JP3502910B2 - 超伝導時間領域反射信号測定回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、伝送線路、電子素
子等の被測定回路の電気特性を評価するための装置に関
し、特に極低温環境下で動作する超伝導（ジョセフソ
ン）サンプリング測定回路、いわゆる“ジョセフソンサ
ンプラ”を用い、被測定回路に入力した被測定波形がイ
ンピータンス不整合のために反射されて戻ってくる時、
この戻りの被測定波形を観測することで被測定回路を評
価する超伝導時間領域反射信号測定回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】極低温環境下で動作するジョセフソン接
合を用いた超伝導回路の出力信号波形を測定するため、
主要な計測部分もまた極低温環境下で動作するジョセフ
ソンサンプラが既に公知となっており、例えば、下記文
献に開示されている。 文献１：「電子技術総合研究所彙報，第48巻，第４号，
P.340-352」，通産省工業技術院，電子技術総合研究所発
行 文献２：特公昭62-45640号

【０００３】そうした原理的システム構成につき図３に
即して説明すると、極低温環境50の下で動作する被測定
回路11がジョセフソン回路系に固有のラッチ動作をする
ために所定周期でのリセット動作を必要とするか、そう
でなくてもクロック同期動作を必要とする場合には、外
部に設けられたクロックパルス発振回路21からの例えば
10KHz程度のクロックパルスCPが被測定回路11に電源電
流として供給され、当該クロックパルスCPはまた、被測
定回路11の動作と同期の関係で測定系を動作させるた
め、測定系中のパルス発生回路22、トリガーパルス発生
回路24、スイッチ回路34等にも印可される。

【０００４】しかるに、クロック同期の関係で所定周期
でトリガーパルス発生回路24が繰り返し発生するトリガ
ーパルスItu は被測定回路11に与えられ、これに基づき
当該被測定回路11がそのたびごとに発生する被測定波形
Iuはサンプラの入力端子Tiから負荷抵抗Ruを介し、望ま
しくはジョセフソン単接合で構成されるジョセフソンサ
ンプリングゲートJsに印加される。当該サンプリングゲ
ートJsは、当初は磁束量子干渉デバイス(SQUID）で構成
されることがあったが、高速動作性に難点があり、時間
分解能を高く取り難いため、本発明に関与する限りにお
いて限定的ではないものの、最近では専らジョセフソン
単接合に代わられている。

【０００５】上記の一方で、トリガーパルス発生回路24
の発生するトリガーパルスItu は可変遅延線回路25を介
し、遅延線制御装置23によりその時々で定められた遅延
時間を与えられた遅延駆動パルスItp となってパルス発
生回路22に入力し、当該パルス発生回路22を駆動して、
そこからパルス幅が極く短いインパルス状のパルスIp
（以下、極短パルスIpと呼ぶ）を発生させ、これを負荷
抵抗Rpを介し、サンプリングゲートJsに印加する。

【０００６】従って、当該サンプリングゲートJsには被
測定波形Iuと極短パルスIpとの相乗電流が供給される
が、例え被測定波形Iuのピーク値に極短パルスIpが重な
ってもそれら両者の和（Ip＋Iu）のみではサンプリング
ゲートJsの臨界電流値Iso を越えることがないように、
それらの電流値を設定する。

【０００７】換言すると、図３の左下にも模式的に併
記、図示しているように、これらの電流値の和（Ip＋I
u）に、さらにバイアス電流Isを加えた電流（Ip＋Iu＋I
s）をサンプリングゲートJsに印加した時に、何回かに
亙るサンプリングで所定の確率、例えば50％の確率で当
該サンプリングゲートが電圧状態に遷移するように（す
なわち（Ip＋Iu＋Is）＝Iso となるように)、当該バイア
ス電流Isの値を調整、決定すれば、そのバイアス電流Is
の値により、極短パルスIpが印加されている瞬時の被測
定波形Iuの値を求めることができる。そこで、この操作
を、遅延線制御装置23の指令により、可変遅延線回路25
を介して、例えば 1ps程度の微小な時間刻みで極短パル
スIpの印加タイミングをずらしながら繰返し行えば、被
測定波形Iuの全体を高い時間分解能で拡大した時間軸上
に復元、表示することができる。

