線路を備えた超伝導回路を含む。この回路は、０．３ｆｃが、入力として印加される準周期的信号（Ｓｉｎ）の基本周波数ｆ０以下であるような特性周波数ｆｃを有するように定義され、かつ基本周波数ｆ０の電圧パルス信号を出力として送出する。
2006506010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本周波数ｆ０の準周期的源から来る信号（Ｓｉｎ）の位相ノイズを低減するための装置であって、
前記装置が、粒子を移動することによってパルスを伝送するための物理システムを含み、前記物理システムが、前記特性周波数に依存する下限を備えた、前記装置の動作周波数範囲を定義する特性周波数ｆｃを有するように定義され、その方法として、入力として印加される前記準周期的信号（Ｓｉｎ）に関して、前記粒子が相互の斥力相互作用を有し、前記システムが、基本周波数ｆ０におけるパルスを出力として送出するようにする
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
基本周波数ｆ０の準周期的源から来る信号（Ｓｉｎ）の位相ノイズを低減するための、請求項１に記載の装置であって、
前記装置が、磁束量子φ０を移動することによって電圧パルスを伝送するためのアクティブ線路を備えた超伝導回路を含み、前記回路が、０．３ｆｃが入力として印加される前記準周期的信号（Ｓｉｎ）の前記基本周波数ｆ０以下となるような特性周波数ｆｃを有するように定義され、かつ基本周波数ｆ０の電圧パルス信号を出力として送出する
ことを特徴とする装置。
【請求項３】
少なくとも２つの超伝導回路、すなわち前記回路のうちの１つの入力または出力をπ位相シフトするための回路と、周波数逓倍回路において周波数二倍化段階をもたらすための結合器回路とを含む
ことを特徴とする請求項１または２記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項４】
前記超伝導回路が、前記特性周波数で幾何学的に定義されるジョセフソン伝送線路を含む
ことを特徴とする請求項２または３に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項５】
前記ジョセフソン伝送線路が長いジョセフソン接合である
ことを特徴とする請求項４に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項６】
前記伝送線路が、複数の並列に分岐されたジョセフソン接合を含むことを特徴とする、請求項４に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項７】
各ジョセフソン伝送線路が、バイクリスタル接合を備えた線路を含むタイプである
ことを特徴とする請求項６に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項８】
各ジョセフソン伝送線路が、ランプエッジ接合を備えた線路を含むタイプであることを特徴とする、請求項６に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項９】
前記超伝導回路が、並列に配置されたいくつかのジョセフソン伝送線路を含む
ことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか一項に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの伝送線路の入力部にπ位相シフト回路を含み、位相シフトされた信号を前記線路に印加する
ことを特徴とする請求項９に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項１１】
前記位相シフト回路が、前記装置の前記入力信号（Ｓｉｎ）を入力として受信する
ことを特徴とする請求項１０に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項１２】
前記位相シフト回路が、線路からの出力信号を入力として受信する
ことを特徴とする請求項１０に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項１３】
前記超伝導回路が、基板の同じ表面平面に、列１〜ｎのｎジョセフソン伝送線路を含んで、ｎが２以上の整数であり、
前記入力信号および前記位相シフトされた入力信号のうちの一信号が偶数列の線路に印加され、もう一方の信号が奇数列の線路に印加されて、前記出力信号が、前記ｎ線路のうちの１つの出力として送出される
ことを特徴とする請求項１１に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項１４】
電流を供給するために複数の枝路を含む電流バイアス手段を含んで、この電流を各ジョセフソン伝送線路に沿って分配するようにする
ことを特徴とする請求項５乃至１３のいずれか一項に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項１５】
前記入力信号の周波数に従って、前記バイアス電流の強度を調節するための手段を含む
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項１６】
前記超伝導回路が渦糸磁束フロー電圧パルス伝送線路を含む
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項１７】
前記伝送線路が、結晶基板に堆積された、ハイブリッド状態の第２種超伝導膜を含み、前記膜が、その端部でバイアス電流をかけられ、かつマイクロブリッジの箇所を除いて幅方向にスロットを含み、前記スロットが、前記膜を２つの部分に分離することを特徴し、そして前記準周期的信号が、前記膜の前記２つの部分間において前記スロットの一端部に印加され、前記出力信号が、前記膜の前記２つの部分間において前記スロットのもう一方の端部で得られる
