JP2901451B2 - ジョセフソン素子搭載用回路基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回路基板、特に、ジョ
セフソン素子搭載用回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】ジョセフソン素子の高速動作を実現する
ための電源供給方式として、多層脈流電源方式が知られ
ている。この電源方式は、各ジョセフソン素子に対して
異なる位相で電源電流を供給する方式である。このよう
な多層脈流電源方式を実現するためのジョセフソン素子
駆動装置は、回路基板と、回路基板上に搭載されたジョ
セフソン素子とから主に構成されている。ここで、回路
基板は、ジョセフソン素子に対して位相が異なる２種の
交流電流を供給するための交流電力供給回路と、２種の
交流電力の出力パルス間のタイミングを調整するために
ジョセフソン素子に直流バイアス電流を供給するための
直流電力供給回路とを内蔵している。また、回路基板に
搭載された個々のジョセフソン素子は、交流電力供給回
路に接続された１次コイルと、直流電力供給回路に接続
された２次コイルとを内蔵している。さらに、ジョセフ
ソン素子内には、２次コイルと直流電力供給回路との接
続部において、交流電流と直流バイアス電流との相互干
渉を抑制するためのローパスフィルタが形成されてい
る。ローパスフィルタは、一般にＬＣフィルタである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のジョセフソ
ン素子駆動装置では、安定した多層脈流電源方式を実現
するために個々のジョセフソン素子がローパスフィルタ
を内蔵しているため、各素子の小型化に限界があり、素
子を回路基板上に高密度実装するのが困難である。殊
に、ジョセフソン素子に内蔵されたローパスフィルタの
静電容量を大きくしてフィルタとしての充分な機能を確
保しようとすると、フィルタが素子内で占めるエリアが
大きくなり、素子の高密度実装がより困難になる。

【０００４】本発明の目的は、ジョセフソン素子に多層
脈流電源方式で電力を供給し、しかもジョセフソン素子
の高密度実装が可能なジョセフソン素子搭載用回路基板
を実現することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のジョセフソン素
子搭載用回路基板は、位相が異なる２種の交流電流をジ
ョセフソン素子に供給するための交流電力供給回路と、
２種の交流電流の出力パルス間のタイミングを調整する
ためにジョセフソン素子に直流バイアス電流を供給する
ための直流電力供給回路と、直流電力供給回路と一体に
形成されかつ交流電流と直流バイアス電流との相互干渉
を抑制するためのローパスフィルタと、各回路及びロー
パスフィルタを内蔵しかつジョセフソン素子を搭載する
ための絶縁基板とを備えている。

【０００６】

【作用】本発明のジョセフソン素子搭載用回路基板は、
絶縁基板に搭載されたジョセフソン素子に対し、交流電
力供給回路及び直流電力供給回路からそれぞれ位相の異
なる２種の交流電流及び直流電流バイアス電流を供給す
る。絶縁基板内には、交流電流と直流バイアス電流との
相互干渉を抑制するためのローパスフィルタが直流電力
供給回路と一体に形成されて内蔵されているため、ジョ
セフソン素子側にローパスフィルタを内蔵する必要がな
い。この結果、本発明の回路基板には、ローパスフィル
タを内蔵しない小型のジョセフソン素子を多数個高密度
実装できる。

【０００７】

【実施例】図１及び図２に、本発明の一実施例が採用さ
れたジョセフソン素子駆動装置１を示す。なお、図１
は、ジョセフソン素子駆動装置１の縦断面図であり、図
２は平面図である。図において、ジョセフソン素子駆動
装置１は、本発明の一実施例としての回路基板２と、回
路基板２上に搭載された４個のジョセフソン素子３とか
ら主に構成されている。なお、各ジョセフソン素子３
は、数百の論理ゲートからなる電源負荷を４個内蔵して
いる。

【０００８】回路基板２は、たとえばムライトセラミッ
クスからなる絶縁基板４と、絶縁基板４上に形成された
ポリイミド樹脂からなる絶縁層５とを含んでいる。絶縁
基板４は、７枚のセラミックグリーンシートを積層して
一体焼成することにより得られた一体化したシート６
ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇからなり、直
流電力供給回路８及び交流電力供給回路９を含む内部回
路７を内蔵している。

【０００９】直流電力供給回路８は、シート６ｂ，６ｃ
の２層上に形成された回路パターンからなる。図３及び
図４を参照して、シート６ｂ及びシート６ｃ上に形成さ
れた直流電力供給回路８の形成パターンを示す。図３に
おいて、シート６ｂ上には、その概ね中央部に配置され
た４組の直流供給パターン１０と、図の左端に配列され
た４組の直流導入パターン１１と、配列された直流導入
パターン１１群の両側に設けられた１組の交流導入パタ
ーン１２と、上述の各パターン１０，１１，１２を除い
てほぼ全面に形成された接地パターン１３とを備えてい
る。

