JPH04291508A - ジョセフソン発振回路およびジョセフソン論理回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はジョセフソン発振回路お
よびジョセフソン論理回路に係り、特に、ジョセフソン
論理回路と同一チップ上に設けてクロック信号源や交流
信号源として用いることのできるジョセフソン発振回路
、および従来のジョセフソン接合直並列接続のハッフル
回路構成の論理回路に比べて大きな電流電圧を出力する
ことのできるジョセフソン論理回路とすることを図った
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ジョセフソン素子のデジタル応用におい
て集積論理ＩＣに外部から高周波のクロック信号や交流
電源を入力する場合、ＩＣチップとチップキャリアの間
の結合部分でインピーダンスの不一致からクロストーク
が発生し、論理回路の誤動作の原因となる。一方、グラ
ンドプレーンがある同一チップ上にクロックや交流電源
として発振器を設ければ、この障害を克服することがで
きる。従来のジョセフソン素子を用いた発振器の代表例
は波多野雄治、他；「ジョセフソン直流駆動回路の発振
現象」、電子情報通信学会１９８９年秋季全国大会Ｃ−
２６、５−２６に詳述されている。これは直流駆動型の
ジョセフソン論理回路の一つであるハッフル型フリップ
フロップを用いて高周波発振を起こすものである。ハッ
フル型フリップフロップについてはエー・エフ・ヘバー
ド、他；“ア　　デーシー　　パワードジョセフソン　
　フリップフロップ”、アイ・イー・イー・イー　　ト
ランザクション　　オン　　マグネティックス、エムエ
ージー１５巻、１９７９年、１月号、４０８頁から４１
１頁まで（Ａ．Ｆ．Ｈｅｂａｒｄ，ｅｔ．ａｌ．；“Ａ
　　ＤＣＰｏｗｅｒｅｄ　　Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ　　Ｆ
ｌｉｐ−Ｆｌｏｐ”，ＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　
　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．ＭＡＧ−１５，ｐｐ．
４０８−４１１，Ｊａｎｕａｒｙ，１９７９）に詳述さ
れている。図３にハッフル回路を示す。３０３、３０４
がジョセフソン量子干渉素子で、３０１、３０２はその
制御線である。３０６、３０７は負荷抵抗、３０５はイ
ンダクタンスである。そして３０８は波多野らによって
設けられた並列抵抗である。波多野らはこの抵抗を加え
ることでこの回路の欠点であったラッチアップ現象（同
時に３０３と３０４のジョセフソン量子干渉素子が電圧
状態になり、以後電源電流を落さないかぎり如何なる入
力を加えても反応しなくなってしまう現象）を克服した
。この並列抵抗については特開平１−２９６４９４（特
願昭６３−１２５９０１）に詳述されている。この改良
型ハッフル回路を使って前述の「ジョセフソン直流駆動
回路の発振現象」においてハッフル回路にほぼ９０％以
上の電源電流を加えたときに発振現象を起こすと述べて
いる。しかしこの現象を利用した発振器では発振周波数
を変化させるのに電源電流を変化させなければならなか
った。また図３のハッフル回路の出力電流は高々ジョセ
フソン量子干渉素子の臨界電流であり出力電圧は高々１
つのジョセフソン接合素子の電圧状態（数ｍＶ）である
。出力電流、出力電圧を大きくするにはジョセフソン接
合素子を図５のように直並列に接続すれば良い。図５に
おいて５０１はこの直並列ジョセフソン接合素子を電圧
状態にするための制御線である。５０２〜５１７はジョ
セフソン接合素子である。この時のジョセフソン量子干
渉素子の電流電圧特性は図６のようになる。直並列に接
続したジョセフソン接合の臨界電流のばらつきから一部
のジョセフソン接合が電圧状態でその他が零電圧状態と
なる状態が存在する。このために、電流電圧特性では図
６の６０１〜６０３に示すひげとなって現われる。ここ
で抵抗の負荷曲線６０４を引くとひげと交錯する。ハッ
フル回路はインダクタンスの過渡現象を利用した論理回
路であるので、電圧状態のときにジョセフソン量子干渉
素子に流れる電流値が大きいと正常に動作しない。ジョ
セフソン接合を直並列につないだ量子干渉素子では臨界
電流のばらつきで抵抗の負荷曲線がひげと交錯すると電
圧状態のジョセフソン量子干渉素子の電流値が大きくな
ってしまい、ハッフル回路がスイッチングしないという
問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のジョセフソン発
振回路では電源電流が大きいのでその値を他の論理回路
を使って変化させるのは極めて困難である。