ことを特徴とする請求項１６に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項１８】
前記超伝導装置が、前記スロットの表面平面に垂直な向きの直流磁界に浸される
ことを特徴とする請求項１６または１７に記載の位相ノイズ低減装置。
【請求項１９】
前記１つ以上の超伝導回路が、高臨界温度超伝導体を用いる
ことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の位相ノイズ低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、準周期的源から来る信号の位相ノイズを低減するための装置に関する。
【０００２】
本発明は、特に超伝導論理回路、とりわけＲＳＦＱ（高速単一磁束量子）技術における論理回路に適用される。
【背景技術】
【０００３】
一般に、論理システムは、順序付けおよび同期化機能のために、少なくとも１つのクロック信号を用いる。クロック信号は、通常、発振器によって生成される。これらの準周期的信号は、発振器に共振フィルタを組み込んでいても、完全には純粋ではない。したがって、発振器によって生成される準周期的信号のスペクトル密度表示を検討すると、ノイズフロアが観察される。これは、スペクトルのホワイトノイズであり、準周期的信号の短期位相ノイズに相当する。デジタルシステム（コンピュータまたは他のシステム）で通常用いられる位相同期回路では、この短期位相ノイズの低減は可能ではない。その動作は、周波数ドリフトを防ぐための長期の安定効果を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以下において、用語「位相ノイズ」は、信号の周波数スペクトルにおけるノイズフロアかまたはホワイトノイズに相当するノイズを意味するものと理解されたい。本発明の主題は、この位相ノイズを低減するための装置である。このような装置は、高速デジタルエレクトロニクスの分野で特に有益である。この装置によって、特に、高周波および超高周波で動作するデジタル回路において特に厄介な、クロック信号におけるジッタの低減が可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
高速デジタル電子システムにおいて、超伝導回路を用いる論理ファミリが開発された。これは、磁束の量子化の使用および単一の磁束量子φ０の移動に基づいたＲＳＦＱ（高速単一磁束量子）論理ファミリである。このアプローチにおいて、論理データ処理は、結局、電流ループにおける磁束量子の通過に起因する電圧パルスを操作することになる。超伝導体に基づくこの論理ファミリの基本要素の１つは、分岐されたジョセフソン接合であり、この接合によって、単一の磁束量子を移動させるかまたは保持することが可能となり、そして接合への磁束量子の通過によって、その末端に∫Ｖｄｔ＝ｈ／２ｅ＝φ０＝２．０７×１０−１５ウェーバ（ｈはプランク定数である）の電圧パルスが結果としてもたらされる。したがって、現在の技術を用いた場合、電圧パルスは、１ピコ秒にわたり２ミリボルトオーダの振幅を有する。
【０００６】
各接合は、そのジオメトリおよび使用される技術に依存した臨界電流Ｉｃおよび常伝導抵抗Ｒｎによって定義される。伝播／移動機能が、しかるべき接合のバイアス電流制御によって提供され、これによって、接合を通して流れる電流を増加するかまたは減少することが可能となり、かくして磁束量子をループに保持するか、または接合を通して次のループへ磁束量子を移動させることが可能となる。
【０００７】
ＲＳＦＱ論理により、超高周波で動作可能な、アナログ／デジタルコンバータ、ランダムアクセスメモリ、および高速フーリエ変換を計算する信号処理用プロセッサなどの多くの論理回路が結果としてもたらされた。ＲＳＦＱ論理素子の動作上限は、論理素子のジオメトリおよび用いられる技術（三層、プレーナ等）に依存するその臨界周波数によって与えられる。この特性周波数は、次の方程式によって与えられる。すなわち、
ｆｃ＝ＩｃＲｎ／φ０
ここで、Ｉｃは接合の臨界電流であり、Ｒｎは常伝導抵抗であり、φ０は磁束量子であって２．０７×１０−５ウェーバに等しい。
【０００８】
ＲＳＦＱ論理における適用例の有益な検討が、コンスタンティン・Ｋ．リクハレヴ（Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ  Ｋ．  Ｌｉｋｈａｒｅｖ）による文書「超伝導エレクトロニクスの進歩および展望（Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ａｎｄ  ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ  ｏｆ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」（スーパーコンダクティング  サイエンス  テクノロジ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、３（１９９０）、３２５〜３３７ページ）に見出される。
【０００９】
ＲＳＦＱ論理における別のアクティブ素子が、ジョセフソン伝送線路である。ジョセフソン伝送線路は、並列に分岐されたジョセフソン接合を含む線路であり、これらの接合は、超伝導インダクタによってその間を結合される。このような線路は、単一磁束量子の伝播を可能とし、したがって、論理データの移送媒体として役立つ。
【００１０】
このような線路の入力として印加される、１ピコ秒にわたる２ミリボルトオーダの、非常に短い電圧パルスが、フラクソンとも呼ばれる磁束量子φ０の伝播により、永久電流ループを通り、この線路に沿って伝播する。この電圧パルスが、出力部で回復される。これらのジョセフソン伝送線路によって、歪みのない論理パルス伝送が可能となる。
【００１１】
