JPH0150128B2 - - Google Patents
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- JPH0150128B2 JPH0150128B2 JP7217682A JP7217682A JPH0150128B2 JP H0150128 B2 JPH0150128 B2 JP H0150128B2 JP 7217682 A JP7217682 A JP 7217682A JP 7217682 A JP7217682 A JP 7217682A JP H0150128 B2 JPH0150128 B2 JP H0150128B2
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- 230000004907 flux Effects 0.000 description 23
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 239000010408 film Substances 0.000 description 7
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 description 6
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- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
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- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、超伝導量子干渉素子（以下SQUID
と略記する。）を用いた高感度広帯域信号増巾器
に関するものである。
と略記する。）を用いた高感度広帯域信号増巾器
に関するものである。
従来SQUIDを用いた電子素子には速演算速度
の計算機素子としての論理記憶素子や、高感度な
SQUID磁束計などがある。
の計算機素子としての論理記憶素子や、高感度な
SQUID磁束計などがある。
従来の高速論理素子及び記憶素子の一例を第
１，２図に示す。
１，２図に示す。
第１図は、音叉状の超伝導薄膜１の表面を数10
Å位に薄く酸化し、その左右端部上に音叉状の超
伝導膜２を逆向きとして左右端部を重なるように
形成するとその接合部J1，J2は臨界電流I0をもつ
トンネル接合型ジヨセフソン素子となる。更にそ
の超伝導膜２上に絶縁性の介在物３をへだてて超
伝導膜４を形成し、入力制御電流Icを流す構造を
作る。第１図の回路は第２図に示すようにジヨセ
フソン素子J1とJ2を含む閉回路のインダクタンス
分Ｌを含む等価回路となる。ここでL′は入力制御
電流Icの流れる超伝導膜４のインダクタンスで閉
回路のインダクタンスＬと磁気的に結合してい
る。超伝導膜２の端子部２′から超伝導膜１の端
子部１′へ流す出力電流Igを流し、インダクタン
スＬとジヨセフソン素子の臨界電流Ioの積LIoの
値を磁束量子Φo＝2.07×10-15ウエーバー程度と
するとそのIc−Ig特性は、第３図に示すようにな
る。但し、磁束量子Φo＝ｈ／2eは量子効果によ
り超伝導ループ内に存在できる磁束量の最低単位
であり、ｈはプランク定数、ｅは電子の電荷量で
ある。
Å位に薄く酸化し、その左右端部上に音叉状の超
伝導膜２を逆向きとして左右端部を重なるように
形成するとその接合部J1，J2は臨界電流I0をもつ
トンネル接合型ジヨセフソン素子となる。更にそ
の超伝導膜２上に絶縁性の介在物３をへだてて超
伝導膜４を形成し、入力制御電流Icを流す構造を
作る。第１図の回路は第２図に示すようにジヨセ
フソン素子J1とJ2を含む閉回路のインダクタンス
分Ｌを含む等価回路となる。ここでL′は入力制御
電流Icの流れる超伝導膜４のインダクタンスで閉
回路のインダクタンスＬと磁気的に結合してい
る。超伝導膜２の端子部２′から超伝導膜１の端
子部１′へ流す出力電流Igを流し、インダクタン
スＬとジヨセフソン素子の臨界電流Ioの積LIoの
値を磁束量子Φo＝2.07×10-15ウエーバー程度と
