(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導インダクタと２個の超電導接合によって構成された超電導閉ループがカスケードに接続された超電導接合線路と、該超電導接合線路の一端に結合された超電導インダクタと２個の超電導接合によって構成された超電導閉ループがカスケードに接続された超電導リングとよりなり、前記超電導接合線路を構成する超電導閉ループの数が前記超電導リングを構成する超電導閉ループの数より多いものとされ、前記超電導リングには超電導閉ループを伝播する量子磁束の移動方向を一方に規制する回路が構成されるとともに、前記超電導接合線路の他端を発振起動入力端とし、前記超電導接合リングの一点を発振出力端とする超電導発振器。
【請求項２】
前記超電導接合線路の発振起動入力端に超電導インダクタと２個の超電導接合によって構成された超電導閉ループを設け、前記発振出力端に超電導インダクタと２個の超電導接合によって構成された超電導閉ループを設けた請求項１記載の超電導発振器。
【請求項３】
前記超電導接合線路の発振起動入力端に入力交流電流を磁束量子列に変換する直流―磁束量子変換回路が配されている請求項１または２記載の超電導発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高速デジタル、アナログデータ処理回路等、超電導性を有することにより特有の性能を発揮する超電導エレクトロニクスの分野に関わり、特に超高速性能を発揮するデータ処理回路に必須の要素となる超電導発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導デジタル回路、超電導アナログ回路等、超電導回路では、内部クロックあるいはタイミング信号の発生のために超電導発振器が必須の回路構成要素である。超電導回路の高速動作のためにはギガヘルツあるいは数十ギガヘルツの高い発振周波数が必要である。
【０００３】
磁束量子を信号の担体とする超電導回路において、高い発振周波数を得る超電導発振器としては２通りの方法が用いられている。一つは外部発振器からの交流電流の周波数を逓倍する方法である。この方法では交流電流を２接合磁束量子素子に磁気的に結合させ、磁束量子の複数周期に相当する振幅の電流を入力する。入力電流を増減させた場合に、磁束量子の１周期に相当する電流変化毎に１磁束量子が発生する。これによって、入力交流電流の数十倍の発振周波数を得ることができる。この方法についてはJ. C. Lin等、IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 5巻、2号2252頁(1995年)に記載されている。
【０００４】
他の方法として、超電導接合線路のリングの一部に１接合磁束量子素子を形成し、入力電流を磁気的に結合させる。入力電流によって１接合磁束量子素子に磁束量子を発生させ、超電導接合リングを周回させるとともに、分岐回路で磁束量子がリングを周回するごとに、１個のパルスを発生させる。この方法についてはA. F. Kirichenco et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 7巻, 2号3438頁(1997年)に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
超電導デジタル回路、超電導アナログ回路等、超電導回路で、超電導発振器が内部クロックあるいはタイミング信号としての機能を発揮するには、以下に述べる３つの条件を満足することが必要である。
第１に超電導発振器は数十、あるいは数百ギガヘルツの高周波信号を発生できること。
第２に外乱等によって発振が停止することがなく、安定した発振動作をすること、あるいは発振停止した場合に自動復帰機能を有すること。
第３に発振周期が、高い精度で一定に保たれること。
【０００６】
これらの課題について従来の発振方式について見ると、第１の方法、外部発振器からの交流電流の周波数を逓倍する方法は、逓倍化し、周期を分割した後の発振周波数を等しい値に揃えるのが困難であるとともに、自動復帰機能を備えていない。第２の方法、超電導接合線路のリングの一部に１接合磁束量子素子を形成し入力電流を磁気的に結合させる方法は、発振停止した場合に自動復帰する機能を備えていない。
【０００７】