２つのパルスが入力として連続して印加される場合には、２つのフラクソンが線路で生成され、この線路に沿って伝播する。これらの２つのフラクソンは、入力として印加される２つのパルスを分離する時間間隔を表す距離によって、線路で分離される。しかしながら、生成されるフラクソン間の斥力相互作用のために、２つのフラクソン間の距離ｄが、この斥力相互作用がかなりの強さとなるほど短い場合には、線路で空間的再分配が起こるが、これは、線路の入力部で観察された時間間隔とは異なる、２つのパルスを分離する時間間隔によって出力部で明らかにされる。言いかえれば、線路において、１つのパルスが加速され、もう一方が減速された。この効果は、Ｖ．Ｋ．カプルネンコ（Ｖ．Ｋ．  Ｋａｐｌｕｎｅｎｋｏ）による「オーバーダンプ型ジョセフソン伝送線路におけるフラクソン相互作用（Ｆｌｕｘｏｎ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ａｎ  ｏｖｅｒｄａｍｐｅｄ  Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｅ）」（アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、６６、（２４）、１９９５年６月１２日）と題された文書で明確に説明されたが、この文書は、超伝導インダクタによって並列に結合された２００の分岐ジョセフソン接合を含み、かつ１０４ＧＨｚの特性周波数ｆｃを有するジョセフソン伝送線路で実験的に観察された、この効力の数的な実例を備えている。ｆｃ−１に相当し、９．６ｐｓ（ピコ秒）離れた２つの電圧パルスが、入力としてこの線路に印加される。この線路に沿って伝播する２つのフラクソン間の時間間隔が増加する。出力部において、２７ｐｓ離れた２つの電圧パルスが得られる。フラクソン間の斥力のために、１つのパルスが減速され、もう一方が加速されて、結果として、２つのパルスを分離する時間間隔の増加がもたらされた。この修正現象が実際に観察されるのは、３ｆｃ−１で値が求められる接合の飽和時間、すなわち例において約２８．８ｐｓ、未満の時間間隔に対応するフラクソン間距離に対してのみである。フラクソンの間の距離が大きすぎる場合には、力は十分に強くはない。したがって、力が強くなるように、生成されるフラクソンは、十分に接近していることが必要である。例において、３０ピコ秒離れた２つのパルスが線路に注入される場合には、線路の出力部におけるこの時間間隔は不変である。
【００１２】
したがって、論理データを表わすビットシーケンスは、フラクソン間の斥力相互作用効果により、ジョセフソン伝送線路において修正可能だが、これは、論理情報の損失に等しい。論理システムにおいて、この情報の損失は、重大な影響、すなわち生情報の損失、非同期化（位相比較器）等をもたらす可能性がある。この相互作用問題を回避するために、当該文書の筆者は、線路で生成される２つのフラクソン間の時間間隔が、この例において、３ｆｃ−１以上、すなわち２８．８ｐｓ（飽和値）であるように線路を設計することを推奨している。適切な設計は、回路の定義において、特に、臨界電流、常伝導抵抗およびインダクタンスを変えることによって得られる。したがって、相互作用効果は、ジョセフソン接合のバイアス電流を変えることにより、動作において低減することができる。
【００１３】
準周期的源から来る信号のホワイトノイズのろ過に関し、本発明において、フラクソン間のこの斥力相互作用効果は、そこから有利な技術的効果を引き出すのに役立つ。本発明の基礎概念は、基本周波数ｆ０の任意の準周期的源から来るクロック信号からの一連のパルスにこの効果を用いて、この信号のホワイトノイズレベルを、基本波のレベルに比べて低下させるようにすることである。それは、電圧パルスからなるタイプのクロック信号の場合を取り上げると、ホワイトノイズレベルが、信号パルスの時間的分散に、およびしたがって超伝導伝送線路で生成されるフラクソン間の空間的距離の分散に起因するからである。
【００１４】
線路の全長にわたる相互作用効果は、次のことを意味する。すなわち、線路の限られた距離内におけるフラクソンの再分配が、平滑値を中心にした大数のランダムな振る舞いにより、フラクソン間距離の平均値に対応するのが観察されるということである。フラクソンのこの空間的再分配の直接的効果として、出力部におけるパルスの時間的再分配がある。
【００１５】
準周期的信号のホワイトノイズは、信号においては、パルスの時間的分散によって明らかにされ、超伝導伝送線路においては、２つの連続的なフラクソン間の空間的距離の分散によって明らかにされる。
【００１６】
入力部における信号の周期的な性質のために、フラクソンは、線路において周期格子として構成される。これは、ジョセフソン伝送線路において、磁束量子の伝播方向に沿った一次元周期格子である。一定の数のパルスの後、過渡遅れに対応して、この格子の再分配が起こり、平滑なフラクソン間距離は、ほぼ平均値となる。
【００１７】
このように、大数の統計と結合したフラクソン間の斥力現象は、格子内におけるフラクソンの均等な再分配につながり、それによって結果として、線路の出力部において、準周期的信号におけるホワイトノイズレベルの低減がもたらされる。
【００１８】
一般に、本発明によれば、電子（ｑｕａｎｔｒｏｎｉｃ回路）、磁束量子または渦糸など、システムの飽和値（特性周波数）より短い粒子間距離に対して、自身の間に斥力相互作用を有する粒子を生成できる任意の物理システムを取り上げると、その物理システムにおける粒子格子の再構成により位相ノイズを低減することが可能である。
【００１９】
したがって、本発明は、基本周波数ｆ０の準周期的源から来る信号の位相ノイズを低減するための装置に関する。本発明によれば、この装置には、粒子を移動することによりパルスを伝送するための物理システムが含まれるが、このシステムは、特性周波数に依存する下限を備えた、装置の動作周波数範囲を定義する特性周波数ｆｃを有するように定義され、その方法として、入力として印加される準周期的信号に関して、当該粒子が相互の斥力相互作用を有し、当該システムが、基本周波数ｆ０におけるパルスを出力として送出するようにする。
