JPS6051027A - ジヨセフソン分周回路 - 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】 発明の技術分野 本発明は超伝導ジョセフソンスイッチを用いたジョセフ
ソン回路に関するものであシ、超伝導集積回路を実現す
る際に必要な種々異なった周期のタイミングパルスを作
シ出すあるいは高速信号の周波数を分周するだめのジョ
セフソン分周回路に関するものである。

従来技術の説明 従来のこの種回路は、交流電源あるいは脈流電源を必要
とするいわゆるジョセフソン抵抗ラッチ形回路あるいは
これに類する回路を含んで構成されていたので、以下の
ような重大な欠点があった。

つまシ、ジョセフソン抵抗ラッチ形回路においては、該
回路を構成する要素となるジョセフソン素子が電圧状態
にスイッチすることで生じた電圧に応じ、上記ジョセフ
ソン素子の負荷抵抗回路に電流が出力される事を使用し
ている為、出力される電流値は一般に回路のバイアス電
流値よりも小さくなる。しかも該回路を多段に従属接続
し、種々異なった周期のタイミングパルスを得ようとし
た場合、前段から出力される電流を後段の回路のバイア
ス電流とする等の必要性がある。このため、得られる前
記種々異なった周期のタイミングパルス間において該電
流値を同一電流値とすることが極めて難しい。

さらに、従来のこの種回路においては、交流電源あるい
は脈流電源を必要とし、これら電源は入力信号に同期さ
せるかあるいは同一周期である必要がある為、信号の周
期あるいは信号のパルス幅等が予想できない信号を入力
信号として取シ扱う事はほとんど不可能である。

以上説明したように従来のこの種回路においては、得ら
れる出力パルス電流値を同一電流値とすることが極めて
難かしい、周期パルス幅等が予想できない信号を入力信
号として取シ扱う事ができない、および交流あるいは脈
流電源を必要とする等の重大な欠点があった。

発明の目的 本発明は、これらの欠点を除去するため、直流電源（二
おいても動作する回路のみで構成テキ、力＼つ入力信号
の負荷を超伝導ジョセフソンスイッチの制御電流として
与えられる構成とすることで、同一構成の回路を用い簡
単かつ確実に多段従属接続することが可能で、しかも種
々異なるタイミングの出力パルスを同一電流値で得る事
を可能にしたもので、以下図面について詳細に説明する
。

発明の構成および作用の説明 第１図は本発明の実施例であって、　Ｊｌ　、Ｊ２．Ｊ
５及びＪ４は各々第１．第２．第３及び第４の超伝導ジ
ョセフソンスイッチである。例えば第２　図（Ａ）に示
す閾値特性曲線Ｔを有しているとする。

つまり、第２図（Ａ）において、制御電流−バイアス電
流１ｃ　−１ｂ平面上で、曲線Ｔの内側（例えば点Ｑ＋
　、　Ｑ２・・・Ｑｉ）においては零電圧を維持し、Ｔ
の外側（例えば点Ｐ）においては有電圧状態にスイッチ
する。

第２図（Ａ）に示す様に制御電流に対して非対称な閾値
の超伝導ジョセフソンスイッチは、単一のジョセフソン
接合によっても、又第２図ＣＢ）に示す様に、ジョセフ
ソン接合Ｉ１１及び１１２をインダクタンスＬＢで接続
したいわゆる５ＱＵＩＩ）によっても簡単に実現される
。