そこで本発明が解決しようとする課題は、さきに述べたごとく、数十、あるいは数百ギガヘルツの高周波信号を、発振周期が高い精度で一定に保って、発生できるだけでなく、発振停止した場合に自動復帰機能を有する超電導発振器を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、超電導インダクタと２個の超電導接合によって超電導閉ループを形成し、この超電導閉ループをカスケードに接続して超電導接合線路とする。このような超電導接合線路を基本構成要素として超電導発振器を構成する。適当な発振源を起動入力とする超電導閉ループを有する入力部、該入力部からの磁束量子を入力されて、適当な数の超電導閉ループをカスケードに接続した超電導接合線路により磁束量子を伝播させる入力用超電導接合線路、該入力用超電導接合線路からの磁束量子を入力されて、適当な数の超電導閉ループをリング状に接続した超電導接合リングにより磁束量子をリング内を循環させる磁束量子循環超電導接合リング、該磁束量子循環超電導接合リングの一端から導出された磁束量子を入力されて、適当な数の超電導閉ループをカスケードに接続した超電導接合線路により磁束量子を出力する出力用超電導接合線路により超電導発振器が構成される。
【０００９】
ここで、入力用超電導接合線路の超電導閉ループの直列数と超電導接合リングのそれとでは、入力用超電導接合線路の超電導閉ループの直列数の方が多いことが必要であるとともに、超電導接合リング内には、磁束量子の伝播方向を一つの方向に制限する構造が必要である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を以下に述べる実施例にもとづいて説明する。
【００１１】
実施例１
図１に本発明の超電導発振器の第1の実施例の等価回路を示す。本実施例では、発振起動入力部１００、発振入力用超電導接合線路２００、超電導接合リング３００および出力用超電導接合線路４００がカスケードに配列されたものである。
【００１２】
発振起動入力部１００では、インダクタ２1と超電導接合５1、５2からなる超電導閉ループにパルス源である交流電源１から超電導接合５3を介して交流電流が供給される。交流電源１の入力線の一方はインダクタ２2を介してグラウンド３に接続され、交流電源１の他方もグラウンド３に接続されている。交流電源１によって超電導閉ループに電流を流し込むことによって、超電導閉ループに磁束量子が１個発生する。ここで６は適当なバイアス電源であり超電導接合５1、５2に適当な電流を流すために一端が超電導接合５1、５2に、他端がグラウンド３に接続される。各超電導接合５1、５2の他端はグラウンド３に接続される。
【００１３】
以下、参照符号は、図が煩雑となるだけであるので、説明上、有った方が分かりやすいところでのみ使用することとし、そうでないところは、省略する。また、超電導閉ループを構成する素子がバイアス電源およびグラウンドに接続されていることは言うまでもない。
【００１４】
入力用超電導接合線路２００は、インダクタ２と超電導接合５からなる超電導閉ループが適当数カスケードに接続されており、発振起動入力部１００で発生された磁束量子を入力されると、これを次々に伝播する。
【００１５】
超電導接合リング３００は、インダクタ２と超電導接合５からなる超電導閉ループが適当数カスケードに接続されるとともに、スプリッタとして機能する接続点を２個、一方向性回路として機能する超電導接合を含むものとされる。入力用超電導接合線路２００からの磁束量子はインダクタ２11を介して超電導接合リング３００の接続点ＪＰ1に入力されると、インダクタ２12およびインダクタ２13のそれぞれの方向に分割されて伝播される。インダクタ２12の方向に伝播された磁束量子は超電導接合線路の超電導閉ループを次々と伝播されるが、インダクタ２14を介して接続点ＪＰ2に到達したとき、インダクタ２15およびインダクタ２16のそれぞれの方向に分割されて伝播される。インダクタ２15の方向に伝播された磁束量子は、後述するように、出力用超電導接合線路４００に加えられる。
【００１６】
インダクタ２13の方向に伝播された磁束量子およびインダクタ２16の方向に伝播された磁束量子は、一つのリングを逆方向に回るものとなるので、放置しておけば、リング内で衝突して消滅する。インダクタ２17、インダクタ２18およびインダクタ２19、超電導接合５11、５12および５13はこれを防止するための一方向回路を構成するものである。インダクタ２13の方向に伝播された磁束量子は超電導接合リング３００の超電導閉ループを次々と伝播されるが、インダクタ２17に到達したとき、超電導接合５11を介して超電導接合５12および５13の並列回路に加えられるものとなる。その結果、インダクタ２13の方向に伝播された磁束量子はここで消滅する。一方、インダクタ２16の方向に伝播された磁束量子は、一方向回路の存在に係らず、超電導接合リング３００の超電導閉ループを次々と伝播される。当然のことながら、インダクタ２13の方向に伝播された磁束量子とインダクタ２16の方向に伝播された磁束量子とが衝突するよりも前にインダクタ２13の方向に伝播された磁束量子の伝播を阻止すべきであるから、リング内で一方向回路を構成する位置は、接続点ＪＰ1を起点として見たとき左回りのＪＰ1に近い位置であるべきである。