【００２０】
本発明はまた、基本周波数ｆ０の準周期的源から来る信号の位相ノイズを低減するための装置に関する。本発明によれば、この装置には、磁束量子φ０の移動によって電圧パルスを伝送するためのアクティブ線路を備えた超伝導回路が含まれ、そしてこの回路は、０．３ｆｃ≦ｆ０（ここで、ｆ０は、入力として印加される準周期的信号（Ｓｉｎ）の基本周波数である）となる特性周波数ｆｃを有するように定義され、かつ出力として、基本周波数ｆ０の電圧パルス信号を送出する。
【００２１】
位相ノイズの低減は、アクティブな電圧パルス伝送線路からなる超伝導回路を定義することによって改善可能だが、その場合、準周期的信号を印加することの影響により回路に生成される磁束量子が、二次元周期格子に沿って構成されるようにする。かくして、磁束量子間の相互作用が、格子の二次元に沿った最も近くの磁束量子間で発生する。
【００２２】
本発明は、ジョセフソン伝送線路で生成される磁束量子だけでなく、より一般的に、アクティブな電圧パルス伝送線路に基づいた任意の超伝導回路に適用される。特に、本発明はまた、渦糸磁束伝送線路、すなわち伝送線路であって、長いジョセフソン接合、ジョセフソン渦糸磁束フロー、スロット線路もしくはマイクロブリッジ線路、またはアブリコソフ渦糸磁束フローを備えた伝送線路に適用される。
【００２３】
位相低減装置は、さらに、周波数逓倍器回路において有利に用いることが可能である。
【００２４】
本発明の他の利点および特徴は、添付の図面を参照し、本発明の非限定的な表示として与えられた以下の説明を読むことによって、よりはっきりと明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、準周期的源から来て、論理システムにおいてクロック信号として印加される信号Ｓｉｎのスペクトル密度Ａ（Ｓｉｎ）を示す。本発明において、目標は、従来の準周期的源（発振器）から来る信号にとっては約−１１５〜−１２０ｄＢｃである位相ノイズ／信号比Ｎ２／Ｎ１を、少なくとも１０分の１に低減することである。このような低減は、超高周波で動作するエレクトロニクスの分野、および特に、熱ノイズが低い、高Ｔｃ（高臨界温度）超伝導ＲＳＦＱ論理回路に基づくシステムで特に有利である。したがって、短期ノイズが著しく低減された信号の利益が、完全に利用される。
【００２６】
図２は、電圧パルス伝送線路に基づいた超伝導回路を含む、本発明による位相ノイズ低減装置の第１の実施形態を示すが、この回路の入力部に、処理される信号Ｓｉｎが印加され、そして回路が、位相ノイズが低減された信号Ｓｏｕｔを出力として送出する。
【００２７】
この例において、伝送線路は、単純化された回路図として示された複数のジョセフソン接合ＪＪ１、ＪＪ２、．．．ＪＪ２００を含むジョセフソン伝送線路である。ジョセフソン接合は、分岐され、並列に取り付けられ、超伝導インダクタＬｓ１、Ｌｓ２、Ｌｓ３、．．．Ｌｓ２００を介して互いに結合される。超伝導インダクタＬｓ０もまた、入力信号電極Ａと第１のジョセフソン接合ＪＪ１との間で入力部に設けられている。入力信号は、２つの入力信号電極ＡとＭとの間で線路の末端に印加される。出力信号Ｓｏｕｔは、２つの出力信号電極ＢとＭ’との間において、線路の出力部で得られる。電極ＭおよびＭ’は、線路の接地電極である。永久電流ループＢｃが、接合によって閉じられた各セルに確立されるように、接合は、接合の臨界電流未満の電流Ｉｃでバイアスをかけられる。
【００２８】
このような線路の入力部にパルスを印加すると、接合の電流が臨界電流よりも増加する。ジョセフソン効果が生ずる。すなわち、磁束量子が電流ループを通り抜け、対応する電圧パルスが接合の末端に現われる。このように電圧パルスは、歪められずに、線路に沿って伝播する。
【００２９】
クロック信号パルス列が印加される場合には、対応する列が出力部で回復される。本発明によれば、線路の特性は、所定の特性周波数ｆｃを得るように選択される。この特性周波数ｆｃは、この特性周波数に依存する下限を備えた、装置の動作周波数範囲を定義する。入力部に印加される準周期的信号は、その基本周波数が、このように定義された動作範囲内に位置するが、この準周期的信号に関して、有効な斥力相互作用が得られ、それによって、この信号のホワイトノイズのバックグラウンドを低減することが可能となる。
【００３０】
特に、線路の特性は、０．３ｆｃ≦ｆ０を満足させる特性周波数ｆｃを得るように選択される。ここで、０．３ｆｃは、この装置の動作範囲の下限である。
【００３１】
したがって、平均では、フラクソン間距離は線路の飽和値未満である。磁束量子（フラクソン）間の斥力相互作用現象は、平均フラクソン間値あたりで、線路に沿った磁束量子（フラクソン）の空間的再分配に帰着するが、これは、２つのパルス間の時間間隔の平均値に対応して平均値あたりに平滑化することによって行われる。出力部において、信号は、パルス間の時間間隔の標準偏差が相当に低減されている。このようにして、入力信号の短期ノイズまたは位相ノイズが低減される。
【００３２】
ジョセフソン伝送線路の特性は、主としてインダクタンスであり、これらのインダクタンスは、線路の長さならびに技術、特に相互インダクタンスＬｍ、および接合の特性、すなわち臨界電流Ｉｃと常伝導抵抗Ｒｎに依存する。図２の図面を過度に複雑にしないために、ジョセフソン接合のこれらの周知の特性は、第１の接合ＪＪ１のためにのみ示されている。
【００３３】
図３に、ジョセフソン伝送線路タイプの超伝導回路を備えた本発明による位相低減装置の実際的な実施形態を示すが、この実施形態には、バイクリスタル基板における高Ｔｃ超伝導体の薄膜に基づいたプレーナ技術における複数のジョセフソン接合が含まれる。
【００３４】