するとそのIc−Ig特性は、第３図に示すようにな
る。但し、磁束量子Φo＝ｈ／2eは量子効果によ
り超伝導ループ内に存在できる磁束量の最低単位
であり、ｈはプランク定数、ｅは電子の電荷量で
ある。
この第３図で斜線部分より下側では接合部J1，
J2が零電圧状態、斜線部分は有限電圧状態とな
る。従つてこれを論理素子として用いるには、Ig
にIgB、IcにIcBのバイアス電流を流しておき、Ic
に信号電流Isを流すと接合部J1，J2は零電圧から
有限電流となるのでスイツチ作用を果すことにな
る。
J2が零電圧状態、斜線部分は有限電圧状態とな
る。従つてこれを論理素子として用いるには、Ig
にIgB、IcにIcBのバイアス電流を流しておき、Ic
に信号電流Isを流すと接合部J1，J2は零電圧から
有限電流となるのでスイツチ作用を果すことにな
る。
また記憶素子として用いるには、第４図に示す
ようにIcにIcBを流しておき、このIcBに重畳して
Icを増加するとともにIgを適当に流せば、第２図
に示したインダクタンス分Ｌと接合部J1，J2から
なるループに磁束量子が１つ入り、IcBを減少さ
せるIcを重畳するとともにIgを適当に流せば零磁
束量子となるので、磁束量子の有無を記憶でき
る。
ようにIcにIcBを流しておき、このIcBに重畳して
Icを増加するとともにIgを適当に流せば、第２図
に示したインダクタンス分Ｌと接合部J1，J2から
なるループに磁束量子が１つ入り、IcBを減少さ
せるIcを重畳するとともにIgを適当に流せば零磁
束量子となるので、磁束量子の有無を記憶でき
る。
この素子は、高速にスイツチすることと、発生
電圧がミリボルト位の小ささのために消費電力の
少ないことが特徴であるが、駆動電流を10μA程
度必要とするために高感度としえないことや、デ
イジタル動作しかできない欠点があつた。
電圧がミリボルト位の小ささのために消費電力の
少ないことが特徴であるが、駆動電流を10μA程
度必要とするために高感度としえないことや、デ
イジタル動作しかできない欠点があつた。
又、SQUID磁束計は、第５図に示すように矩
形状の超伝導膜ループ５の一部を細くくびれた構
造とすると、くびれた部分J3がマイクロブリツジ
型ジヨセフソン素子となり、これにタンク回路６
を電気的に結合させ、このタンク回路６を通して
周波数1の交流電流を加えて、タンク回路６の電
圧Vrfを増巾器７を通して検波器８により検波す
る。
形状の超伝導膜ループ５の一部を細くくびれた構
造とすると、くびれた部分J3がマイクロブリツジ
型ジヨセフソン素子となり、これにタンク回路６
を電気的に結合させ、このタンク回路６を通して
周波数1の交流電流を加えて、タンク回路６の電
圧Vrfを増巾器７を通して検波器８により検波す
る。
L′I0Φ0とするとSQUIDの外部磁束Φeと内部
磁束Φiの関係は第６図に示すように外部磁束Φe
＝０で周波数1を加えると実線ａにようになり、
Φiはほとんど変化しないが、Φe＝Φ0/2を加える
と内部磁束Φiは一点鎖線ｂのようになりヒステ
リシ特性を示す。
磁束Φiの関係は第６図に示すように外部磁束Φe
＝０で周波数1を加えると実線ａにようになり、
Φiはほとんど変化しないが、Φe＝Φ0/2を加える
と内部磁束Φiは一点鎖線ｂのようになりヒステ
リシ特性を示す。
このとき、接合部J3よりΦ0が出入りするため
に超伝導ループ５はエネルギー損失を生ずる。
に超伝導ループ５はエネルギー損失を生ずる。
このときのタンク回路６の電圧Vrfはエネルギ
ー損失のために減少する。
ー損失のために減少する。
更にΦe＝Φ0とすると外部磁束Φe＝０と同じよ
うな特性を示し、電圧Vrfは増加するから外部磁
束Φeと電圧Vrfは第７図に示すような特性を示
す。Φ0＝2.07×10-15wbと極めて小さな値である
から外部磁束Φeは非常に小さな値でよく従つて
高感度な磁束計となる。
うな特性を示し、電圧Vrfは増加するから外部磁
束Φeと電圧Vrfは第７図に示すような特性を示
す。Φ0＝2.07×10-15wbと極めて小さな値である
から外部磁束Φeは非常に小さな値でよく従つて
高感度な磁束計となる。
しかしながら、増巾器７や検波器８が常温で動
作する半導体増巾器であるために動作速度は論理
素子に比して、極めて遅い欠点があつた。