【００１７】
すなわち、入力用超電導接合線路２００から超電導接合リング３００に入力された磁束量子は超電導接合リング３００内を循環しながら、接続点ＪＰ2を通過するたびに出力用超電導接合線路４００に磁束量子を出力することになる。
【００１８】
ところで、超電導接合リング３００内を一循した磁束量子が接続点ＪＰ1を通過するとき、ここでインダクタ２11およびインダクタ２12のそれぞれの方向に分割されて伝播されることになる。インダクタ２12の方向に伝播される磁束量子は超電導接合リング３００内を循環し、出力用超電導接合線路４００に磁束量子を出力するために必要なものであるが、インダクタ２11の方向に伝播される磁束量子は、入力用超電導接合線路２００の方向に送出されるものであるから、超電導接合リング３００内を磁束量子が正常に循環しているならば無用なものである。しかしながら、前述したように、発振起動入力部１００では、交流電源１から超電導閉ループに電流を流すことによって、磁束量子を１個発生するから、超電導接合リング３００内を磁束量子が正常に循環しているにもかかわらず、入力用超電導接合線路２００を介して磁束量子を超電導接合リング３００内に送り込んでくることになる。その結果、超電導接合リング３００から入力用超電導接合線路２００の方向に送出される磁束量子と発振起動入力部１００で生成される磁束量子とが入力用超電導接合線路２００内で衝突して消滅することとなる。もちろん、超電導接合リング３００から入力用超電導接合線路２００の方向に送出される磁束量子が入力用超電導接合線路２００内にあるとき、発振起動入力部１００で生成される磁束量子が無いときは、送出された磁束量子が発振起動入力部１００内で消滅するだけのことであり、障害となることはない。
【００１９】
ここで、超電導接合リング３００の超電導閉ループの数についてみると、リング内を巡回する磁束量子の数が常時1であるためには、正常動作のもとでは、発振起動入力部１００でいかなるタイミングで磁束量子が生成されようとも、これがリング内に入力され無いようにすることが必要である。そうしないと、リング内に2つの磁束量子が存在することになり、発振周波数が変わるのみならず、パルスの間隔が等しいという保証も無いものとなる。そこで、超電導接合リング３００の超電導閉ループの数と入力用超電導接合線路２００の超電導閉ループの数とでは、後者の数を多くしておけば、発振起動入力部１００で生成された磁束量子は、正常動作のもとでは、入力用超電導接合線路２００を伝播中に必ず、超電導接合リング３００から戻ってくる磁束量子と衝突して消滅することになる。
【００２０】
出力用超電導接合線路４００は、超電導接合リング３００内を一循した磁束量子が接続点ＪＰ2を通過するとき、インダクタ２15の方向に分割されて伝播される磁束量子を受けて超電導閉ループを伝播させて出力する。３１は出力をモニターするために設けられた電圧計である。
【００２１】
ここで図１に示した本発明の超電導発振器の第1の実施例の動作を数値例も入れて総合的に説明する。
【００２２】
発振起動入力部１００の交流電源１から供給される交流電流の周波数は１ｋＨｚとした。すなわち、磁束量子が毎秒１０００個の頻度で生成される。生成された磁束量子は、発振入力用超電導接合線路２００に導入されて、超電導接合１個当たりピコ秒の速度で伝搬する。伝搬された磁束量子は、超電導接合リング３００に導入されて、磁束量子がリング内を周回するとともに、接続点ＪＰ2を通過するたびに、出力用超電導接合線路４００に磁束量子を伝播させる。したがって、発振周波数は磁束量子がリング３００内を周回するに要する時間によって決まる。磁束量子は超電導接合１個当たりピコ秒の速度で伝搬するから、図の例のように、リングが、たかだか１２個の超電導接合で構成されているときには、きわめて高い発振周波数が得られる。
【００２３】
また、磁束量子の超電導接合の伝搬速度は超電導接合に加える直流バイアス電流にも依存する。図３はバイアス電流を変化させたときの発振特性を調べたものであり、バイアス電流を超電導接合の臨界電流に近づけるにしたがって、発振周波数が増大した。臨界電流に近いバイアス電流では数十ＧＨｚの発振周波数が得られた。発振周波数は時間に対して安定であり、数時間の連続動作に対して一定であった。また発振動作が停止することがなかった。したがって、超電導データ処理回路のギガヘルツ帯クロック、あるいはタイミング信号源として使用可能である。
【００２４】