典型的にはＳｒＴｉＯ３基板かまたはＭｇＯもしくはＹＳＺ基板である２つの基板１および２がともに接着されているが、これらの基板の結晶軸には、表面平面において角度差がある。典型的にはＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｎ（ここで６≦ｎ≦７）形状の材料の膜である超伝導膜３が、バイクリスタル基板の接着線にまたがってバイクリスタルの表面平面に堆積され（エピタクシによって）、その結果、結晶粒界４が、超伝導膜の下で、ちょうど接着部に沿って成長し、電気障壁と等しくなる。その後、膜はラダーパターンにエッチングされ、ラダーの各段が、ジョセフソン接合に対応する。
【００３５】
この例において、段の幅ｗは約５ミクロン、段の長さｌは約２０ミクロン、そして２つの段間の間隔ｈは同じオーダ（２０ミクロン）である。膜それ自体は、１０分の数ミクロン（たとえば０．３μｍ）の厚さに対して、数ミクロンの幅がある。基板の厚さは、数百ミクロンであり、典型的には３００〜１０００μｍである。
【００３６】
電流源（図示せず）は、例として取り上げる技術に関しては、典型的には１００マイクロアンペアオーダのバイアス電流を、ジョセフソン接合のそれぞれに送出する。この例において、このバイアス電流は、超伝導膜３の部分３’に形成された２つの電流バイアス電極ＣとＣ’との間に印加される。この部分は、一連の接合を形成しているラダーの両側に配置されかつペアｂ１、ｂ’１．．．ｂ１００、ｂ’１００で設けられた電流供給枝路によって、この電流をちょうど線路に沿って分配するように、（エッチングによって）形作られている。この例において、電流供給枝路ｂ１およびその相補的な、接地線路側の枝路ｂ’１が、これらの枝路の両側に位置する２つの接合ＪＪ１およびＪＪ２に、バイアス電流をかける。２００のジョセフソン接合を含む線路については、電流源は、線路に沿って分配される数十ミリアンペア（たとえば２０ｍＡ）のオーダのバイアス電流を送出するように設計されている。
【００３７】
典型的には銅または金で作製される入力および出力信号電極Ａ、Ｍ、Ｂ、Ｍ’は、膜の各端部、および結晶粒界４の両側に形成される。
【００３８】
たとえば、２００の接合を含み、長さが約２ミリメートルで、１２５マイクロアンペアの臨海接合電流Ｉｃと、特性周波数ｆｃ（ここでｆｃ＝ＩｃＲｎ／φ０＝１２５×１０−６×２／２．０７×１０−１５ウェーバ＝１１６ギガヘルツ）を定義する２オームの常伝導抵抗Ｒｎとを備えたジョセフソン伝送線路が、３０ケルビン以下の高臨界温度と、各接合のための１００マイクロアンペアバイアス電流（＜Ｉｃ）とを備えたニオブ超伝導膜（０．１μｍ薄膜）に基づいた技術において定義される。約５０〜１００ギガヘルツの基本周波数ｆ０（≧ｆｃ／３）で、かつ経時的に非常にオフセットのある（短期ノイズ）パルスを有するクロック信号が、入力としてこの線路に印加される場合、ホワイトノイズ／信号比が１０分の１に低減された、すなわち約−１３０〜−１４０ｄＢｃ（入力部の−１１５〜−１２０ｄＢｃでなく）の信号のＳｏｕｔを出力として供給することが可能である。
【００３９】
図４ａは、入力として印加される電圧パルス信号Ｓｉｎの影響の下に、このような線路で生成されるフラクソンの格子構造を概略的に示す。
【００４０】
線路がチャンネル５として表示される場合には、信号Ｓｉｎの電圧パルスは、クロック周波数ｆ０で、このチャンネルの一端に注入される。フラクソンｆｌｘ１、ｆｌｘ２．．．ｆｌｘｍが、チャンネル５で生成され、線路におけるフラクソンの伝播方向に対応する一次元格子に沿って空間的に構成される。
【００４１】
伝送線路、すなわち大数の統計が当てはまるように多数の接合を含む線路（シフトレジスタなどの少数の接合だけを含むタイプの超伝導論理回路とは反対に）が用いられるので、入力信号の２つのパルス間の時間間隔の平均値に一致する平均値ｄ０あたりにフラクソン間距離を平滑化することによって、空間の再分配効果が生ずる。言いかえれば、出力信号におけるパルス間の時間間隔値の標準偏差が低減される。より正確には、図４ｂに示すように、入力として印加された信号Ｓｉｎの位相ノイズが、この信号において、分散された時間的な分配によって、明らかにされている。図４ｂに概略的に示すように、この信号によって生成されたフラクソンもまた、この線路において空間的に分散されている。線路の特性（ｆｃ）は、入力信号Ｓｉｎによって生成されるフラクソン間の距離が、平均して線路の飽和値より小さくなるように選択されているので、最も近くの隣接フラクソン間には斥力相互作用がある。図において、これらの斥力は矢印によって示されている。この図に示されている例において、飽和値は２２ピコ秒の時間差に相当すると仮定されている。したがって、フラクソン間距離がこの値より小さな時間差に相当するときはいつでも、相互の斥力は、その（ｆｌｘ１−ｆｌｘ２、ｆｌｘ２−ｆｌｘ３、ｆｌｘ４−ｆｌｘ５）効果を生ずる。この距離がより大きい場合には、（ｆｌｘ３−ｆｌｘ４）効果はない。実際には約２０パルスに相当する過渡位相の後、フラクソンは、フラクソン間距離の平滑化された値あたりで、線路において空間的に再分配される。図４ｃに概略的に示す例において、この平滑化された値は、２０ピコ秒の、出力信号Ｓｏｕｔの２つのパルス間の時間差に相当する。
【００４２】
このように、出力信号は、基本周波数ｆ０における信号レベルと比較して、その電圧パルスがより均等に分配され、位相ノイズレベルの低減に相当する。実際上、図３に示すような伝送線路を用いて、Ｎ２／Ｎ１比（図１）における１０分の１の低減が観察可能である。
【００４３】
空間分離、およびしたがって相互作用は、信号周波数に対するフラクソン伝播速度の比率に依存する。フラクソン速度は、バイアス電流の修正により変更可能である。したがって、バイアス電流は、そのような必要がある場合には、入力信号の周波数に従って調節してもよい。
【００４４】
図５ａおよび５ｂに、超伝導ジョセフソン伝送線路回路に基づいた位相低減装置の代替の実施形態を示す。本実施形態において、超伝導回路には、２つのジョセフソン伝送線路が含まれる。さらに、基板１および基板１’が基板２の両側に接着され、トリクリスタル基板を形成する。超伝導膜がゾーン３ａおよび３ｂに堆積され、その１つが各接着線上にあって、それぞれの結晶粒界４ａ、４ｂを成長させるようにする。これらの図において、線路に沿って分配された電流供給枝路は、膜に設けられている接触パッド６に一致するワイヤ、典型的には銅ワイヤである。