上記に説明した非対称な閾値を持つ超伝導ジョセフノン
スイッチを用いて、本発明に使用する第１、第２．第３
及び第４の超伝導ジョセフノンスイッチを実現すること
ができる。つまシ、第２図（Ｂ）に示した５ＱＵＩＤを
例に取って説明すると、５ＱＵＩＤに磁気結合した２本
の超伝導線Ｍ３を制御線として使用して、第１のＭ′５
にＩＯＡ方向に電流を流した場合、第２図（，１）中の
Ｐ点あるいはＱｓ点力方向制御電流が印加されることを
考える。このとき、バイアス電流Ｉｂが°零の場合がＱ
ｓ点でありスイッチは零電圧状態を維持するが、Ｉｂが
印加されている場合にはＰ点であり有電圧状態にスイッ
チする。又、第２のＭ３にのみＪＯＢ方向に電流を流し
た場合、バイアス電流の有無を問わす零電圧状態を維持
する。又、第１及び第２０Ｍ６共に電流を流さない場合
も同様、バイアス電流の有無を問わす零電圧状態を維持
する。さらに、第１及び第２のＭ６共に各々１０Ａ　Ｉ
　ＪＯＢが流れている場合、ＩＯＡ及びＩＯＢは相互に
電流の流れる方向が逆であることによｉｌｌ、５ＱＵＩ
Ｄに対してはなんら磁界を加えない場合と同一の状態と
なる為、バイアスがある場合は９２点、無い場合は９４
点となシ、スイッチは零電圧状態を維持する。つまシ、
バイアス電流が与えられている状態で第２のＭ３に電流
ＩＯＡを与えたときのみ有電圧状態にスイッチする超伝
導ジョセフソンスイッチが実現されたことになる。

上記超伝導ジョセフソンスイッチは、請求の範囲に記述
した第１．第２．第６及び第４の超伝導ジョセフソンス
イッチを実現する一例について述べたものであって、上
記構成のスイッチにかかわらず請求の範囲に記述した第
１．第２．第６及び第４の超伝導ジョセフソンスイッチ
の特性、動作を呈するものであれば良いことは言うまで
もない。以下、当該超伝導ジョセフソンスイッチを第２
図（のの様に記述することとする。

第１図において、さらにＬｌ、Ｌ２は各々第１及び第２
のインダクタンス線であって、 第１の超伝導ジョセフソンスイッチＪ１のバイアス電流
線Ｂ！　と第４の超伝導ジョセフノンスイッチＪ４の第
１の制御線Ｃ４１とが直列に接続され第１の直列回路が
形成され、該第１の直列回路を含んで第１の電流路ｔ１
が形成され、 第３の超伝導ジョセフノンスイッチＪ３のバイアス電流
線Ｂ３　と第２の超伝導ジョセフソンスイッチＪ２の第
１の制御線Ｃ２Ｌと第１のインダクタンス線Ｌ１　とが
直列に接続されて第２の直列回路が形成され該第２の直
列回路を含んで第２の電流路Ｌ２が形成され、 上記ｔ１　、１２が並列に接続されて第１の並列回路Ｆ
Ｆ１が形成され、該第１の並列回路ＦＦ１が電源線路Ｉ
Ｐ１〜ｒ　Ｐ、　Ｉ　に介挿され、第２の超伝導ジョセ
フソンスイッチＪ２のバイアス電流線Ｂ２　と第６の超
伝導ジョセフソンスイッチＪ５の第２の制御線ｃ３２と
が直列に接続されて第３の直列回路が形成され、該第５
の直列回路を含んで第６の電流路ｔ６が形成され、上記
第４の超伝導ジョセフソンスイッチＪ４のバイアス電流
線Ｂ４と第１の超伝導ジョセフソンスイッチの第２の制
御線Ｃａｌと第２のインダクタンス線Ｌ２とが直列接続
されて第４の直列回路が形成され、該第４の直列回路を
含んで第４の電流路ｔ４が形成され、 上記第３及び第４の電流路ｔ６及びｔ４が並列に接続さ
れて第２の並列回路ＦＦ２が形成され、該第２の並列回
路が電源線路ＩＰ２＋　ＩＰ２’に介挿され、上記第１
及び第３の超伝導ジョセフソンスイッチの第１の制御線
（：’１１　、　Ｃ３＋及び上記第２及び第４の超伝導
ジョセフソンスイッチの第２の制御線Ｃ２ｇ　、　Ｃ４
２を直列に接続することで入力パルス電流路ｔ５を形成
することで該’１１　＋　Ｃ’３１　＊　Ｃ１２ＨＣ４
ｆｋに入力パルス電流が供給される様に構成されている
。