作する半導体増巾器であるために動作速度は論理
素子に比して、極めて遅い欠点があつた。
本発明はこれらの欠点を同時にとりのぞき、高
感度かつ高速動作の可能な超伝導交流バイアス増
幅装置を提供するもので、その構成を添付図面に
示す実施例について詳述すると次の通りである。
有限個チの直列ジヨセフソン素子群J4と３個のイ
ンダクタンスL1，L2，L3からなる超伝導閉回路
と、この超伝導閉回路に入力信号及び直流バイア
スと交流バイアスとを同時に加える入力部１１
と、この超伝導閉回路を２つの部分超伝導閉回路
９，１０に構成するジヨセフソン素子群J5，J6を
直列した回路部と、この回路部のジヨセフソン素
子群J5，J6の共通接続部に直流バイアスを加えう
る出力端子１２とを組み合せたものである。
感度かつ高速動作の可能な超伝導交流バイアス増
幅装置を提供するもので、その構成を添付図面に
示す実施例について詳述すると次の通りである。
有限個チの直列ジヨセフソン素子群J4と３個のイ
ンダクタンスL1，L2，L3からなる超伝導閉回路
と、この超伝導閉回路に入力信号及び直流バイア
スと交流バイアスとを同時に加える入力部１１
と、この超伝導閉回路を２つの部分超伝導閉回路
９，１０に構成するジヨセフソン素子群J5，J6を
直列した回路部と、この回路部のジヨセフソン素
子群J5，J6の共通接続部に直流バイアスを加えう
る出力端子１２とを組み合せたものである。
第８図は本発明の等価回路を示すもので、臨界
電流I0を持つ素子数Ｎ個の直列ジヨセフソン素子
群J5，J6によつて分離し、２つの部分超伝導閉回
路９，１０を形成している。
電流I0を持つ素子数Ｎ個の直列ジヨセフソン素子
群J5，J6によつて分離し、２つの部分超伝導閉回
路９，１０を形成している。
この場合、等価回路に用いるジヨセフソン素子
は、第１図のそれのように積層構造のトンネル接
合型かあるいは第５図のマイクロブリツジ型かい
ずれでも良い。
は、第１図のそれのように積層構造のトンネル接
合型かあるいは第５図のマイクロブリツジ型かい
ずれでも良い。
但し、第７図に於ては、L1＝L2＝L3NΦ0／
4I0としている。
4I0としている。
入力電流Iiは入力部１１の入力端子１１′から
供給され、これには直流バイアス電流IBと交流バ
イアス電流Irfが各抵抗RB，Riを通して入力バイ
アス端子１１″，１１から加えられる。
供給され、これには直流バイアス電流IBと交流バ
イアス電流Irfが各抵抗RB，Riを通して入力バイ
アス端子１１″，１１から加えられる。
出力電流ILは出力端子１２から取り出され、こ
れには抵抗Rdを通して電源電流Idcが出力バイア
ス端子１２′から加えられる。
れには抵抗Rdを通して電源電流Idcが出力バイア
ス端子１２′から加えられる。
直列ジヨセフソン素子群J4及びジヨセフソン素
子群J5，J6は第９図に示すように寄生容量Ｃと寄
生抵抗Ｒと理想素子Ｊの並列回路がＮ個直列接続
されたものである。
子群J5，J6は第９図に示すように寄生容量Ｃと寄
生抵抗Ｒと理想素子Ｊの並列回路がＮ個直列接続
されたものである。
第１０図はＮ＝１の場合のILとIiの関係を示す
域値特性である。
域値特性である。
１｜Ii｜＜2I0のときはILは2I0まではJ5，V6が
零電圧でそれ以上で有限電圧となる。
零電圧でそれ以上で有限電圧となる。
｜Ii｜が2I0を越すとJ4のゲートから磁束量子１
個が閉回路内に侵入し、ILを磁束量子を動かすに
必要な最小電流IL0以上流すと侵入した磁束量子
はジヨセフソン素子群J5，J6を交互に通過して出
力端子１２に電圧を発生する。
個が閉回路内に侵入し、ILを磁束量子を動かすに
必要な最小電流IL0以上流すと侵入した磁束量子
はジヨセフソン素子群J5，J6を交互に通過して出
力端子１２に電圧を発生する。
この状態で｜Ii｜を内部にある磁束量子が外部
にJ4を通して排出する電流Ii0以下にもどすと、内
部で回転する磁束量子は直列ジセフソン素子群J4
を通つて外部に排出され、出力端子１２は零電圧
となる。
にJ4を通して排出する電流Ii0以下にもどすと、内
部で回転する磁束量子は直列ジセフソン素子群J4
を通つて外部に排出され、出力端子１２は零電圧
となる。
今、第１０図のｃに示すようにIiをIBによりＡ