【０００８】ここで、手動でこのような測定操作、特に
バイアス電流Isの決定操作を行うのではなく、各サンプ
ル時におけるバイアス電流Isの大きさを最適に制御し、
かつ自動化するためには、上記した極低温下での主要計
測回路部に加え、一般には、これ自体は室温動作するバ
イアス電流帰還制御系30が用いられる。つまり、サンプ
リングゲートJsに得られる電圧波形Vsを増幅器31により
増幅し、この電圧Vsから参照電圧Vrを比較回路32により
引き去って、積分回路33により積分する。得られた直流
電圧VmをクロックパルスCPに同期したスイッチ34により
当該電圧値Vmのパルス波形にし、抵抗Rsを介すること
で、サンプリングゲートJsにバイアス電流Is（＝Vm/Rs)
を供給する。従って、参照電圧Vrの大きさを調整する
と、サンプリングゲートJsが電圧状態になる確率を変え
ることができるので、このような系において、積分回路
33の出力電圧Vmに基づき、その時々のバイアス電流Isを
上述のIs＝Vm/Rs から算出して電流軸Ｙとし、遅延線制
御装置23からの遅延時間値を時間軸Ｘとして、適当なる
公知表示器26にてプロット表示すれば、目的の被測定波
形Iuを拡大された時間軸上にて復元、表示することがで
きる。

【０００９】ただ、この図３の構成では、被測定回路11
は極低温環境下に置かれるジョセフソンサンプラ10の部
分と一体であって、とっかえひっかえ、幾つもの被測定
回路11を測定することができない。そこで従来からも、
特許第 3076835号にて、概略的には図４に示すように、
ワイヤボンディング接続やフリップチップボンディング
接続等、電気的、物理的に脱着可能な接続部41（図３中
の入力端子Tiに相当と考えてよい）を介して幾つもの被
測定回路11を測定することが提案されている。図４中に
おいては各種負荷抵抗等は省略されているが、基本的構
成部分は図３に即して説明した所と同じであり、同一の
符号は同一ないし同様で良い構成要素を示している。被
測定波形発生回路62が単独で追加されていて、これは被
測定回路11に例えばステップ波形（ランプ波形）の被測
定波形Iuf を入力し、被測定回路11を通過することで当
該被測定回路11の影響を受けた被測定波形Iuがサンプリ
ングゲートJsに向けて出力される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ジョセフソンサンプラ
の動作原理は上記の通りであって、原理的に高時間分解
能で高精度という極めて望ましい性能を有している。ま
た、図４に示す従来構成によれば、脱着可能接続部41に
より、被測定回路11を交換することで一台のジョセフソ
ンサンプラで多くの被測定回路11を測定できる。しか
し、図４に併示のように、被測定回路11がチップスケー
ルパッケージであって、現に測定すべき測定対象がその
中の信号線12であり、しかも、その被測定信号線12がそ
れ自体は両端開放線路であるような場合、そうした一本
の被測定信号線12のみを単独で測定、評価することがで
きない。

【００１１】測定するためには、これも図４中に併示の
ように、二本の被測定信号線12，12をチップの一端側で
ジャンパ14により接続し、その直列線路の一端に脱着可
能接続部41を介して被測定波形発生回路62の出力を与
え、他端から被測定波形Iuを抽出して脱着可能接続部41
（既述のように、図３中の入力端子Ti相当）からサンプ
リングゲートJsに印可するように図る前準備が必要であ
る。これは面倒でもあるし、実際には被測定波形発生回
路62から被測定回路11への信号出力系と、被測定回路11
からジョセフソンサンプラ10への信号入力系のそれぞれ
に関して配慮せねばならない種々の問題もある。