第１図に示した本発明の実施例である回路の動作は以下
である。まず、ＩＰ１〜ＩＰ１’及びＩｐｚ〜ＩＰ２’
に規定値の電源電流を与える。これにより第１の並列回
路ＦＦ１では、第２の電流路ｔ２に含まれるインダクタ
ンス線Ｌ１によシ該電流路ｔ２にはほとんど電流が流れ
ず、規定値の電源電流のほとんどがｔｌを流れるように
なる。これによ、Ｉ７１ｈ　及びＣ４１に２個表示でｒ
ＯＪ、ｒＩＪを取る電流が「１」の状態で与えられるこ
とになｊ）、Ｊ３ｓ及び（’２１には「ｏ」の状態で与
えられる。

同様に第２の並列回路ｐｐ２では、Ｂ２及びＣ３２に「
１」状態の電流が与えられ、Ｂ４及び０１２には「０」
状態の電流が与えられる。これらの状態を第６図の時刻
ｔｏで示した。以後、第６図を用いて詳細に説明する。

第３図は第１図に示した回路の動作中の時間−電流値波
形を示したもので、時刻１１　で入力パルス電流１１Ｎ
が「１」となシ、時刻ｈ　ｆ　ｒＯＪ、　ｔ３テｒＩＪ
、　Ｂ４で「０」となっている。このとき時刻ｔ１にお
いて、１１Ｎが「１」となるとＪｌではＢｓ　＝　ｒ　
Ｉ　Ｊ　＋’１１−ｒ　１ｊ＋　（’１２＝　ｒＯＪ　
でちるため、Ｊｌは有電圧状態にスイッチするが他／２
．／３及びＩ４は零電圧状態を維持する。Ｊｌが有電圧
状態にスイッチすることで６２を流れていた電流１１は
「１」状態から「０」状態に転換し、Ｂｔ雷電流ｒＯＪ
状態となることで１１は再び零電圧状態に復帰する。前
記のＪｌが有電圧状態にスイッチしたとき、Ｊｌ　を流
れていた電流はＩ３側に流れて１１がＬｌを流れる。一
般にこの際ハ・Ｌｌの磁束がループの中にとシ込まれて
いるから、Ｊｌが零電圧状態にもどっても再びもとのよ
うに電流が１１に流れることはない。

時刻１．−１．においてＣ２１が「０」状態から「１」
状態Ｃ４１が「１」状態から「０」状態に変化するが、
これにより　１２．７３．　Ｉ４は有電圧状態にスイッ
チすることはない。

時刻ｔ２において１１Ｍが「０」となると、Ｉ２ではＩ
ｈ−ｒＩＪ＋　Ｃ２１＝　ｒＩＪ＋　Ｃｚ＊＝　ｒＯＪ
　となるため、Ｉ２は有電圧状態にスイッチする。しか
し、他Ｊ１．Ｊ５゜Ｉ４は零電圧状態を維持する。Ｉ２
が有電圧状態にスイッチすることで、Ｂ５を流れる電流
Ｉ２は「１」状態から「０」状態に転換し、Ｂ２電流が
「０」状態になることで１２は再び零電圧状態に復帰す
る。

時刻ｔ２〜ｔ３においてＣ１２が「０」状態から「１」
状態に、Ｃ３２が「１」状態から「０」状態に転換する
が、これによりＪｌ、Ｉ５．Ｉ４は有電圧状態にスイッ
チすることはない。