点にバイアスして、周波数0、振巾Irf＝0.7I0の
交流バイアスを入力端子１１に加えて更にILを
2I0よりわずかに小な値Idcとしておくと、Iiの最
大値が2I0をこえないため磁束量子は内部に入ら
ず出力端子１２は零電圧である。
点にバイアスして、周波数0、振巾Irf＝0.7I0の
交流バイアスを入力端子１１に加えて更にILを
2I0よりわずかに小な値Idcとしておくと、Iiの最
大値が2I0をこえないため磁束量子は内部に入ら
ず出力端子１２は零電圧である。
ところがこの状態でIiに微小な入力電流△Ii＝
0.2I0を加えるIiの最大値は2I0を越えるため磁束量
子が侵入し、これが回転して出力電圧は有限電圧
となる。
0.2I0を加えるIiの最大値は2I0を越えるため磁束量
子が侵入し、これが回転して出力電圧は有限電圧
となる。
磁束量子の回転周波数WJは
WJ１／√数100GHz
で、これによる出力電圧νは
であるがf0＜WJ／2πとしておくと、f0の周期の半分
の周期の電圧が発生するからν0は
となり、ミリボルト単位のオーダーとなる。
このとき第１１図に示すように出力端子１２に
負荷抵抗RLを接続しておくと、これに供給しう
る最大電流は第１０図の△IL2I0−IL0の程度で
この場合△IL1.1I0となる。
負荷抵抗RLを接続しておくと、これに供給しう
る最大電流は第１０図の△IL2I0−IL0の程度で
この場合△IL1.1I0となる。
従つて電流利得Ｇは
Ｇ＝1.1／0.2＝5.5
となり、高い利得をうることができる。
このときIiとν0の関係は第１２図のようにな
り、リレー回路と類似した特性となる。
り、リレー回路と類似した特性となる。
臨界電流I0を10μAとすると入力△IiはμA程度
で従来のSQUIDゲートに比して極めて高感度と
なる。
で従来のSQUIDゲートに比して極めて高感度と
なる。
Ｎ＞Ｉの場合も同様な特性となるが、この場合
侵入する磁束量子はＮ個の各ジヨセフソン素子か
ら入つてそのＮ個が回転するために出力電圧νは
Nν0となり、高い電圧をうることが可能で、従つ
て大きな電力利得もうることができる。
侵入する磁束量子はＮ個の各ジヨセフソン素子か
ら入つてそのＮ個が回転するために出力電圧νは
Nν0となり、高い電圧をうることが可能で、従つ
て大きな電力利得もうることができる。
また、第１０図に示すようにIBを負としてＢ点
にバイアスして同様な動作をさせると、第１２図
に示すように△Iiの負の入力に対して出力端子１
２には正の出力電流を得ることが可能で従つて論
理回路構成に必要なインバータを容易に構成する
ことができる。
にバイアスして同様な動作をさせると、第１２図
に示すように△Iiの負の入力に対して出力端子１
２には正の出力電流を得ることが可能で従つて論
理回路構成に必要なインバータを容易に構成する
ことができる。
又第１３図に示すような本発明による入力と出
力とが逆転する電流利得の大きなインバータに第
１４図に示すように遅れ時間τ＝Lf／RfWJ-1
の遅れ要素Zfを接続して出力電流の1/5程度の電
流を負帰還すると第１５，１６図に示すように負
の入力電流に対して出力電圧は部分的に線形とな
り、超高感度の線形増幅が可能となる。
力とが逆転する電流利得の大きなインバータに第
１４図に示すように遅れ時間τ＝Lf／RfWJ-1
の遅れ要素Zfを接続して出力電流の1/5程度の電
流を負帰還すると第１５，１６図に示すように負
の入力電流に対して出力電圧は部分的に線形とな
り、超高感度の線形増幅が可能となる。
以上のべた本発明における遮断周波数fcは約
WJ／２程度即ち数100GHz程度となり、極めて広帯 域に作動する特徴を有する。
WJ／２程度即ち数100GHz程度となり、極めて広帯 域に作動する特徴を有する。
かように本発明によれば電流利得、電力利得が
共に１より大きいデイジタル及び線形増幅が可能
で、遮断周波数cが数100GHzに及ぶ広帯域高感
度の超伝導交流バイアス増幅装置を提供すること
になり、高速情報処理や光通信などの広帯域通信
系の性能の大巾な改善を可能とするものである。
共に１より大きいデイジタル及び線形増幅が可能
で、遮断周波数cが数100GHzに及ぶ広帯域高感
度の超伝導交流バイアス増幅装置を提供すること