【００４５】
このような構成では、フラクソン間の相互作用現象に別の次元を加えることによって、線路における空間的再分配の有効性を改善することが可能になる。膜をゾーン３ａおよび３ｂにギャップで離間して配置し、１つの膜におけるフラクソンともう一方の膜におけるフラクソンとの間の距離が飽和値より短くなるようにすることによって、同じ相互作用現象が観察される。言いかえれば、２つのジョセフソン伝送線路に基づいた超伝導回路に関して、回路で生成されるフラクソンは、二次元周期格子に沿って構成される。典型的には、上記の線路特性および周波数（ｆ０）値の数値例のためには、数ミクロンのギャップが設けられなければならない。
【００４６】
この効果を有効にするためには、典型的には三角形ベースに基づいた超伝導回路に関して、フラクソンの二次元周期格子の安定した（スタガー）構成のほうを選択する必要がある。さもなければ、斥力は、線路の伝播方向ｘかまたは反対方向に、ランダム効果を有する可能性がある。したがって、これは不安定な状況である。ジョセフソン伝送線路を形成している２つの膜が、ｘおよびｙに沿って完全に整列されている図５ａを参照すると、所望の格子が、第２の線路に入力として印加される信号をπだけ位相シフトすることによって得られる。図５ｂに示すように、二次元で三角形ベースの周期格子が得られる。次に、線路のフラクソンｆｌｘは、４つのフラクソン、すなわち同じ線路でこのフラクソンｆｌｘの両側の２つのフラクソンｆｌｘ１およびｆｌｘ２、ならびにもう一方の線路で、フラクソンｆｌｘを通過するこの線路の二等分線７の両側に位置する２つのフラクソンｆｌｘ３およびｆｌｘ４により、相互作用を受ける。
【００４７】
図６ａおよび６ｂに示すように、π位相シフトを、様々な方法で加えてもよい。
【００４８】
図６ａにおいて、π位相シフトが、入力信号Ｓｉｎに加えられる。さらに、準周期的源１００から来る信号が、出力として２つに分割されるように、回路１０１に印加されるのが好ましい。ＲＳＦＱ論理においてもたらされるこのスプリッタ回路１０１の例が、実際的な例として、図に詳細に示されている。それは、同相の２つの信号を出力として送出する。
【００４９】
図６ｂにおいて、π位相シフトが第１の線路の出力信号Ｓｏｕｔ、ｌに加えられ、この信号が第２の線路に注入される。この場合、第１の線路の始点におけるフラクソンは、この第１の線路の出力部で既に得られた空間的再分配から利益を得る−これは、正帰還効果である。さらに、相互接続線路１０２が、第１の線路からの出力信号を第２の線路の位相シフタのための入力として供給するために、設けられている。この線路は、典型的には、使用されているジョセフソン伝送線路と共存可能な材料を用いて、コプレーナ、ストリップまたはマイクロストリップタイプの技術で作製されるか、またはジョセフソン伝送線路であってもよい。
【００５０】
２つのジョセフソン伝送線路は、基板上で正確には整列されない可能性があり、また相互接続線路１０２は、出力信号Ｓｏｕｔ、ｌおよびＳｏｕｔ、２が完全にはπ位相シフトされないような遅延を持ち込む可能性がある。この場合、線路間の相互作用は、最適ではないかもしれない。有利なことに、１つまたは複数の接合のバイアス電流Ｉｂは、フラクソン伝播速度を局所的に適応させるために、局所的に有利に修正可能である。この補正は、ちょうど線路に沿って電流が分配されているおかげで、電流供給枝路（図３）か電流供給ワイヤ（図５ａ）によって、容易に適用される。このように、接合のバイアス電流Ｉｂを好ましく可変とするように備えがなされ、それを各接合または各接合グループのために調節することができる。
【００５１】
また、基板の表面平面に、２を越える伝送線路を並列に設けることも可能である。図６ｃに、３つのジョセフソン伝送線路を含む回路の例を示す。正の線路間相互作用効果には線路の伝播方向ｘに沿ったフラクソンの変位が好ましいが、その効果を得るために、入力信号Ｓｉｎを入力として受信する中央線路Ｌｉ１、および（図６ａに）示すような入力信号Ｓｉｎかまたは第１の線路の出力信号Ｓｏｕｔ、１（図６ｂ）でもよい、入力としてのπ位相シフトされた信号を受信する、中央線路の両側における２つの線路Ｌｉ２およびＬｉ３が、設けられている。再び、フラクソンは二次元周期格子に沿って構成されるが、しかしこの格子の線路の数は増加されている。このように、中央線路Ｌｉ１のフラクソンは、それ自身の線路からの相互作用、および他の２つの線路による相互作用、すなわち、各フラクソンに関して、線路当り２つで、６つの最も近くに隣接したフラクソンによる最大６つの相互作用を受ける。
【００５２】
線路の数を並列に増加することによって、相互作用の数が増加される。３線路の例（図６ｃ）において、中央線路Ｌｉ１は、その両側に位置する２つの線路Ｌｉ２およびＬｉ３による相互作用から利益を得るが、線路Ｌｉ２およびＬｉ３は、それぞれ、線路Ｌｉ１による相互作用からのみ利益を得る。
【００５３】
多くの線路を選択することは、適用例において容認できる装置の設計に依存する。並列なｎ線路の場合には、このように形成される二次元格子における相互作用の追加的次元と結合した、再分配の遡及効果により、さらに各線路はより短く、すなわち接合の数がより少なくてもよいことに注目すべきである。設計は、フラクソン間距離を平滑化することの所望の効果を生ずるために、大数の統計が適用できるような方法で評価される。
【００５４】
一般に、並列なｎ線路の場合には、信号は交互に、すなわち、一線路へ入力信号を、次に（位相シフタ回路―図６ａにより）隣の線路へ位相シフトされた入力信号をというように、印加される。たとえば、偶数次の線路が入力信号（Ｓｉｎ）を受信し、奇数次の線路が位相シフトされた入力信号を受信する。装置の出力信号は、線路の１つから出力として送出される。
【００５５】
