JPH063877B2 - ジヨセフソン高電圧信号出力回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はジョセフソン高電圧信号出力回路に関し、特に
ジョセフソン回路の出力信号を半導体集積回路へ伝達す
るインターフェース回路に関する。

〔従来の技術〕

従来、ジョセフソン接合を用いたゲート回路として、抵
抗を介して信号電流を負荷回路に注入する抵抗結合型論
理回路や、信号電流が作る磁界によってジョセフソン接
合回路をスイッチさせる磁界結合型回路等の種々の回路
方式が知られている。しかし、ジョセフソン接合装置か
ら半導体論理回路等の異種論理回路へ信号を出力する方
式に関しては、論理振幅の差が２桁程度以上生じるた
め、特開昭５３−１４５５４９号公報に示されている様
な電圧を増幅する回路手段が必要となる。

第２図は、特開昭５３−１４５５４９号公報に示されて
いる従来のジョセフソン論理装置と異種の論理回路との
結合回路の回路図である。ｎ個のジョセフソンゲートＪ
_１〜Ｊ_ｎからなるジョセフソンゲート回路は、ゲート電
流Ｉ_ｇにより臨界電流値以下にバイアスされている。ジ
ョセフソンゲートＪ_１〜Ｊ_ｎの入力信号線は全て直列接
続されてゲート回路の入力信号線１１となっている。ジ
ョセフソンゲート回路の両端Ｘ_１，Ｘ_２から、半導体論
理回路等の異種の論理回路への出力信号が取り出されて
いる。

第３図は従来のジョセフソンゲート回路の１個のジョセ
フソンゲートの一例の斜視図であり、第４図はジョセフ
ソンゲートのしきい値特性を示した特性図である。１個
のジョセフソンゲートは、基部電極３１と、対向電極３
２と、超伝導トンネル障壁３３と、入力信号線３４とか
ら構成されている。本ジョセフソンゲート回路は、入力
信号線の電流Ｉ_Ｈにより第４図に示すように、ジョセフ
ソン接合の臨界電流値Ｉ_ｃが変化する。従って、或るバ
イアス条件Ｉ_ｇの下に十分大きな入力信号電流Ｉ_Ｈを印
加すると、ジョセフソンゲートは電圧状態にスイッチす
る。ここでジョセフソン接合の形状を１９８０年発行の
アイビーエム・ジャーナル・オブ・リサーチ・アンド・
ディベロプメント（IBM Journal of Researach and Dev
elopment）誌、第２４巻、第２号、第１５７頁に記載さ
れている様に、正弦波形状とすることにより、サイドロ
ーブ部４２，４３の臨界電流値Ｉ_ｃの大きさを最大の臨
界電流値Ｉ_ｍのたとえば２％以下にすることができる。
サイドローブ部４２，４３のＩ_ｃの大きさを小さくする
程、多数個直列接続されたジョセフソンゲートの電圧状
態への転移をより完全に行うことができることが知られ
ている。即ち、サイドローブ部のＩ_ｃが小さいと第２図
のジョセフソンゲート回路のＪ_１〜Ｊ_ｎが入力信号電流
Ｉ_Ｈにより全て電圧状態へスイッチする。従って、
Ｘ_１，Ｘ_２間には、ギャップ電圧Ｖ_ｇのｎ倍の電圧が発
生する。即ち、異種論理回路への出力電圧がｎ倍に増幅
されることを示している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述した従来のジョセフソン高電圧信号
出力回路において、異種論理回路へ出力する電圧振幅を
大きく取る必要があるため、ジョセフソンゲート回路は
ラッチモードで動作させる必要があった。なぜなら、非
ラッチモードでジョセフソンゲート回路を動作させる
と、各ジョセフソンゲートはギャップ電圧のおよそ１／
１０位下の電圧しか出力しないため、ジョセフソンゲー
トを多数個直列接続しても十分な電圧振幅を得ることが
できないからである。よって、十分な電圧振幅を、非ラ
ッチモードで動作するジョセフソンゲート回路を用いて
得るためには、１０倍以上多数のジョセフソンゲートを
直列接続しなければならない。たとえば、ジョセフソン
ゲートの論理電圧振幅を５mV、異種論理回路の電圧振幅
を0.2Ｖとすると第２図の従来方式では５０個程度のジ
ョセフソンゲートを必要とする。これを、非ラッチモー
ドで動作するジョセフソンゲートで実現しようとする
と、約５００個のジョセフソンゲートが必要となり、製
造上も回路動作上も実現が非常に困難となる。