【０００４】本発明の第１の目的は電源電流ではなく、
それよりも小さい信号電流を適当な値にすることで発振
状態とし発振器として利用することにある。

【０００５】本発明の第２の目的はハッフル回路のジョ
セフソン接合素子を直並列に接続してさらに負荷抵抗の
代わりにダイオードを用いることで大電流、大電圧の出
力が可能なジョセフソン論理回路を提供することにある
。

【０００６】

【課題を解決するための手段】ハッフル回路のジョセフ
ソン接合素子に適当な信号電流を加えると電源電流を過
剰に印加しなくても発振現象を起こすことが発明者らに
より確かめられた。この回路を図１に示す。図１におい
て１０３と１０４のジョセフソン量子干渉素子は同一の
特性を持ち、その閾値特性が図２であるとする。図２に
おいて縦軸がジョセフソン量子干渉素子に流れる電流で
横軸が制御電流である。電源電流はハッフル回路が正常
に動作する値に印加する。このとき制御線１０１と１０
２に流れる電流を同時に図２の２０２、２０３または２
０４のように閾値の近傍に設定すると図７のように発振
状態となることが明らかになった。この現象は２０１ａ
、ｂの範囲で起こる。なお２０５は波多野らによる発振
現象の範囲である。

【０００７】ところで今までのハッフル回路の出力電圧
はそれの電圧状態の値（数ｍＶ）である。これらの値よ
り大きな値を得るためには図５のようにジョセフソン接
合を直並列に接続してハッフル回路に組み込めば良い。 しかし従来のハッフル回路では前述したように負荷に図
３の３０６、３０７のような抵抗を用いているのでハッ
フル回路は動作しない。そこで図９のように負荷抵抗の
代わりにダイオードを用いれば、ダイオードの非直線特
性のためにその負荷曲線が前記のひげと交錯しなくなり
、ジョセフソン接合を直並列に接続した大電流高電圧の
出力のハッフル回路でも動作が可能となる。図９におい
て９０３、９０４は図５のような構造の直並列ジョセフ
ソン接合素子である。９０１、９０２はその制御線であ
る。９０５はインダクタンスである。９０６、９０７は
負荷としてのダイオードである。９０８はラッチアップ
防止用の抵抗の代わりのダイオードである。もちろん抵
抗でも動作させることができる。

【０００８】

【作用】本発明の発振現象は次のように説明することが
出来る。１０３と１０４のジョセフソン量子干渉素子の
一方が電圧状態のときもう一方は必ず超電導状態である
。ジョセフソン素子が電圧状態のときには交流ジョセフ
ソン効果から交流電流が重畳した電流が流れる。たとえ
ば１０３が電圧状態であったとすると１０４は超電導状
態となる。超電導状態の１０４に流れる電流は１０３で
発生する交流電流と抵抗１０６を経てインダクタンス１
０５を通る電流の和である。ハッフル回路ではジョセフ
ソン素子のスイッチングより抵抗１０６とインダクタン
ス１０５の直列接続で構成される回路のほうが応答が遅
いので１０４に流れる電流は始めは小さくしだいに少し
ずつ増加していく。そして十分に大きくなったとき１０
４に流れる電流は前述したように１０３で発生する交流
電流とインダクタンス１０５からの電流の和なので１０
４の制御線１０２を図２の２０２のように設定しておく
と重畳している交流電流により１０４のゲート電流の最
大値が電圧状態となる状態となる。よって１０４は電圧
状態となる。このときに１０３は超電導状態になるが、
インダクタンスの過渡応答によりゲート電流が十分増加
すると１０４からの交流電流でゲート電流の最大値が２
０１の範囲外となるので１０３は再び電圧状態となる。 このような現象の繰返しで発振するのである。またこの
原理によれば、２０１ａ、ｂ内に設定する制御線の値に
よって発振周波数が変化する。そして図１の制御線１０
１、１０２の電流値を図２の２０１ａ、ｂの範囲内で異
なる値に設定すれば、発振のデューティ比も変えること
が出来る。