図７に、周波数二倍器回路において用いられる位相ノイズ低減装置の例を示す。この例において、回路には、並列な２つの線路が含まれ、第１の線路は入力信号Ｓｉｎを受信し、もう一方の線路は、位相シフトされた入力信号を受信する。第１の線路は、出力として信号Ｓｏｕｔ、１を送出し、もう一方の線路は、出力として信号Ｓｏｕｔ、２を送出する。
【００５６】
２つの線路は、線路のフラクソンが互いに相互作用し、短期位相ノイズを低減するような方法で配置される。このように出力として得られた２つの出力信号Ｓｏｕｔ、１およびＳｏｕｔ、２が、入力としてＲＳＦＱ（結合器）論理回路に印加され、この論理回路が、位相ノイズが低くて、入力信号Ｓｉｎの周波数の二倍の周波数を有する信号Ｓ（２ｆ０）を出力として送出する。
【００５７】
このように、本発明による位相ノイズ低減装置は、このタイプの回路カスケーディングによって、周波数二倍器回路において、より一般的には、周波数逓倍器回路において有利に使用し、さらに一方で非常に低い位相ノイズのバックグラウンドを維持することが可能である。
【００５８】
図８ａに、ジョセフソン伝送線路の一実施形態の別の例を示すが、この例は、ちょうど説明した本発明による位相低減装置の全ての代替実施形態で用いることができる。図８ｂは、単一線路、またはさらに垂直に積み重ねられた複数の線路からなる構造で用いてもよい。これらの２つの図８ａおよび８ｂにおいて、線路は、ＳＮＳ（超伝導体／常伝導または絶縁材料／−超伝導体を表わしている）多層技術であるランプエッジ接合技術で作製される。常伝導または絶縁材料は、たとえば非超伝導体であるＰｒＢａＣｕＯであるが、この材料は、超伝導体の格子セル特性と共存可能な、ＹＢａＣｕＯと類似した構造を有している。基板上にあって、櫛形状には、超伝導ベース電極に堆積された常伝導または絶縁材料のヘテロ構造（８）に堆積された第１の超伝導膜９（薄膜）が含まれ、このヘテロ構造は、図で灰色に示されている。櫛の歯は、基板へ向かって減少するランプ形状をしている。櫛の形状をした絶縁体の薄層および第２の超伝導膜１０が基板に堆積され、この櫛の歯の端部が、第１の櫛の超伝導膜の歯の端部の上に存在する。したがって、接合ＪＪ１、ＪＪ２、．．．、等は、２つの超伝導体膜９と１０との間で、常伝導または絶縁材料の層８が薄くなる箇所で、平面に形成される。
【００５９】
図８ｂは、第２の超伝導体膜１０が第１の膜９の上に「折り畳まれ」ている、図８ａの変形であり、これによって、相当な領域量の節約が可能となる。
【００６０】
図９ａに、電圧パルス伝送線路に基づいた超伝導回路からなる位相ノイズ低減装置の別の実施形態を示す。本実施形態において、伝送線路は、長いジョセフソン接合によって作製される。このような接合は、好ましくは低Ｔｃ超伝導体に基づいて、ＳＩＳ三層技術で典型的に得られる。すなわち、常伝導（または絶縁）材料（たとえばＡｌ２Ｏ３）の薄膜２０が、超伝導体（たとえばニオブ）の２つの層２１と２２との間に障壁を形成する。長いジョセフソン接合の臨界電流Ｉｃより小さなバイアス電流ｉが、２つの超伝導体層２１と２２との間に印加される。線路の入力部にパルスを印加すると、常伝導材料の層に渦糸（ジョセフソン渦糸）磁束が生成され、これが、線路のバイアス（直流）電流の影響（ローレンツ力）の下で、出力部へ伝播する。各渦糸に関連する磁束量子は、φ０に等しい。同じ斥力相互作用効果が、クロック信号Ｓｉｎの影響の下で生成された渦糸磁束に当てはまるが、これらの渦糸磁束は、一次元周期格子として線路で構成され、線路の伝播方向ｘに沿って伝播する。
【００６１】
典型的な実施形態において、このような線路の長さは、約１００ナノメートルである。
【００６２】
これらの線路のいくつかを、図９ｂに示すように垂直に積み重ねて、並列に配置し、前述に見られたのと同じ有利な効果を得るようにしてもよいが、これは、実現可能であっても、より扱いにくい。
【００６３】
電流は、図９ｂに示すように線路に沿って分配するのが好ましい。バイアス電流のレベルは、入力信号の周波数に従って調節してもよい。
【００６４】
本発明による位相ノイズ低減装置の別の実施形態が、図１０ａおよび１０ｂにおいて示されているが、この実施形態は、アクティブなアブリコソフ渦糸磁束フロー伝送線路に基づいた第２種超伝導体回路に相当する。アブリコソフ渦糸磁束原理は簡単に言えば次の通りである。すなわち、増加する磁界がある状態において、超伝導体は、常伝導体／超伝導体ハイブリッド状態に切り替わる。磁界をシールドする傾向がある電流が、超伝導体の表面に生成される。超伝導体に入る磁束は、半径が数十オングストロームの円盤の表面に一緒にグループ化された力線の形状をしている。磁束の回りを循環する磁界シールド電流によって囲まれたこの小さなゾーンに含まれる磁束は、磁束量子φ０に等しい。これらの渦糸磁束は、図１１に示すように、三角形ベースの周期格子として表面に構成される。適切な方向に向けられた直流電流を注入することによって、この渦糸磁束格子は、電流と直角な方向に沿って、平行移動で伝播する（ローレンツ力）。
【００６５】
このような伝送線路の１つの利点として、渦糸磁束が、三角形ベースの二次元周期格子として「自然に」構成される。
【００６６】
装置に適切にバイアス電流をかけることによって、入力としての電磁気信号の印加により渦糸磁束格子が生成され、この信号が、この格子構造に沿って線路Ｌｖ（図１１）を移動する。出力部において、受信装置（任意の整合された負荷）が、関連する電圧パルスを受信する。
【００６７】
さらに、たとえばＮｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７などの用いられる超伝導材料において、一対の平面が並列に配置される場合には、この構成は理にかなったものとなる。すなわち線路Ｌｖは、２つの平面に相当する。本発明によると、アクティブ超伝導体回路には、たとえばＳｒＴｉＯ３基板などの基板１２に堆積された（エピタクシによって）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７またはＮｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７などの第２種超伝導体膜（薄層）１３が含まれる（図１０ａ、１０ｂ）。スロット１４が、スロットの両側の、膜の２つの部分１３ａと１３ｂとの間に超伝導膜のマイクロブリッジ１５だけを残して、膜の幅全体にわたって作られる。このマイクロブリッジの高さは、膜の厚さと等しいかまたはそれより低い。この例において、このマイクロブリッジは、高さｅが約０．１ミクロン、スロットの方向に沿ったマイクロブリッジ長さＬが１００ミクロン未満、またスロットの幅でもある幅Ｗが１００ミクロンを超えている。