【００１０】各直流供給パターン１０は、１対のランド
パターン１４，１４を有している。各ランドパターン１
４は、他方のランドパターン１４と対向する部位の両端
部に、シート６ａを貫通する、すなわち図の手前側に向
けて延びるスルーホール１５を有している。このスルー
ホール１５は、絶縁層５内に形成された後述する内部回
路６０を介してジョセフソン素子３に直流バイアス電流
を供給するためのものである。また、各ランドパターン
１４の中央部には、シート６ｂを貫通する多数のスルー
ホール１６が形成されている。

【００１１】１対のランドパターン１４，１４間の両端
部には、交流供給パターン１７がランドパターン１４と
絶縁されながら形成されている。各交流供給パターン１
７には、１対のスルーホール１８，１８が図の手前側に
向けて、すなわち、シート６ａを貫通するように形成さ
れている。このスルーホール１８，１８は、絶縁層５内
に形成された内部回路６０を介してジョセフソン素子３
に交流電力を供給するためのものである。

【００１２】各直流導入パターン１１及び交流導入パタ
ーン１２は、多数のスルーホール１９を有している。こ
のスルーホール１９は、シート６ａ内及びシート６ｂ内
の両方向に延びている。接地パターン１３は、シート６
ａの幅方向両端部において長手方向に配列された多数の
ブランク２０を有している。このブランク２０は、絶縁
層５内に形成された後述する内部回路６０と接地パター
ン１３との間に形成される不要なキャパシタンスをキャ
ンセルするためのものである。また、接地パターン１３
には、各直流供給パターン１０の近傍にスリット２１が
形成されている。このスリット２１は、各直流供給パタ
ーン１０から対応するジョセフソン素子３に供給される
直流バイアス電流を一定にするために、各ジョセフソン
素子３までの電気抵抗を均等にするためのものである。

【００１３】一方、シート６ｃ上には、図の左端近傍か
ら中央部に向けて延びる２組の直流導入パターン２５，
２５と、シート６ｂの交流導入パターン１２，１２に対
応して形成された１対の交流導入パターン２６，２６
と、上述のパターン２５，２６と絶縁されながらシート
６ｂ上のほぼ全体に形成された接地パターン２７とを備
えている。

【００１４】各直流導入パターン２５は、１対のパター
ン線路２８ａ，２８ｂを有している。各パターン線路２
８ａ，２８ｂの図左側端部２９は、シート６ｂの直流導
入パターン１１とシート６ｂを挟んで対向しており、ス
ルーホール１９を通じて互いに接続している。一方、両
パターン線路２８ａ，２８ｂの他端は、二股に分岐して
おり、その先端がそれぞれランド部３０を形成してい
る。各ランド部３０は、シート６ｂに設けられたランド
パターン１４とシート６ａを挟んで対向しており、スル
ーホール１６を介して対応するランドパターン１４に接
続している。

【００１５】各ランド部３０の近傍には、シート６ｂの
交流供給パターン１７と対応するように交流供給パター
ン３１が形成されている。各交流供給パターン３１は、
１対のスルーホール３２，３２を有している。このスル
ーホール３２，３２は、シート６ｃ内及びシート６ｂ内
の両方向に延びており、対応するシート６ｂの交流供給
パターン１７に接続している。

【００１６】１対の交流導入パターン２６は、多数のス
ルーホール３３を有している。スルーホール３３は、シ
ート６ｂ内及びシート６ｃの両方向に延びており、シー
ト６ｂに形成された対応する交流導入パターン１２，１
２に接続している。接地パターン２７には、シート６ｂ
の接地パターン１３に設けられたブランク２０に対応す
るブランク３４が多数個設けられている。

【００１７】なお、シート６ｂ，シート６ｃ上に形成さ
れた各パターンは、たとえばタングテンやモリブデン等
の高融点金属を用いて形成された厚膜である。次に、交
流電力供給回路９について説明する。まず、図９を参照
して、交流電力供給回路９の概略構成を説明する。な
お、図は２つのジョセフソン素子３に対して電力を供給
するための回路を示しており、４つのジョセフソン素子
３が搭載可能な本実施例では、この回路が２組形成され
ていることになる。図において、交流電力供給回路９
は、入力側がジョセフソン素子駆動装置１とは別に設け
られた外部交流電源４１に接続されており、出力側が後
述する経路で各ジョセフソン素子３の複数の電源入力端
子に接続されている。