以上のことから、従来のジョセフソン高電圧出力回路
は、ラッチモードで動作させなければならない。従っ
て、従来のジョセフソン高電圧出力回路は動作後ゲート
電流Ｉ_ｇを零にすることにより初期状態にもどす必要が
あった。即ちゲート電流Ｉ_ｇはパルス波形で供給される
必要があった。しかしながら、0.2Ｖ以上の電圧を発生
するゲート電流Ｉ_ｇをパルス波形で駆動することは、周
波数が低い場合は容易であるが、周波数が高くなると非
常に難しくなる。即ち、従来方式のジョセフソン高電圧
出力回路は回路を初期状態へリセットする必要から、回
路の動作速度に限界が生じ十分な高速動作が行えないと
いう問題があった。しかも、高電圧出力回路は、一つの
装置において多数個必要であることから、前述のパルス
波形電流供給電源は多大の電流が必要とされる。従っ
て、多数個のパルス波形供給回路、もしくは大出力のパ
ルス波形供給回路が必要となり、装置のコストを増大さ
せていた。

本発明の目的は、上述の問題を解決し、高速で動作する
ジョセフソン高電圧信号出力回路を提供することにあ
る。

本発明の他の目的は、高電圧信号出力回路の電源供給回
路を簡単にし、装置のコストを低下することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のジョセフソン高電圧出力回路は、少くとも１個
の信号入力手段を有し複数個直列接続されたジョセフソ
ンゲートから成る第１のジョセフソンゲート回路と、前
記第１のジョセフソンゲート回路に直列接続されたイン
ダクタと、前記第１のジョセフソンゲート回路とインダ
クタから成る回路に並列接続され、少くとも１個の信号
入力手段を有し複数個直列接続されたジョセフソンゲー
トから成る第２のジョセフソンゲート回路と、前記第２
のジョセフソンゲート回路に並列接続されたゲート電流
供給手段とから成り、前記インダクタの両端から直接異
種論理回路への出力信号を取り出すようにしたというも
のである。

〔作用〕

ゲート電流供給手段からジョセフソンゲート回路にゲー
ト電流Ｉ_ｇが供給される。ゲート電流Ｉ_ｇが第２のジョ
セフソンゲート回路へ流れている状態を初期状態とす
る。この状態で第２のジョセフソンゲート回路の信号入
力手段へジョセフソン接合装置の最終段からの出力信号
が入力されると、第２のジョセフソンゲート回路は電圧
状態へスイッチする。従って、ゲート電流Ｉ_ｇは、第２
のジョセフソンゲート回路から第１のジョセフソンゲー
ト回路とインダクタ及び異種論理回路の入力端部へ出力
される。ここでインダクタのインダクタンスは、異種論
理回路の入力端部の負荷インピーダンスより十分大きく
設定しておく。よって、ゲート電流Ｉ_ｇは、第２のジョ
セフソンゲート回路のスイッチにより、大部分異種論理
回路の入力端部へ出力される。その後、異種論理回路の
入力端部へ出力されたゲート電流は、インダクタのイン
ダクタンスと、異種論理回路の入力端部のインピーダン
スで定まる時定数で零に向って減衰する。一方、インダ
クタを流れる電流は前記時定数でＩ_ｇまで増大する。即
ち、ゲート電流Ｉ_ｇは最初異種論理回路へ出力され、そ
の後、前述の時定数で異種論理回路の入力端部からイン
ダクの方へ転送される。最終的には全てのゲート電流が
インダクタ側に転送される。従って、異種論理回路の入
力端部には前記出力電流によりパルス状の高電圧の電圧
信号が得られる。この高電圧の電圧信号により異種論理
回路が動作する。高電圧の電圧信号の最大振幅は、ほぼ
第２のジョセフソンゲート回路が発生する電圧振幅と等
しく、単一のジョセフソンゲートのギャップ電圧のほぼ
ｎ倍（ｎは第２のジョセフソンゲート回路のゲート数で
ある）となる。なお、異種論理回路の入力端部の電圧
は、出力電流がインダクタ側へ転送されるに従って零と
なる。以上のことから、本実施例はジョセフソン論理装
置の出力電圧を約ｎ倍に増幅することができる。