【０００９】

【実施例】本発明のジョセフソン発振回路の第１の実施
例を図１に示し、この発振回路の具体的なパラメータと
その動作を以下に説明する。図１の発振回路をＮｂ系の
材料を使い、２．５μｍルールのジョセフソン集積技術
によって作製した。ジョセフソン接合はＮｂ／ＡｌＯｘ
／Ｎｂの構成である。図１において１０６、１０７は８
Ω、１０８は２Ω、１０５は３００ｐＨである。１０３
および１０４は２接合量子干渉素子を用いた。この素子
の臨界電流は６００μＡである。動作は液体ヘリウム中
で行なった。図１のゲート電流を０．４ｍＡ、制御電流
を１．０ｍＡに設定したところ１．１ＧＨｚで発振した
。また制御電流１０１、１０２を共に０．９ｍＡ、ゲー
ト電流を０．４８ｍＡ（図２の２０２）に設定したとこ
ろ１ＧＨｚで発振し、同じゲート電流０．４８ｍＡで制
御電流を１０１、１０２を共に０．８５ｍＡ（図２の２
０３）に変えたところ０．７ＧＨｚで発振した。このよ
うに本発明の発振回路は図２の斜線で示した２０１の範
囲で発振し、さらに制御線の設定値を変えることで発振
周期を変えることができる。発振周波数と制御線の電流
値の関係を実験で求めた結果を図８に示す。一方、制御
線１０１と１０２に流れる電流の比を変えることで発振
のデューティ比を変えることも可能である。

【００１０】本発明の第２の実施例を図４に示す。電源
電流はハッフル回路が正常に動作する値に設定する。前
述したように制御線４０１と４０２に流れる電流を図２
の斜線範囲２０１内の値に２連動の可変抵抗４１１を使
って設定すると発振する。出力は４０５のインダクタン
スから磁束結合で取り出す。また４０９、４１０の可変
抵抗で制御線４０１と４０２に流れる電流の比を変える
ことで発振のデューティ比を変えることも可能である。

【００１１】図１２は第３の実施例を示し、これは、本
発明の発振回路をクロックとして用いる例である。１２
０１は本発明の発振回路をクロック発生回路として用い
ている。１２０２はジョセフソン接合を使って構成され
たコンピュータである。１２０３は１２０１と１２０２
が載っているＩＣチップである。１２０４はグランドプ
レーンである。このグランドプレーン上にジョセフソン
回路を構成すると配線が超電導ストリップとなるので各
回路が電気的に整合がとれる。電気的に整合がとれると
クロストークが非常に小さくなる。本発明のクロック発
生回路は他のジョセフソン回路と同様にグランドプレー
ン上に載せることができるのでチップ外部からクロック
を入力するときに問題となるクロストークを克服するこ
とが出来る。またジョセフソン接合を使用したコンピュ
ータと同一のプロセスで作ることができるので容易にク
ロック発生回路を構成できる。

【００１２】図９は第４の実施例で、これは、大電流高
電圧を得るために図５に示したジョセフソン接合素子を
直並列に接続して、負荷をダイオードとした例である。 図９において９０３、９０４は図５のような構造の直並
列ジョセフソン接合素子である。９０１、９０２はその
制御線である。９０５はインダクタンスである。９０６
、９０７は負荷としてのダイオードである。現在、一般
的にはジョセフソン回路はＳｉ基板上に作製している。 ダイオードをＳｉ基板に作製してからその上にジョセフ
ソン回路を形成すれば容易に図９の回路を実現できる。 ９０８はラッチアップ防止用の抵抗の代わりのダイオー
ドである。もちろん抵抗でも動作させることができる。 この場合、ジョセフソン接合素子はダイオードに電流お
よび電圧が供給できる程度に直並列に接続する。ダイオ
ードを負荷とした場合の負荷曲線は図１３の１３０１と
なるのでジョセフソン接合のばらつきによるひげに交わ
ることなく設計値通りの電圧電流を得ることができ、ハ
ッフル回路を動作させることが出来る。