先にも述べたように、磁束量子がリング３００内を周回するたびに、接続点ＪＰ1から、磁束量子が発振入力用超電導接合線路２００に伝播される。しかも、リング３００の発振周波数の頻度で伝播されるから、その大部分は発振起動入力部１００で伝播されて消滅する。たまたま発振起動入力部１００で磁束量子が生成されて伝播されて発振入力用超電導接合線路２００を伝播されているときには、これと衝突して消滅する。このためには、発振起動入力部１００で生成された磁束量子が超電導接合リング３００に到達する前に、必ず、この磁束量子と衝突する磁束量子が超電導接合リング３００から出力されなければならないので、この実施例では、発振入力用超電導接合線路２００の超電導接合の数は１８とした。
【００２５】
しかしながら、もし、何らかの理由で超電導接合リング３００を周回している磁束量子が消滅したとすると、接続点ＪＰ1から発振入力用超電導接合線路２００に伝播される磁束量子も無くなる。すなわち、何らかの理由で発振が停止したときは、発振起動入力部１００で生成され発振入力用超電導接合線路２００を伝播される磁束量子が再び超電導接合リング３００に導入されて、再発振させることになる。このときは、発振起動入力部１００で生成された磁束量子がリング３００に到達するまでの短時間発振が停止することになるが、全体的な動作としては、発振が停止してしまうことはない。
【００２６】
図２は、図１に等価回路で示す超電導発振器の構成を模式図で示す平面図である。これらは図に示す超電導接合部Ｊ、超電導配線Ｂおよび配線パッドＰを主体とするが、、表示を省略した抵抗素子、磁気遮蔽膜、および層間絶縁膜を有するものであることは言うまでもない。本実施例では、超電導発振器はＮｂ超電導膜を用いて作製した。すなわち超電導接合の電極はＮｂ膜トンネル障壁層はＡｌ酸化膜とした。また層間絶縁膜はＳｉ酸化膜、抵抗素子はＭｏ膜、磁気遮蔽膜はＮｂ膜とした。基板材にはＳｉ単結晶を用いた。
【００２７】
図２で、１００−４００で示すブロックは図１のそれと対応するものである。超電導接合部Ｊ1、Ｊ2---Ｊnは図１における超電導接合５1、５2---５n に対応する。発振起動入力部１００および発振入力用超電導接合線路２００の超電導接合部はグランド配線パッドＰ1に接続された超電導配線Ｂ1とソース電源６に接続される配線パッドＰ3に接続された超電導配線Ｂ3との間に形成される。また、超電導接合部間は超電導配線Ｂ2により接続されるとともに、配線パッドＰ2に接続される。配線パッドＰ1、Ｐ2間には図１に示す交流信号１が接続される。超電導接合リング３００を構成している超電導接合部は、超電導配線Ｂ4により、異なったソース電源６に接続される配線パッドＰ4に接続される。さらに出力用超電導接合線路４００を構成している超電導接合部は、超電導配線Ｂ6により、異なったソース電源６に接続される配線パッドＰ6に接続される。超電導接合部間を接続する超電導配線Ｂ2は、出力用超電導接合線路４００内で超電導配線Ｂ5により、配線パッドＰ5に接続される。これは、出力をモニターする電圧計３１を接続するためである。さらに、超電導接合部間を接続する超電導配線Ｂ2は、配線パッドＰ2の反対側で超電導配線Ｂ7により、配線パッドＰ7に接続される。配線パッドＰ7とグランド配線パッドＰ1との間で出力発振信号が得られる。ここで、図１の超電導接合５3に対応する超電導接合部Ｊ1はソース電源に接続されておらず、超電導接合５11に対応する超電導接合部Ｊ25はソース電源に接続されておらず、グランド配線パッドＰ1に接続された超電導配線Ｂ1に接続されていない。また、超電導接合部Ｊ20、Ｊ21間および超電導接合部Ｊ31、Ｊ32間は、図１における接続点ＪＰ1、ＪＰ2に対応する。
【００２８】
実施例２
発振起動入力部１００、発振入力用超電導接合線路２００、リング３００、および発振出力用超電導接合線路４００からなる超電導発振器を作製した。回路構成は実施例１と同様であるが、酸化物系の高温超電導材料を用いた。すなわち、超電導配線および超電導接合の電極膜にはＹ，Ｂａ，Ｃｕの酸化物を用いた。層間絶縁膜にはＣｅ酸化物を用い、抵抗膜にはＡｕを用いた。超電導接合は下部超電導電極の端部にイオンビームによる損傷を与えて超電導性を弱め、この上に上部超電導電極を積層する、いわゆるランプエッジ形とした。下部電極と上部電極の間に層間絶縁膜を挟んだ。
【００２９】
本超電導発振器の発振起動入力部に任意の周波数の交流電流を印加し、超電導接合線路およびリングに繋がる直流バイアス電源に電流を印加することによって、発振動作させた。交流電流リングからの発振出力の有無、および発振周波数は発振出力用超電導接合線路の電圧出力線によって測定した。
【００３０】