次に、本高電圧信号出力回路を初期状態へ戻すために、
第１のジョセフソンゲート回路の信号入力手段へリセッ
ト信号を入力する。この時、既に第２のジョセフソンゲ
ート回路の両端の電圧は、前述したように、異種論理回
路の入力端部の電圧即ち電流の減衰に合せてほぼ零に減
衰している。従って、リセット信号の入力により第１の
ジョセフソンゲート回路は電圧状態へスイッチし、第１
のジョセフソンゲート回路へ流れていたゲート電流は、
第２のジョセフソンゲート回路へ戻される。この時、異
種論理回路の入力端部には、前述したと逆極性の高電圧
信号が発生する。しかし、信号の極性が逆方向であるこ
とと、逆極性の信号の振幅が前述の出力信号振幅と同等
以下であることから、異種の論理回路はスイッチしな
い。これは、従来のシリコン半導体等で構成される異種
の論理回路の入力信号の仕様、動作条件から明らかであ
る。リセット時に生じる逆極性の高電圧信号も、前述し
たと同様、異種の論理回路の入力端部の負荷インピーダ
ンスとインダクタのインダクタンスで定まる時定数で零
に減衰する。よって、第１のジョセフソンゲート回路の
両端の電圧も零に減衰する。以上のようにして、高電圧
出力回路は初期状態へリセットされる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示す回路図である。この実
施例は、入力信号線１を有する，ｎ個のジョセフソンゲ
ートＫ_１〜Ｋ_ｎを直列接続した第１のジョセフソン回路
と、インダクタンスＬのインダクタ３とが直列接続され
て接続点Ｘ_１と接続点Ｘ_２間に接続されている。同じく
入力信号線２を有する，ｎ個のジョセフソンゲートＪ_１
〜Ｊ_ｎを直列接続した第２のジョセフソンゲート回路が
接続点Ｘ_１と接続点Ｘ_２間に接続されて構成される。さ
らに、接続点Ｘ_１と接続点Ｘ_２間にゲート電流を供給す
る手段としての直流電源４からゲート電流Ｉ_ｇが注入さ
れている。インダクタ３の両端Ｙ_１，Ｙ_２は異種論理回
路へ接続されている。この実施例におけるジョセフソン
ゲートＫ_１〜Ｋ_ｎ，Ｊ_１〜Ｊ_ｎの数をともにｎ＝５０と
する。

次に、この実施例の動作について説明する。

動作初期状態において、ゲート電流Ｉ_ｇは第２のジョセ
フソンゲート回路を流れている。ジョセフソン接合装置
の最終段から、第２のジョセフソンゲート回路の入力信
号線２へ、信号電流Ｉ_Ｈが注入される。ゲート電流Ｉ_ｇ
と信号電流Ｉ_Ｈによる第２のジョセフソンゲート回路の
動作点を、しきい値の外（電圧状態）に設定してあるの
で、第２のジョセフソンゲート回路のＪ_１〜Ｊ_ｎが電圧
状態へスイッチする。従って、ゲート電流Ｉ_ｇは、第２
のジョセフソンゲート回路から第１のジョセフソンゲー
ト回路側へ転送される。

ここで異種論理回路の入力端部における負荷抵抗を
Ｒ_１、ジョセフソンゲートＪ_１〜Ｊ_ｎのサブギャップ抵
抗をＲ_ｇとする。また、インダクタ３のイピーダンスＬ
は負荷抵抗に比べ充分大で、Ｌ≫Ｒ_１に設定されてい
る。従って、１個のジョセフソンゲートの出力電圧をＶ
_ｇとすると、異種論理回路入力端部にはｎＶ_ｇの電圧が
発生すると共に、ゲート電流Ｉ_ｇが最初ほとんど全て送
出されて来る。その後は、Ｌ（Ｒ_１＋ｎＲ_ｇ）／（ｎＲ
_１Ｒ_ｇ）で定まる時定数で出力電圧、出力電流とも零に
減衰する。即ち、ゲート電流Ｉ_ｇは異種論理回路の入力
端部からインダクタ３へ転送される。

時定数Ｌ（Ｒ_１＋ｎＲ_ｇ）／（ｎＲ_１Ｒ_ｇ）を異種の論
理回路が動作するに十分な値、たとえば0.1ns程度に設
定する。ここでＲ_１＝２００Ω，Ｒ_ｇ＝２０Ω，Ｖ_ｇ＝
５mVとするとｎ＝５０であるのでＬ−16.7nH，ｎＶ_ｇ＝
0.25Ｖとなる。即ち、本回路により電圧出力0.25Ｖ，電
流出力Ｉ_ｇ，パスル巾0.1nsのパルス状の高電圧の出力
信号が得られる。

次に、本回路のリセット動作について説明する。

第２のジョセフソンゲート回路がスイッチして0.3nS後
には出力電圧はほぼ１３mV程度に減衰している。又、第
１のジョセフソンゲートのインダクタンスは、インダク
タのインダクタンスＬに比して十分小さく無視できるの
で、第２のジョセフソンゲート回路の両端Ｘ_１，Ｘ_２の
電圧は出力電圧とほぼ等しい１３mVの電圧に減衰する。
従って、ジョセフソンゲート回路の１個のゲートに加わ
る電圧は0.26mVとなる。この電圧は、ジョセフソンゲー
ト回路が電圧状態から超伝導状態へ復帰する電圧以下で
ある。即ち、ジョセフソンゲート回路はスイッチしてか
ら0.3nsまでの間に電圧状態から超伝導状態へ復帰して
いる。