【００１２】また逆に、一端がチップ内で接地されてし
まっている信号線も測定が不能であるか、特殊な工夫が
必要になる。端的に言えば、従来構成では、単独開放線
路や一端接地線路を簡単には測定できないことに主たる
問題がある。

【００１３】

【課題を解決する手段】本発明は上記課題を解決するた
め、時間領域測定手法を導入し得るジョセフソンサンプ
ラ利用型の測定回路構成を得るべく、 a:極低温環境下で動作し、入力端子を介して取り込む被
測定波形とパルス発生回路から得られる極短パルスと
に、さらにバイアス電流を重畳してジョセフソンサンプ
リングゲートに与え、極短パルスの重畳タイミングを微
小時間幅でずらしながらバイアス電流の大きさを制御す
ることで被測定波形を拡大された時間軸上にて表示する
ジョセフソンサンプラと、 b:三端子の中の一端子がジョセフソンサンプリングゲー
トに接続し、他の一端子が上記の入力端子に接続すると
共に、残りの一端子が被測定波形発生回路の出力端に接
続し、被測定波形発生回路の出力する被測定波形をジョ
セフソンサンプリングゲートと上記の入力端子を介して
被測定回路に分配して出力する一方、被測定回路にて反
射され、逆に入力端子を介して出力されてくる被測定波
形をジョセフソンサンプリングゲートに通すパワー分配
器と、を有して成る超伝導時間領域反射信号測定回路を
提案する。

【００１４】また、望ましい付加構成として、 c:被測定波形発生回路とパワー分配器との間に、被測定
波形の出力する被測定波形を遅延させて伝達する遅延線
装置を設けること、も提案する。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１に、本発明による超伝導時間
領域反射信号測定回路100 の望ましい一実施形態が示さ
れている。本発明による改変部分を除いては、図３，４
に示したと実質的に同じ構成でも良いジョセフソンサン
プラ10が用いられていて、図中では各種負荷抵抗などは
省略されている。図３，４中と同一符号は同一ないし同
様で良い構成要素を示している。しかるに、本発明にて
特徴的なのは、パワー分配器63の存在である。このパワ
ー分配器63は三端子を有し、一つの端子はジョセフソン
サンプリングゲートJsに接続し、他の一端子が入力端子
Ti（脱着可能接続部41）に接続すると共に、残りの一端
子が図示の場合は遅延線装置61を介して被測定波形発生
回路63の出力端に接続している。入力端子Tiには被測定
回路11の両端開放線路であっても良いし、一端が接地さ
れていても良い被測定信号線12の開放している一端を接
続する。つまり、被測定信号線12の他端である終端13
は、開放端であっても良いし、接地端（短絡端）であっ
ても良い点で、以下に説明する所からも顕かなように、
既述した従来構成よりも柔軟な使用が可能になってい
る。

【００１６】遅延線装置61の作用は後述するが、上記の
構成により、被測定波形発生回路63の出力する、例えば
立ち上がりの急峻なステップ波形である被測定波形Iuf
は、パワー分配器63によってジョセフソンサンプリング
ゲートJsと入力端子を介して被測定回路11の被測定信号
線12に分配されるように出力される。

【００１７】被測定信号線12の終端13まで到達した被測
定波形Iuf は、当該終端13が開放端であるか、または短
絡端（接地端）であれば全反射し、現に測定されるべき
被測定波形Iuとなって入力端子Tiからジョセフソンサン
プラ10のジョセフソンサンプリングゲートJsに戻って来
て、先に到達した被測定波形Iuf に重畳されて計測され
る。これに加え、この被測定波形伝播経路（脱着可能接
続部41を含む被測定信号線12）の途中に存在するインピ
ーダンス不整合の部分からの反射信号もジョセフソンサ
ンプリングゲートJsに至り、先に到達した被測定波形Iu
に重畳されて計測される。