超電導発振器の発振動作特性はリングに繋いだ直流バイアス電流に依存した。すなわちバイアス電流を超電導接合の臨界電流に近づけるにしたがって、発振周波数が増大した。臨界電流に近いバイアス電流では数十ＧＨｚの発振周波数が得られた。発振周波数は時間に対して安定であり、数時間の連続動作に対して一定であった。また発振動作が停止することがなかった。これらの結果から、本超電導発振器が本発明で解決しようとする課題の項で述べた条件を満足していることがわかった。しかもこのような発振動作が３０Ｋの高温でも可能であることがわかった。
【００３１】
実施例３
図４に示されるように、超電導発振器５００に多段の分周回路６００を接続した回路を構成した。超電導発振器５００は実施例１で述べた発振器と同様の構成とした。すなわち発振起動入力部、発振入力用超電導接合線路、リング、および発振出力用超電導接合線路からなる構成とした。分周回路６００はトグルフリップフロップ６０１−６０９を９段接続した構成とした。トグルフリップフロップは入力信号を２個の出力に交互に振分ける機能を有する。分周回路６００の後段に図１と同様に発振出力用超電導接合線路７００を接続して、スペクトラムアナライザ７０１により出力をモニターした。トグルフリップフロップは、適当なバイアス電流を供給するソース電源６1および６2に接続された超電導接合５31−５34と、超電導接合５31−５34との間に接続されたインダクタ２よりなる。３はグランドである。入力信号である磁束量子による電圧パルスがインダクタ２21を介して入力されると超電導接合５32、５34およびインダクタ２22からなる超電導ループに磁束量子が保持され、これに伴う周回電流が流れる。引き続いて電圧パルスが入力されると保持されていた磁束量子は後段の回路に掃出され、周回電流はリセットされる。以上一連の動作において、繰り返して入力される電圧パルスによって読み出し部分回路の出力端子において０電圧状態と電圧状態との遷移が生じ、繰り返して電圧パルスを入力すると、超電導接合５32、５34およびインダクタ２22からなる超電導ループにおける磁束の有無に対応して出力が変化するトグルフリップフロップ動作を実行できる。
【００３２】
超電導発振器５００を動作させ、リングに対するバイアス電流を調節して発振周波数を２０ＧＨｚに設定した。トグルフリップフロップの出力端をスペクトラムアナライザに接続した。スペクトラムアナライザで計測された発振スペクトルで、強度のピーク周波数は４０ＭＨｚであった。この結果から、超電導発振器がトグルフリップフロップと接続して、設計どおりの周波数を持った交流信号を発生できることがわかった。
【００３３】
本発明に係る超電導発振器は分周回路以外にも、アナログ・デジタル変換回路のサンプリング用高周波信号源として、シフトレジスタ、マルティプレクサあるいはデマルティプレクサ等のタイミング信号源として、さらには加算回路、乗算回路等をはじめとするデータ処理回路のクロック源として用いることができた。
【００３４】
このような超電導発振器を用い、かつ該超伝導発振器からの発振出力をクロック、あるいはタイミング信号源として用いてアナログ・デジタル変換回路、シフトレジスタ、マルティプレクサ、デマルティプレクサ、分周回路、加算回路、乗算回路等をはじめとするデータ処理回路を構成することができる。
【００３５】
【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発振器は以下の効果を有する。
【００３６】
（１）数十、あるいは数百ギガヘルツの高周波信号を、あらかじめ設定された周波数で発生できる。
【００３７】
（２）外乱等によって発振が停止することがなく、安定した発振動作ができ、かつ発振の停止に対しても自動復帰する。
【００３８】
（３）発振周期が高い精度で一定の値に保たれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超電導発振器の第1の実施例の等価回路を示す図。
【図２】図１に等価回路で示す超電導発振器の構成を模式図で示す平面図。
【図３】本発明の実施例の発振特性を示す図。
【図４】本発明の実施例による超電導発振器に多段の分周回路を接続した等価回路の例を示す図。
【符号の説明】
１００：発振起動入力部、２００：発振入力用超電導接合線路、３００：超電導接合リング、４００：出力用超電導接合線路、１：交流電源、２：インダクタ、５：超電導接合、３：グラウンド、６：バイアス電源、ＪＰ：接続点、３１：出力モニタ、Ｐ：配線パッド、Ｂ：超電導配線、６００：分周回路、６０１−６０９：トグルフリップフロップ、７００：発振出力用超電導接合線路、７０１：スペクトラムアナライザ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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