【００１３】図１４は第５の実施例を示すもので、これ
は、図９の回路を用いてその出力を交流駆動のジョセフ
ソン回路の電源として使用する例である。１４０８は超
電導トランスである。このトランスで適当な電流電圧に
変換して送り出す。１４０９は電源の出力である。この
先に負荷として交流ジョセフソン回路が接続される。

【００１４】第６の実施例として、図９の回路を使って
半導体ＭＯＳＦＥＴを動作させるための回路を図１５に
示す。１５０９、１５１０はＭＯＳＦＥＴである。ダイ
オードと同じようにＳｉ基板を使い、始めにＭＯＳＦＥ
Ｔを作製してからその上にジョセフソン回路を形成する
ことは容易である。１５１０は１５０９の負荷である。 １５０３のジョセフソン量子干渉素子が電圧状態のとき
にＭＯＳＦＥＴがＯＮとなる。

【００１５】第７の実施例として、負荷ダイオードの代
わりにバイポーラトランジスタを使う例を示す。ダイオ
ードの代わりにバイポーラトランジスタのベース、エミ
ッタ間を使えば数ｍＡから数十ｍＡの電流を出力として
取り出すことが出来る。図１６は半導体バイポーラトラ
ンジスタのベース、エミッタ間を負荷とした例である。 １６０６、１６０７はバイポーラトランジスタである。 １６１１、１６１２はトランジスタ用の電源である。ト
ランジスタの増幅作用で大きな電流電圧を取り出すこと
ができるので、半導体回路に容易に接続が可能となる。 この例ではラッチアップ防止用に抵抗を使用しているが
、無論ダイオードを使用しても良い。

【００１６】第８の実施例として、負荷ダイオードの代
わりに半導体発光素子を使う例を示す。ダイオードの代
わりにレーザなど発光素子を用いることで高速で動作が
可能な光変調素子とすることができる。なおジョセフソ
ン接合素子は金属系の超電導体を用いたときは液体ヘリ
ウム中、酸化物系の超電導体を用いたときは液体窒素中
で動作させるがこのようなときでも半導体は動作するこ
とを確認してある。例として図１０、図１１にＩｎＧａ
ＡｓＰレーザの室温、液体窒素、液体ヘリウム中の電圧
電流特性および光出力電流特性をそれぞれ示す。図１７
は負荷のダイオードを半導体レーザにした例である。１
７０６、１７０７が半導体レーザであり、１７０９、１
７１０が光ファイバである。１７０１、１７０２の制御
線に入力される信号で半導体レーザをスイッチングさせ
ることが出来る。この回路で高速の光変調回路を実現す
ることが出来る。

【００１７】以上は磁束結合型のジョセフソン接合素子
を例として述べたが、電流注入型のジョセフソン量子干
渉素子においても同様であることは言うまでもない。

【００１８】

【発明の効果】本発明によればジョセフソン論理回路と
同一チップ上にクロックや交流電源としての可変発振器
を設けることが可能となり、配線間のクロストークの問
題を克服することができる。またジョセフソン接合素子
を直並列に接続したハッフル回路は従来のジョセフソン
論理回路に比べて大きな電流電圧を出力することができ
るので半導体論理デバイスとの信号の受け渡しを直接に
行うことができる。そして半導体発光素子を用いてジョ
セフソン論理回路の出力信号として光信号を使用するこ
とができるので信号線のクロストークもなく外部のコン
ピュータなどとの情報伝達も容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるジョセフソン発振回路図。

【図２】ジョセフソン量子干渉素子の閾値特性。

【図３】ヘバードらによるハッフル回路に波多野らのラ
ッチアップ防止用の抵抗を接続したもの。

【図４】本発明によるジョセフソン発振器の実施例の一
つ。

【図５】ジョセフソン接合を直並列に接続した直並列ジ
ョセフソン量子干渉素子の構造図。

【図６】図５の直並列ジョセフソン量子干渉素子の電流
電圧特性と負荷を抵抗としたときの負荷曲線の模式図。

【図７】本発明の方法による発振現象の例。

【図８】制御線に入力する電流と発振周波数の関係を示
す図。

【図９】本発明の一つである、図５の直並列ジョセフソ
ン量子干渉素子を用い負荷として半導体ダイオードを使
用して図３のハッフル回路より大きな電流電圧を得るこ
とが可能な回路。