時刻ｔ３　において再び１１１１が「１」状態になると
、Ｉ３ではＢ３＝ｒ１」、　（：’１ｔ−ｒＩＪ＋　’
ａ２＋「０」　であるため、Ｉ６は有電圧状態にスイッ
チする。しかし、他Ｊ１．　Ｉ２．１４は零電圧状態を
維持する。Ｉ６がスイッチすることでｔｌ　を流れる電
流１１は「１」から「０」状態へ転換し、Ｂ２を流れる
電流１１は「０」から「１」へ転換する。Ｂ６の電流が
「０」状態になることで１６は再び零電圧状態に復帰す
る。

時刻１３−１．において、ＣＡＬが「１」状態から「０
」状態へ、Ｃ４１が「０」状態から「１」状態に転換す
るが、これによｐ　Ｊｌ、　Ｉ２．　Ｉ４は有電圧状態
にスイッチすることはない。

時刻ｔ４において再び１１Ｎが「１」状態から「０」状
態になると、Ｉ４ではＢ４＝ＮＪ＋　Ｃ４ｔ＝ｒＩＪｒ
　Ｃａｚ＝「ａ」であるためＩ４は有電圧状態にスイッ
チする。しかし他／１．　Ｉ２．　Ｉ５は零電圧状態を
維持する。

Ｉ４がスイッチすることでＢ４を流れるＩ２は「１」か
ら「０」状態へ転換し、Ｉ６を流れる電流Ｉ２は「０」
から「１」状態へ転換する。Ｂ４の電流が「０」状態に
なることで１４は再び零電圧状態に復帰する。

時刻ｔ４以後は（例えば時刻ｔｓ）時刻ｉｏ　と同一の
状態となる。このため時刻ｔ８以後再度１１Ｎが「１」
状態となる。と時刻１．　と同一状態となる。

このようにして時刻ｔｏ−ｔｓの状態をくり返す動作を
行なう。

上記動作において、ｔｌには入力パルス信号１１Ｎの立
上りに同期して立上υ、再び立下る電流パルス１１を得
る、さらにＢ４には入力パルス信号１１Ｎの立下シに同
期して立上り再び立下る電流パルスＩ２を得る。

ｔｌ及びＢ２に得られる電流パルスハ、入力パルス信号
ＩＩＮのパルス数２個に対して各々１個である為、ｔｌ
又はＢ２に含まれるＬｌ又はＢ２を他回路への出力とす
ることによシ、入カパルス信る。

ところで本発明の構成によれば、出力パルス信号の電流
値は、はぼ電源電流値が得られ、各１１〜Ｊ４の超伝導
ジョセフソンスイッチの制御電流値とこの出力パルス信
号の電流値を同一電流値に設計することは極めて容易で
ある。

さらに電源として交流又は脈流の電源を必要としないこ
とは前記説明より明らかである。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、入力パルス信号と
出力パルス信号の電流値を等しくする事が可能でおるか
ら、第１図点線中の回路部分を単位ブロックｒ　ＬＯＧ
ＩＣＪとして、第４図の様に構成することは十分可能で
おる。

