JP3636831B2 - 超電導増幅器及びこれを利用した検出器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導増幅器に関し、より具体的には、アナログ出力のＳＱＵＩＤを３個以上直列に接続して構成した低雑音のアナログ超電導増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のＳＱＵＩＤを直列に接続してアナログ増幅器を構成することは公知であり、例えば、アイイ−イ−イ− トランザクションズ オン マグネティクス(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS) １９９１年 ２７巻 ナンバー２、２９２４ペ−ジから２９２６ペ−ジに記載されている。上記の従来の超電導増幅器の回路の一例を図１４に示す。この例では、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１に電流源６を用いてバイアス電流を流すとともに、信号入力用の入力コイルの直列回路４の各コイルと直列接続体２を構成する各ＳＱＵＩＤ１とを磁気結合５させることによって、ＳＱＵＩＤ直列接続体２の各ＳＱＵＩＤから入力信号に応じた出力を得て、各ＳＱＵＩＤの出力電圧の和を端子３から超電導増幅器９の出力としていた。
【０００３】
各ＳＱＵＩＤの入力電流と出力電圧の関係を図１５に示す。ＳＱＵＩＤでは、出力電圧は磁束量子Φ0に対応する電流入力を周期とした周期関数になっている。ここで、例えば、磁束量子Φ0の０．２５倍相当の入力電流をバイアス電流（電流源６による）を用いて、ＳＱＵＩＤの動作点として設定すると、入力電流と出力電圧の関係の関係は、０．２５Φ0の点を中心として、増減するものとできる。したがって、実質的に特性の同じＳＱＵＩＤを２個直列に接続した場合の入力電流と出力電圧の合計の関係は図１６に示すように、同一入力に対して各ＳＱＵＩＤの２倍の出力を持つものとできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際問題としては、特性をまったく同じに作ることは難しく、また、構造上実質的に同じものとできたとしても、置かれた環境の微妙な差による不揃いが生じるのが現実である。図１７は極端な例ではあるが、直列に接続された二つのＳＱＵＩＤが同じ入力電流を加えられながら、各ＳＱＵＩＤには磁束量子としては見かけ上倍半分の差異があるケースの入力電流と出力電圧の合計の関係を示す。図１６および図１７を対照して明らかなように、図１７の状況では、ＳＱＵＩＤの直列接続による超電導増幅器の線形性や利得向上が十分に得られないことになる。
【０００５】
したがって、ＳＱＵＩＤ直列接続体を構成する各ＳＱＵＩＤの構造が可能な限り均一であり、かつ、各ＳＱＵＩＤに入力される信号の各ＳＱＵＩＤへの作用の大きさが可能な限り等しくなるように構成する必要があることがわかる。
【０００６】
ところが、ＳＱＵＩＤは非常に高感度な磁気センサであるため、その周囲に超電導体で構成した回路や超電導配線などがある場合、相互干渉を起こしＳＱＵＩＤの特性が変化するという問題がある。従って、ＳＱＵＩＤを同一チップ上に複数個近接して配置した場合は、各ＳＱＵＩＤは相互干渉を起こし、単体で配置されている場合とは異なった特性を示す。例えばＳＱＵＩＤを横一列に並べてＳＱＵＩＤ直列接続体を構成した場合は、両端のＳＱＵＩＤは片側にしかＳＱＵＩＤが配置されないのに対して、それ以外のＳＱＵＩＤは左右にＳＱＵＩＤが配置されている。そのため、両端のＳＱＵＩＤは他のＳＱＵＩＤとは特性が異なる。
【０００７】
従来のＳＱＵＩＤ直列接続体による超電導増幅器は、各ＳＱＵＩＤの置かれた環境による特性のバラツキに対する配慮にかけており、全ての出力を超電導増幅器の出力の一部として足し合わせていたため、利得や線形性が悪いという問題があった。
【０００８】