【図１０】室温、液体窒素（７７Ｋ）、液体ヘリウム（
４．２Ｋ）の環境におけるＩｎＧａＡｓＰレーザの電流
電圧特性図。

【図１１】室温、液体窒素（７７Ｋ）、液体ヘリウム（
４．２Ｋ）の環境におけるＩｎＧａＡｓＰレーザの光出
力電流特性図。

【図１２】本発明の発振現象をクロック回路として応用
した例。

【図１３】図９の回路構成による負荷曲線の模式図。

【図１４】本発明の一つである図９の回路をジョセフソ
ン交流駆動回路の電源として用いる例。

【図１５】本発明の一つである図９の回路の出力電圧で
半導体のＭＯＳＦＥＴを動作させる例。

【図１６】図９の発明の回路の負荷ダイオードを半導体
バイポーラトランジスタのベース、エミッタで置き換え
、バイポーラトランジスタを駆動させ増幅させる回路図
。

【図１７】図９の発明の回路の負荷ダイオードとして半
導体レーザを用いて光信号を出力することを可能とした
回路の図。

【符号の説明】

１０１、１０２…ジョセフソン量子干渉素子の制御線１
０３、１０４…ジョセフソン量子干渉素子１０５　　　
　　　　　…インダクタンス１０６、１０７…負荷抵抗

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１つ以上のジョセフソン接合で構成され、
   零電圧状態から電圧状態に遷移せしめる制御線が接続さ
   れているジョセフソンゲートの２つを直列に接続したも
   のの両端に、２つの負荷抵抗を直列に接続したものの両
   端と、ラッチアップ防止用抵抗の両端とをそれぞれ並列
   に接続し、上記直列接続した２つのジョセフソンゲート
   の接続点と、上記直列接続した２つの負荷抵抗の接続点
   とをインダクタンスで接続した回路であって、上記２つ
   のジョセフソンゲートの各制御線をそれぞれ別個の定電
   流回路に接続し、各制御線に流れる電流値を別個に設定
   することで上記インダクタンスあるいは負荷抵抗に流れ
   る電流を発振状態としたことを特徴とするジョセフソン
   発振回路。
2. 【請求項２】２つ以上のジョセフソン接合の直並列接続
   で構成され、零電圧状態から電圧状態に遷移せしめる制
   御線が接続されているジョセフソンゲートの２つを直列
   に接続したものの両端に、２つの負荷ダイオードを直列
   に接続したものの両端と、ラッチアップ防止用の抵抗ま
   たはダイオードの両端とをそれぞれ並列に接続し、上記
   直列接続した２つのジョセフソンゲートの接続点と、上
   記直列接続した２つの負荷ダイオードの接続点とをイン
   ダクタンスで接続し、上記２つのジョセフソンゲートの
   各制御線をそれぞれ別個の定電流回路に接続し、各制御
   線に流れる電流値を別個に設定することで上記インダク
   タンスあるいは負荷ダイオードに流れる電流を発振状態
   としたことを特徴とするジョセフソン発振回路。
3. 【請求項３】２つ以上のジョセフソン接合の直並列接続
   で構成され、零電圧状態から電圧状態に遷移せしめる制
   御線が接続されているジョセフソンゲートの２つを直列
   に接続したものの両端に、２つの負荷ダイオードを直列
   に接続したものの両端と、ラッチアップ防止用の抵抗ま
   たはダイオードの両端とをそれぞれ並列に接続し、上記
   直列接続した２つのジョセフソンゲートの接続点と、上
   記直列接続した２つの負荷ダイオードの接続点とをイン
   ダクタンスで接続したことを特徴とするジョセフソン論
   理回路。
4. 【請求項４】請求項３の２つの負荷ダイオードがそれぞ
   れバイポーラトランジスタのベース・エミッタ接合で形
   成されていることを特徴とするジョセフソン論理回路。
5. 【請求項５】請求項３の２つの負荷ダイオードがそれぞ
   れ半導体発光素子であることを特徴とするジョセフソン
   論理回路。