【００１８】従って、このような各種重畳成分を含む被
測定波形Iuの時間波形をジョセフソンサンプラ10にて観
測することにより、被測定波形伝播経路の途中における
インピーダンス変動を高い位置分解能で評価することが
可能になる。ジョセフソンサンプラの動作自体は既に説
明したので、省略する。

【００１９】このように、本発明では結局、時間領域で
の反射信号測定手法によることができるため、着目した
被測定信号線12のみを現に測定対象とすることができ、
しかも、当該被測定信号線12が両端解放であっても一端
接地であっても、特に追加の工夫を要さず、測定、評価
できる。

【００２０】なお、パワー分配器63は、被測定波形発生
回路62の出力する被測定波形Iuf をジョセフソンサンプ
リングゲートJsの側と被測定回路11とに均等に分配し、
ここでの不要な反射を生まないようにすると共に、なる
べく簡単な構成とするには、限定的ではないものの、図
１に示しているように、抵抗Ｔ型三端子パワー分配器と
するのが良い。つまり、共に等しい値で、被測定波形伝
播線路の線路インピータンスZoの2/3 の値の三つの抵抗
R1,R2,R3があって、そのうちの二つR1，R2は直列にな
り、この直列線路の一端が第一端子としてジョセフソン
サンプリングゲートJsに、他端が第二端子として入力端
子Tiないし脱着可能接続部41にそれぞれ接続し、これら
二つの抵抗R1，R2の接続節点に一端を接続した第三の抵
抗R3の他端が第三の端子として、被測定波形発生回路62
の発生する被測定波形Iuf の入力端子となるようにす
る。

【００２１】ここで、遅延線装置61があると望ましいの
は、被測定信号線の始点付近で発生した反射信号波形が
直ちに被測定波形発生回路62に戻り、そこで再度反射さ
れてジョセフソンサンプリングゲートJsに入力すること
で、測定ノイズとなる信号が重畳されてしまうのを防ぐ
ことにある。このノイズ防御ないし抑制条件を満たすに
は、遅延線装置61における伝播波形遅延時間が、一般に
被測定信号線12による最大遅延時間の倍以上になるよう
にすればよい。

【００２２】ところで、例えば同一条件で作成された多
くの被測定回路チップを測定対象とするときには、予め
インピータンス校正が行われていれば、一つ一つのチッ
プごとにそれを行う必要がなくなり、効率的である。そ
のためには、一つの被測定回路チップについて、図２に
示すような構造を作り込んでおくと良い。

【００２３】図２(A) に示すように、チップ基板11s 上
にパターニング形成で、被測定信号線12の終端13（図
１）にグランドコンタクト（接地）Gcに通じる線路部分
を作っておくと共に、これと並列の関係で、終端抵抗Rt
を作りこんでおく。このままの状態で上述した本発明回
路で当該被測定信号線路12を測定した時には、それは抵
抗Rtは短絡されているのでないのと同じことであるか
ら、接地終端条件での測定を行ったことになる。

【００２４】これに対し、図２(B) に示すように、終端
抵抗Rtと並列な部分Pcで信号線路を例えばレーザ溶断等
で切断すると、グランドコンタクトGcに至る線路回路中
に直列に終端抵抗Rtが入ったことになるから、マイクロ
ストリップラインとして構成されることが一般的な被測
定信号線12に整合した値を持つように当該終端抵抗Rtを
作っておけば、抵抗終端条件での測定をなしたことにな
る。

【００２５】さらに、図２(C) に示すように、終端抵抗
Rtを含む線路の適当な部分Pcをやはりレーザ溶断等で切
断すると、被測定信号線12の一端が開放された、終端開
放条件での測定を行うことができる。