【００１８】外部交流電源４１は、位相が１８０°（半
波長）異なる２つの交流電源４１ａ，４１ｂとから構成
されている。外部交流電源４１は、たとえば、同軸ケー
ブルを介して１ＧＨｚの交流電力を供給し、その内部イ
ンピーダンス（内部抵抗４２）は、たとえば５０Ωであ
る。一方、ジョセフソン素子３内の各電源負荷３ａの内
部インピーダンス４３は、たとえば３．１Ωである。こ
の両者間のインピーダンス整合をとるために交流電力供
給回路９が設けられている。

【００１９】交流電力供給回路９は、電源電流の波長の
１／４の長さの共振線路からなるλ／４インピーダンス
変換回路４４，４５，４６が、外部交流電源４１からジ
ョセフソン素子３に向かってツリー状に接続されて構成
されている。外部交流電源４１に接続された１段目λ／
４インピーダンス変換回路４４には、２本の２段目イン
ピーダンス変換回路４５が並列に接続されている。さら
に、各２段目インピーダンス変換回路４５には、それぞ
れ２本の３段目λ／４インピーダンス変換回路４６が並
列に接続されており、各３段目インピーダンス変換回路
４６には電源負荷３ａが接続されている。この結果、１
段目λ／４インピーダンス変換回路４４のインピーダン
スは２５Ωに、２段目λ／４インピーダンス変換回路４
５のインピーダンスは１２．５Ωに、３段目λ／４イン
ピーダンス変換回路４６のインピーダンスは６．２５Ω
に設定される。各λ／４インピーダンス変換回路４４，
４５，４６は、それぞれ１対の第１，第２変換回路パタ
ーン４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂ，４９ａ，４９ｂ
により構成される。

【００２０】図５から図８を参照して、上述の交流電力
供給回路９を構成するための、各シート６ｄ，６ｅ，６
ｆ，６ｇ上に形成された回路パターンを説明する。な
お、図５から図７では、回路パターンの一部、すなわ
ち、図９に示された交流電力供給回路部分のみ示し、詳
細は省略している。したがって、実際のパターンは、図
５から図７に示されたパターンが対になっている。

【００２１】図５において、シート６ｄには、第１接地
回路パターン５０がほぼ全面に形成されている。図６に
示すように、シート６ｅには、交流電力供給回路９を構
成するための第１変換回路パターン５１ａ，５２ａ，５
３ａが形成されている。ここでは、入力側端部５４に、
１段目λ／４インピーダンス変換回路４４を構成する変
換回路パターン５１ａの一端が接続されている。なお、
入力側端部５４は、シート６ｃに設けられた、対応する
交流導入パターン２６のスルーホール３３に接続してい
る。

【００２２】第１変換回路パターン５１ａの他端から分
岐した２段目λ／４インピーダンス変換回路４５を構成
する変換回路パターン５２ａ，５２ａは、中途において
Ｓ字状に延びている。各変換回路パターン５２ａ，５２
ａの先端からは、それぞれ逆方向に各３段目λ／４イン
ピーダンス変換回路４６を構成する変換回路パターン５
３ａ，５３ａが延びている。各変換回路パターン５３
ａ，５３ａは、パターン面積を小さくするために、Ｃ字
状に曲げられており、さらに先端部がほぼ２７０°曲げ
られている。その先端には、出力側端部５５ｃがそれぞ
れ１対設けられている。この出力側端部５５ｃは、シー
ト６ｃに設けられた、対応する交流供給パターン３１の
スルーホール３２に接続している。

【００２３】セラミック層６ｆには、図７に示すよう
に、図６に示す第１変換回路パターン５１ａ，５２ａ，
５３ａと同様な第２変換回路パターン５１ｂ，５２ｂ，
５３ｂが、第１変換回路パターン５１ａ，５２ａ，５３
ａと上下に重なる位置に形成されている。変換回路パタ
ーン５１ｂが接続された入力側端部５４ａは、シート６
ｃに設けられた、対応する交流導入パターン２６のスル
ーホール３３に接続している。

【００２４】さらに、図８に示すように、シート６ｇに
は、第２接地回路パターン５６がほぼ全面に形成されて
いる。なお、シート６ｄ，６ｅ，６ｆに、多数のスルー
ホール５７，５８，５９が形成されており、このスルー
ホール５７，５８，５９により第１接地回路パターン５
０と第２接地回路パターン５６とが接続されている。ま
た、スルーホール５８，５９は、回路パターン５１ａ，
５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂに沿って、そ
れらの両側に配置されている。