第４図は、ＬＯＧＩＣｎのインダクタンス線Ｌ２ｎの代
わりにＬＯＧＩＣ％＋１の入力パルス信号線ｔ５　を用
いる構成で同一構成の単位ブロックＬＯＧＩＣヲＮ個従
属接続したものであり、ＬＯＧＩＣＮの出力パルスさら
に、前記Ｌ２ｎの代わシにＬｌｔ＜を用いる回路構成も
可能であり　、Ｌ２ｓ、Ｌｌｎを同時使用する等によシ
単位ブロックｒＬＯＧＩｃＪの接続方法は無限に考えら
れる。このため、適歯な従属接続を行なうことで種々異
なる周期異なるタイミングのパルス信号を発生すること
が可能という大きな利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のジョセフソン分周回路の一実施例の回
路図、第２図（Ａ）−４０）は本発明に適用可能な超伝
導ジョセフソンスイッチの一例のそれぞれ閾値特性図、
スイッチ構造を示す説明図、及びシンボル図、第６図は
本発明のジョセフソン分周回路の一実施例である第１図
における動作説明図、第主な符号 ｃａｔ　ｌ　Ｃｓｔ　ｌ　’４１・・・超伝導ジョセフ
ソンスイッチの第１の制御線、ＣＩ２　ｒ　Ｃ２２＋　
Ｃｓ２　＋　Ｃ４，”’超伝導ジョセフソンスイッチの
第２の制御線、Ｌｌ、Ｉ２・・・インダ路 クタンス線、ＩＰＩ　ＪＦ１’　ｒ　ＦＦ２　１Ｐ２’
・・・電源ｉてα−ｂ・・・入力パルス信号電流入力端
子、ｔ１〜ｔ４・・・電流路、Ｉ５・・・入力パルス信
号電流路、ＦＦ１．ＦＦ２・・・並列回路。 特許出願人　日　本電信　電話　公社 代理人弁理士玉蟲久五部（外１名） 第　３　口 時間 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 超伝導ジョセ７ノン接合素子と、該超伝導ジョセフソン
   接合素子を介挿しているバイアス電流線と、少なくとも
   ２つの第１及び第２の制御線とを有し、上記バイアス電
   流線に２値表示で「１」及び「０」をとる電流が「１」
   で供給されている状態で、上記第１の制御線のみに２値
   表示で「１」及び「０」をとる電流が「１］で供給され
   た場合、上記超伝導ジョセフソン接合素子が零電圧状態
   より有電圧状態に転換し、上記第２の制御線に２値表示
   で「１」。 「０」をとる電流が「１」で供給された状態では、上記
   バイアス電流線及び上記第１の制御線に２値表示で「１
   」及び「０」をとる電流が「１」の状態か「０」の状態
   かの如何によらず零電圧状態を維持している第１．第２
   ．第６及び第４の超伝導ジョセフソンスイッチと第１及
   び第２のインダクタンス線とを具備し、 第１の超伝導ジョセ７ノンスイッチのバイアス電流線と
   第４の超伝導ジョセフノンスイッチの第１の制御線とが
   直列に接続されて第１の直列回路が形成され、該第１の
   直列回路を含んで第１の電流路が形成され、。 第３の超伝導ジョセフソンスイッチのバイアス電流線と
   第２の超伝導ジョセ７ノンスイッチの第１の制御線と第
   １のインダクタンス線とが直列に接続されて第２の直列
   回路が形成され、該第２の直列回路を含んで第２の電流
   路が形成され、上記第１及び第２の電流路が並列に接続
   されて第１の並列回路が形成され、該第１の並列回路が
   電源線路に介挿され、 上記第２の超伝導ジョセフソンス・ｆツチのバイアス電
   流線と、第６の超伝導ジョセフソンスイッチの第２の制
   御線とが直列に接続されて概３の直列回路が形成され、
   該第６の直列回路を含んで第６の電流路が形成され、 上記第４の超伝導ジョセフソンスイッチのバイアス電流
   線と、第１の超伝導ジョセフソンスイツチの第２の制御
   線と第２のインダクタンス線とが直列に接続されて第４
   の直列回路が形成され、該第４の直列回路を含んで第４
   の電流路が形成され、上記第３及び第４の電流路が並列
   に接続されて第２の並列回路が形成され、該第２の並列
   回路が電源線路に介挿され、 上記第１及び第６の超伝導ジョセフソンスイッチの第１
   の制御線及び上記第２及び第４の超伝導ジョセフソンス
   イッチの第２の制御線に２値表示で「１」及び「０」を
   とる入力パルス電流が共通に供給される様になされ、 上記入力パルス電流が「１」及び「０」をくシ返して供
   給された場合、入力パルス電流の２周期に１周期の割合
   で、上記第２及び第４の電流路にパルス電流が、第２の
   電流路には入力パルス電流の立ち上シに同期してｒＯＪ
   、ｒＩＪを転換し、第４の電流路には入力パルス電流の
   立下シに同期して「０」。 「１」を転換する出力パルス電流が得られることを特徴
   とするジョセフソン分周回路。