になり、高速情報処理や光通信などの広帯域通信
系の性能の大巾な改善を可能とするものである。
第１図は在来の超伝導量子干渉素子の説明図、
第２図はその等価回路図、第３図はその論理動作
特性図、第４図はその記憶動作特性図、第５図は
在来の超伝導量子干渉磁束計の回路原理説明図、
第６図はその動作特性図、第７図は外部磁束Φe
−タンク回路電圧Vrf特性図、第８図は本増幅装
置の等価回路図、第９図は直列ジヨセフソン素子
群の等価回路図、第１０図は本増幅装置の動作特
性図、第１１図は負荷抵抗RLを有する本増幅装
置の一実施例を示す等価回路図、第１２図はその
入力電流Ii−出力電圧ν特性図、第１３図は本増
幅装置に負帰還を施した別例を示す等価回路図、
第１４図は遅れ要素の等価回路図、第１５図はそ
の入力電流Ii−出力電流IL特性図、第１６図はそ
の入力電流Ii−出力電圧ν特性図である。 J4，J5，J6……直列ジヨセフソン素子群、L1，
L2，L3……インダクタンス、９，１０……部分
超伝導閉回路、１１……入力部、１２……出力端
子。
第２図はその等価回路図、第３図はその論理動作
特性図、第４図はその記憶動作特性図、第５図は
在来の超伝導量子干渉磁束計の回路原理説明図、
第６図はその動作特性図、第７図は外部磁束Φe
−タンク回路電圧Vrf特性図、第８図は本増幅装
置の等価回路図、第９図は直列ジヨセフソン素子
群の等価回路図、第１０図は本増幅装置の動作特
性図、第１１図は負荷抵抗RLを有する本増幅装
置の一実施例を示す等価回路図、第１２図はその
入力電流Ii−出力電圧ν特性図、第１３図は本増
幅装置に負帰還を施した別例を示す等価回路図、
第１４図は遅れ要素の等価回路図、第１５図はそ
の入力電流Ii−出力電流IL特性図、第１６図はそ
の入力電流Ii−出力電圧ν特性図である。 J4，J5，J6……直列ジヨセフソン素子群、L1，
L2，L3……インダクタンス、９，１０……部分
超伝導閉回路、１１……入力部、１２……出力端
子。
Claims (1)
- １ 有限個の直列ジヨセフソン素子群と３個のイ
ンダクタンスとからなる超伝導閉回路と、この超
伝導閉回路に入力信号及び直流バイアスと交流バ
イアスを加える入力部と、この超伝導閉回路を２
つの部分超伝導閉回路に構成する２つのジヨセフ
ソン素子群を直列した回路部と、この回路部のジ
ヨセフソン素子群の共通接続部に直流バイアスを
加える出力端子とを組み合せたことを特徴とする
超伝導交流バイアス増幅装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7217682A JPS58188911A (ja) | 1982-04-28 | 1982-04-28 | 超伝導交流バイアス増幅装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7217682A JPS58188911A (ja) | 1982-04-28 | 1982-04-28 | 超伝導交流バイアス増幅装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58188911A JPS58188911A (ja) | 1983-11-04 |
| JPH0150128B2 true JPH0150128B2 (ja) | 1989-10-27 |
Family
ID=13481650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7217682A Granted JPS58188911A (ja) | 1982-04-28 | 1982-04-28 | 超伝導交流バイアス増幅装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58188911A (ja) |
-
1982
- 1982-04-28 JP JP7217682A patent/JPS58188911A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58188911A (ja) | 1983-11-04 |
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