【００２５】なお、各シート６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇに
形成された各パターンは、たとえばタングステンやモリ
ブデン等の高融点金属を用いて形成された厚膜である。
次に、絶縁層５について説明する。図１に示すように、
絶縁層５の内部には、ニオブの薄膜からなる内部回路６
０が形成されている。この内部回路６０は、主にジョセ
フソン素子３と信号の授受を行うための信号用配線を形
成しているが、その一部が直流電流供給回路８及び交流
電力供給回路９に対して電力を供給するための電力回路
６１となっている。

【００２６】また、絶縁層５の表面には、信号入出力用
パッド６２ａを含む表面回路６２と、電力回路６１のパ
ッド部６３，６４（図２）が設けられている。パッド部
６３は、直流電力供給回路８に図示しない直流電源から
直流バイアス電流を供給するための同軸ケーブル６５
（図１）を接続するためのものであり、電力回路６１及
びスルーホール１９を介してシート６ｂの直流導入パタ
ーン１１に接続されている。一方、パッド部６４は、パ
ッド部６３の両端にそれぞれ配置されており、交流電力
供給回路９に交流電力を供給するための同軸ケーブルを
接続するためのものである。このパッド部６４，６４
は、電力回路６１及びスルーホール１９を介してシート
６ｂの交流導入パターン１２に接続されている。

【００２７】なお、上述の表面回路６２及びパッド部６
３，６４は、いずれもニオブ製である。４つのジョセフ
ソン素子３のそれぞれは、上述のように内部に４つの電
源負荷３ａを含んでおり（図９参照）、それぞれシート
６ｂの直流供給パターン１０と概ね対応するように回路
基板１上に搭載されている。このようなジョセフソン素
子３に含まれる各電源負荷３ａの直流電源端子は、絶縁
層５の内部回路６０を介してシート６ｂに形成された対
応する直流供給パターン１０のスルーホール１５に接続
されている。また、ジョセフソン素子の交流電源端子
は、内部回路６０を介してシート６ｂに設けられた対応
する交流供給パターン１７のスルーホール１８に接続さ
れている。

【００２８】上述のジョセフソン素子駆動装置１の等価
回路を、図９に示す。図において、上述のように、各ジ
ョセフソン素子３には、外部交流電源４１からの交流電
流が交流電力供給回路９を介して各電源負荷３ａのトラ
ンス７０を構成する１次コイル（図示せず）に供給され
る。一方、トランス７０の２次コイル（図示せず）に
は、外部直流電源７１から直流バイアス電流が印加され
る。なお、外部直流電源７１は、２つの交流電源４１
ａ，４１ｂと対応するよう２つの直流電源７１ａ，７１
ｂを有している。各直流電源７１ａ及び７１ｂは、それ
ぞれシート６ｃに設けられたパターン線路２８ａ及び２
８ｂを介して１つ置きの電源負荷３ａに対して交互にバ
イアス電流を印加できるようになっている。

【００２９】このような外部直流電源７１から各電源負
荷３ａに対して直流バイアス電流を供給する直流電力供
給回路８において、その途中にはローパスフィルタとし
てのＬＣフィルタ７２が形成されている。このＬＣフィ
ルタ７２は、シート６ｃに形成されたパターン線路２８
ａ，２８ｂがそれぞれ有するインダクタンスと、各パタ
ーン線路２８ａ，２８ｂとシート６ｂに設けられた接地
パターン１３とが対面することにより発生するキャパシ
タンスとにより構成されている。したがって、このＬＣ
フィルタ７２は、回路基板２の直流電力供給回路８と一
体に形成されていることになる。

【００３０】次に、作用・効果について説明する。各交
流電源４１ａ，４１ｂから供給される電力は、位相が１
８０°異なる高電圧低電流である。この電流は、それぞ
れ交流電力供給回路９を構成する１段目λ／４インピー
ダンス変換回路４４の第１，第２変換回路パターン４７
ａ，４７ｂ、２段目λ／４インピーダンス変換回路４５
の第１，第２変換回路パターン４８ａ，４８ｂ、及び３
段目λ／４インピーダンス変換回路４６の第１，第２変
換回路パターン４９ａ，４９ｂにより増幅され、各電源
負荷３ａに供給される。そして、電源負荷３ａの接地端
子から接地回路パターン５０，６０を介して接地され
る。