【００２６】このようにすれば、電流比がインピーダン
ス比に相当するため、基準となる三条件のインピーダン
ス値（薄膜抵抗Rtの値、短絡時抵抗零, 開放時抵抗無限
大）に基づき、三つの条件のそれぞれで得られる結果
（電流表示）をインピーダンス表示に変換することがで
きる。なお、薄膜抵抗Rtの値は、別の薄膜抵抗値測定用
パターンにより計測しておけば良い。従って、このよう
な事前作業を、同一条件で作成された多数個の回路チッ
プの内の一個について行いさえすれば、その他のチップ
の測定時にもインピーダンス計測が可能となる。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明によると、集積回
路の実装に用いられるパッケージ、回路基板、マルチチ
ップモジュール、インターポーザ等の実装部品の電気特
性を評価するに際し、極低温環境下で動作するジョセフ
ソンサンプラを用いての時間領域測定手法を援用できる
ようになるため、一系統の信号系で測定が可能となり、
パッケージ等についても特殊な構成を用いることなく、
特性評価が可能となる。つまり、本発明によれば、従
来、ジョセフソンサンプラを用いてなしていた測定に関
し、測定対象の選択範囲が非常に広くなるといった利点
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超伝導時間領域反射信号測定回路
の望ましい一実施形態における概略構成図である。

【図２】本発明回路により測定をなす時の被測定信号線
路の終端条件を変え得る構成の概略構成図である。

【図３】本発明超伝導時間領域反射信号測定回路に用い
得るジョセフソンサンプラの回路構成例の説明図であ
る。

【図４】ジョセフソンサンプラの従来における一利用例
の概略的な説明図である。

【符号の説明】

10 ジョセフソンサンプラ 11 被測定回路 12 被測定信号線 13 被測定信号線の終端 14 ジャンパ 21 クロックパルス発生回路 22 パルス発生回路 23 遅延線制御装置 24 トリガパルス発生回路 25 可変遅延線装置 26 表示器 27 基準クロックパルス発生回路 30 バイアス電流帰還制御系 41 脱着可能接続部ないし入力端子Ti 50 極低温環境 61 遅延線装置 62 被測定波形発生回路 63 パワー分配器 100 本発明超伝導時間領域反射信号測定回路 Js サンプリングゲート， Ip 極短パルス Iuf 被測定波形発生回路の出力する被測定波形 Iu ジョセフソンサンプリングゲートに入力する被測定
波形 Is バイアス電流

フロントページの続き (72)発明者 佐藤 弘 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 経済 産業省産業技術総合研究所電子技術総合 研究所内 (56)参考文献 特開 平10−321925（ＪＰ，Ａ) 特開2001−4666（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−131082（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 13/00 - 13/42 H01L 39/22 G01R 31/28 - 31/3193

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】極低温環境下で動作し、入力端子を介して
   取り込む被測定波形とパルス発生回路から得られる極短
   パルスとに、さらにバイアス電流を重畳してジョセフソ
   ンサンプリングゲートに与え、該極短パルスの重畳タイ
   ミングを微小時間幅でずらしながらバイアス電流の大き
   さを制御することで上記被測定波形を拡大された時間軸
   上にて表示するジョセフソンサンプラと；三端子の中の
   一端子が上記ジョセフソンサンプリングゲートに接続
   し、他の一端子が上記入力端子に接続すると共に、残り
   の一端子が被測定波形発生回路の出力端に接続し、該被
   測定波形発生回路の出力する被測定波形を上記ジョセフ
   ソンサンプリングゲートと上記入力端子を介して被測定
   回路とに分配して出力する一方、該被測定回路にて反射
   され、上記入力端子を介して出力されてくる被測定波形
   を上記ジョセフソンサンプリングゲートに通すパワー分
   配器と；を有して成る超伝導時間領域反射信号測定回
   路。
2. 【請求項２】 請求項１記載の超伝導時間領域反射信号
   測定回路であって；上記被測定波形発生回路と上記パワ
   ー分配器との間に、被測定波形の出力する被測定波形を
   遅延させて伝達する遅延線装置を設けたこと；を特徴と
   する超伝導時間領域反射信号測定回路。