続いて、第１のジョセフソンゲート回路の入力信号線１
へリセット電流Ｉ_Ｒが注入されると、第１のジョセフソ
ンゲート回路は電圧状態へスイッチする。従って、ゲー
ト電流Ｉ_ｇは第１のジョセフソンゲート回路側から第２
のジョセフソンゲート回路へ戻される。この時、異種論
理回路の入力端部には、出力電圧としてＶ_０−ｎＶ_ｇ
−0.25Ｖの負の電圧が生じる。しかし、この負電圧
は、異種論理回路の逆耐電圧以下であるので、異種論理
回路はスイッチしない。この時の異種論理回路の入力端
部での負荷抵抗をＲ_２とする。通常、信号出力線は、伝
送信号の反射を除くために信号出力線とインピーダンス
の一致が図られる。即ち異種論理回路の入力端部は、信
号出力線の特性インピーダンスに合せられる。従って、
Ｒ_２Ｒ_１となる。よって、リセット信号入力後0.3ns
後には前述と同様出力電圧Ｖ_０はＶ_０１３mVに減衰す
る。従って、第１のジョセフソンゲート回路の両端の電
圧も１３mV程度まで減衰することになり、第１のジョセ
フソンゲート回路は、スイツチした後0.3nsまでに、電
圧状態から超伝導状態へ復帰する。以上のようにして、
本発明の高電圧出力回路の動作状態が、初期状態へ戻さ
れる。

以上の説明から、本実施例が１ns以下の高速周期で動作
することが分る。異種論理回路の応答速度がさらに速く
なった場合には、インダクタのインダクタンスを変えて
時定数を選定することにより容易に対応することができ
る。即ち、本発明の回路は、従来の回路に比して容易に
高速動作に追従できることが分かる。さらに本発明のジ
ョセフソン高電圧出力回路は、ジョセフソン接合装置か
ら発生される駆動信号とリセット信号で動作するので、
本回路とジョセフソン接合装置との間で位相の調整を取
る必要がないので、回路個数に関係なく信号の送受が行
えるので制御が容易であるとともに、高速化も容易に行
える効果を持つ。以上で述べた本発明の回路に使用する
ジョセフソンゲートとして、正弦波形状等をした接合を
用いた従来のゲートが用いられる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、第１，第２のジョセフソ
ンゲート回路間でゲート電流を切換えることができるの
でゲート電流を供給する電源として直流電源で駆動でき
るので、電源回路が簡単になり装置コストを下げること
ができる。又、ジョセフソン接合装置から発生される制
御信号で動作するので、回路個数に関わりなく位相制御
が行え高速化が容易である。さらに、用いるインダクタ
等の値を選定することによって動作速度が変えられる。
しかも、変成器の代りにインダクタを用いているので、
変成器で生ずる寄生容量が無視でき、寄生容量による動
作速度の制約がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の主要部を示す回路図、第２
図は従来のジョセフソン高電圧信号出力回路の主要部を
示す回路図、第３図はジョセフソンゲートの構造を示す
斜視図、第４図はジョセフソンゲートのしきい値特性を
示す特性図である。 Ｋ_１〜Ｋ_ｎ…ジョセフソンゲート、Ｊ_１〜Ｊ_ｎ…ジョセ
フソンゲート、１，２…入力信号線、３…インダクタ、
４…直流電源、１１…入力信号線、３１…基部電極、３
２…対向電極、３３…超伝導トンネル障壁、３４…入力
信号線、４２，４３…サイドローブ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少くとも１個の信号入力手段を有し複数個
   直列接続されたジョセフソンゲートから成る第１のジョ
   セフソンゲート回路と、前記第１のジョセフソンゲート
   回路に直列接続されたインダクタと、前記第１のジョセ
   フソンゲート回路とインダクタから成る回路に並列接続
   され、少くとも１個の信号入力手段を有し複数個直列接
   続されたジョセフソンゲートから成る第２のジョセフソ
   ンゲート回路と、前記第２のジョセフソンゲート回路に
   並列接続されたゲート電流供給手段とから成り、前記イ
   ンダクタの両端から直接異種論理回路への出力信号を取
   り出すようにしたことを特徴とするジョセフソン高電圧
   信号出力回路。