【００６８】
およそ数ミリアンペアの直流電流ｉを印加するために、２つのバイアス電極１６および１７が、膜の各端部に設けられている。２つの入力信号電極１８および１９が、スロットの両側における、膜の各部分１３ａ、１３ｂにおいて、スロットの一端部に設けられている。これは、交流入力信号Ｓｉｎを印加して、この入力信号が、マイクロブリッジの入力部で周期的に、臨界磁界より大きな局所的磁界Ｂｅを課すようにし、この信号の周期で渦糸ｖを生成するためである。入力信号は電圧パルス信号であってもよい。また、正弦波タイプの交流信号を印加することも可能である。実際には、クロック信号源（図示せず）は、マイクロブリッジのインピーダンス（数十オーム）に対して、インピーダンス整合されている。
【００６９】
渦糸のインライン伝送（図１１）に対応する電圧パルスを入力として受信するために、２つの出力信号電極２０および２１が、スロットの両側における、膜の各部分１３ａ、１３ｂにおいて、スロットのもう一方の端部に設けられている。
【００７０】
実際には、各電圧パルス（または交流信号の各正のピーク電圧）が、マイクロブリッジの入力として、超伝導膜の臨界磁界を越える局所的磁界Ｂｅを通過し、渦糸の集団を核状にする。適切な方向に沿って直角に印加される直流電流ｉ（ローレンツ力）が、渦糸を移動させる。
【００７１】
渦糸は、入力として印加されるクロック信号で磁界を調整することにより生成される。回路に適切なバイアスをかけることにより、渦糸を所望の方向に沿って、装置の出力部Ｓｏｕｔの方へ伝播させる。
【００７２】
所望の方向における渦糸の変位をさらに促進するために、たとえば約２０ミリテスラで、適切な向きの低直流磁界Ｂに装置を配置し、たとえば回路の両側に一ペアのヘルムホルツコイルを置くことにより、渦糸を同じ方向に向けるようにすることが可能である。
【００７３】
このような超伝導回路を上記に示す周波数二倍器段階で、そして位相シフタ回路に関連する別の類似の回路を周波数逓倍装置において、有利に用いてもよい。
【００７４】
このように、本実施形態において、伝送線路には、結晶基板に堆積された、ハイブリッド状態の第２種超伝導体の膜が含まれる。膜は、その端部においてバイアス電流をかけられ、マイクロブリッジの箇所を除いて、幅方向にスロットを含み、そしてこのスロットが、膜を２つの部分に分離する。準周期的信号が、膜の２つの部分の間で、スロットの一端部に印加され、出力信号が、膜の２つの部分の間で、スロットのもう１つの端部で得られる。
【００７５】
有利なことに、このような超伝導体装置は、スロットの表面平面に直角方向の直流磁界に浸される。
【００７６】
このように、たった今説明した本発明は、生成される磁束量子（フラクソン、渦糸）格子の周期的な構造、およびこれらの磁束量子の斥力相互作用特性（これらは磁気双極子にたとえることができる）を用いて、準周期的源から来る信号の位相ノイズを低減するようにする。本発明によるこの装置を有利に用いて、位相ノイズの悪化なしに、多重周波数信号を送出する。
【００７７】
本発明は、高速電子システムにおいて、高周波および超高周波分野に特に適用される。このような装置は、特にＲＳＦＱ論理回路において用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】既に説明したように、準周期的源から来る信号のスペクトル密度Ａ（Ｓｉｎ）を示す。
【図２】複数のジョセフソン接合を含むジョセフソン伝送線路に基づいた、本発明による位相低減装置の回路図を示す。
【図３】バイクリスタルマルチ接合技術における、このような線路の実施形態の第１の例を示す。
【図４】ジョセフソン伝送線路において、パルスクロック信号によって生成されるフラクソンの周期格子を概略的に示し、このような線路における電圧パルスの時間的な再分配現象を示す。
【図５】同じ表面平面において並列に配置された２つのジョセフソン伝送線路を含む位相低減装置の実施形態の別の例を示し、対応するフラクソンの周期格子のイラストである。
【図６】補正の有効性を改善するために、位相低減装置において、並列な２つのジョセフソン伝送線路を用いる２つの代替方法を概略的に示し、対応するフラクソンの周期格子のイラストと共に、並列なｎ＝３ジョセフソン伝送線路を備えた、前述の図の代替である。
【図７】周波数二倍化回路において位相ノイズ低減装置を用いる例を示す。
【図８】ランプエッジ接合技術で作製されたジョセフソン伝送線路に基づいた位相低減装置の別の例を示す。
【図９】長いジョセフソン接合伝送線路に基づいた位相ノイズ低減装置の２つの実施形態を示す。
【図１０】渦糸磁束、スロットまたはマイクロブリッジ線路に基づいた位相ノイズ低減装置を示す。
【図１１】このような線路で生成される渦糸の周期格子のイラストである。
【図１】
2006506010.tif 000003
【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】
2006506010.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
2006506010.tif 000014
2006506010.tif 000015
2006506010.tif 000016
2006506010.tif 000017
2006506010.tif 000018
2006506010.tif 000019