【００３１】ここでは、外部交流電源４のインピーダン
ス（５０Ω）は、１段目λ／４インピーダンス変換回路
４４で２５Ωに、２段目λ／４インピーダンス変換回路
４５で１２．５Ωに、３段目λ／４インピーダンス変換
回路４６で６．２５Ωとなり、さらにこれが電源負荷３
ａのインピーダンス３．１Ωとの間でインピーダンス変
換され、電源負荷３ａのインピーダンスと供給電力のイ
ンピーダンスとが最終的に整合する。

【００３２】また、それぞれのインピーダンス変換回路
４４，４５，４６の第１変換回路パターン４７ａ，４８
ａ，４９ａ及び第２変換回路パターン４７ｂ，４８ｂ，
４９ｂに平行給電を行っている（すなわち、位相が１８
０°異なる電力を供給している）ので、グランドノイズ
を減少させ得る。なお、絶縁層５に形成された内部回路
６０は、交流電力供給回路９を形成した内部回路７から
分離して配置されているため、交流電力供給回路９によ
る信号性に対するクロストークが防止される。

【００３３】このようにして各電源負荷３ａに供給され
る各交流電源４１ａ，４１ｂからの交流電流に基づく出
力パルスの時間幅や互いの重なり具合、すなわちタイミ
ングは、直流電源７１ａ，７１ｂからの直流バイアス電
流により調整される。したがって、各電源負荷３ａは、
安定に制御される。なお、上述のジョセフソン素子駆動
装置１では、各電源負荷３ａ内にローパスフィルタを設
ける必要がなく、その分各電源負荷３ａを小型化するこ
とができるので、回路基板２上にジョセフソン素子３を
多数個高密度実装できる。

【００３４】次に、上述の回路基板２の製造方法につい
て説明する。絶縁基板４は、シート６ａ…６ｇを構成す
ることになる５枚のセラミックグリーンシートから形成
される。各セラミックグリーンシートは、ムライト，シ
リカ，カルシア，マグネシア等の原料粉末に適当なバイ
ンダー及び溶剤を添加混合して泥漿状にし、これを周知
のドクターブレード法によりシート状に形成すると得ら
れる。これらのセラミックグリーンシートには、スルー
ホール等を設けるために適当な打ち抜き加工が施された
後に、タングステンやモリブデン等の高融点金属粉末か
らなる金属ペーストが各シート６ｂ…６ｇ上に設けられ
たパターン形状にスクリーン印刷される。次に、複数枚
のセラミックグリーンシートを所定の順に積層してセラ
ミックグリーンシート積層体を形成し、還元雰囲気中で
約１６００℃の温度で焼成すると、内部回路７を含む絶
縁基板４が形成される。

【００３５】絶縁層５は、絶縁基板４上に感光性ポリイ
ミドペーストをスピンコート法で塗布する工程を含むフ
ォトリソグラフィー法により形成される。そして、内部
回路６０が絶縁層５内に多層になるように、スパッタリ
ング、真空蒸着等の物理的蒸着法により形成され、フォ
トリソグラフィー法により所定パターンに形成される。

【００３６】

【発明の効果】本発明に係るジョセフソン素子搭載用回
路基板では、交流電流と直流バイアス電流との相互干渉
を抑制するためのローパスフィルタを絶縁基板内に直流
電力供給回路と一体に形成したので、ジョセフソン素子
に対して多層脈流電源方式で安定に電力を供給でき、し
かもジョセフソン素子の高密度実装が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例が採用されたジョセフソン素
子駆動装置の縦断面図。

【図２】前記駆動装置の平面図。

【図３】前記実施例を構成する回路パターンの平面図。

【図４】前記実施例を構成する回路パターンの平面図。

【図５】前記実施例を構成する回路パターンの平面図。

【図６】前記実施例を構成する回路パターンの平面図。

【図７】前記実施例を構成する回路パターンの平面図。

【図８】前記実施例を構成する回路パターンの平面図。

【図９】前記駆動装置の等価回路図。

【符号の説明】

３ ジョセフソン素子 ４ 絶縁基板 ８ 直流電力供給回路 ９ 交流電力供給回路 ７２ ＬＣフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 39/00 H01L 39/02 H01L 39/22 H01L 39/24

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】位相が異なる２種の交流電流をジョセフソ
   ン素子に供給するための交流電力供給回路と、 前記２種の交流電力の出力パルス間のタイミングを調整
   するために前記ジョセフソン素子に直流バイアス電流を
   供給するための直流電力供給回路と、 前記直流電力供給回路と一体に形成された、前記交流電
   流と前記直流バイアス電流との相互干渉を抑制するため
   のローパスフィルタと、 前記各回路及び前記ローパスフィルタを内蔵しかつ前記
   ジョセフソン素子を搭載するための絶縁基板と、 を備えたジョセフソン素子搭載用回路基板。