本発明の課題は、上記従来技術の持つ問題点を解決し、利得や線形性などの特性が良い高性能な超電導増幅器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、ＳＱＵＩＤ直列接続体の各ＳＱＵＩＤが構造的及び環境的に実質的に同一条件にあるＳＱＵＩＤの直列接続体部分の各ＳＱＵＩＤの出力電圧の和を出力電圧とすることによって解決することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳述する。
【００１１】
本発明の第一の実施例を示す超電導増幅器の回路図を図１に、および回路パターンの上面模式図を図２に示す。本実施例においては、７個のＳＱＵＩＤ１を超電導回路作製技術により１枚の基板上に形成してこれらを直列に接続することによりＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成し、電流源６を用いて１番目から７番目のＳＱＵＩＤに直流バイアス電流を流した。図２に示すように、各ＳＱＵＩＤはケッチェン型のＳＱＵＩＤであり、ワッシャコイル８の開口部の一辺を２０μｍ、ジョセフソン接合７の臨界電流値を９０μＡとした。隣接して配置したＳＱＵＩＤ１間のスペースは３０μｍとした。本実施例におけるＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１は、超電導体にＮｂ、抵抗体にＭｏＮｘ、ジョセフソン接合にＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂを用いて作製した。図には示されていないが、シャント抵抗は２Ω、ダンピング抵抗は６Ωとした。
【００１２】
図２に示すように、入力コイル４をワッシャコイル８の上面に薄い絶縁膜を介して渦巻状に配置し、両者を磁気結合させることにより、入力コイル４から各ＳＱＵＩＤ１へ信号を入力した。本実施例においては、１個目から７個目のＳＱＵＩＤに対して入力コイル４を結合させた。
【００１３】
本実施例においては、２番目から６番目のＳＱＵＩＤ１に生じた電圧を測定するように端子３を引きだし、端子３に生じる電圧を超電導増幅器９の出力とした。その結果、入力信号に対して線形性の良いアナログ増幅器を実現することができた。また、実施例１に述べた超電導増幅器９の出力電圧は、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成しているＳＱＵＩＤ１の出力電圧のほぼ５倍であった。
【００１４】
すなわち、本実施例では、構造的には同一といえる７つのＳＱＵＩＤを直線上に配列し、それぞれに対して、同一の入力電流を供給して環境条件を合わせるとともに、両側にＳＱＵＩＤが配置される部分のＳＱＵＩＤ直列接続体からのみ出力を得ることとして、構造および環境条件を実質的に同じものとした例である。
【００１５】
図３は、第一の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンの上面模式図を示す。図２と対比して明らかなように、この実施例では、バイアス電流の配線がＳＱＵＩＤ間を避けた構造である。バイアス電流の配線がＳＱＵＩＤ間を避けたことにより、バイアス電流の値の変動がＳＱＵＩＤに与える影響を小さくすることができる。
【００１６】
図４は、図３とほぼ同様の構造である。図３では、個々のＳＱＵＩＤの構造の天地が揃えられているのに対し、図４では、個々のＳＱＵＩＤの構造の天地を逆にしてバイアス電流の流れる方向がインプットコイルが積層されている側からジョセフソン接合が存在する側になるように揃えられている点において図３の実施例と異なる。図３では、ＳＱＵＩＤ直列接続体に外部磁界が作用したとき、個々のＳＱＵＩＤが同一方向を向いている為、個々のＳＱＵＩＤの外部磁界による影響の対称性が良く、図４では、バイアス電流による影響の対称性が良いというメリットがある。
【００１７】
図５は、第一の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンの上面模式図を示す。図５においては、（１）バイアス電流用の配線をＳＱＵＩＤ間に配置しない、（２）バイアス電流の給電の向きが同じでありかつバイアス電流用の配線を短くできるメリットがある反面、図２と対比して明らかなように、この実施例では、ＳＱＵＩＤの向きを９０°回転させ、バイアス電流の通路がＳＱＵＩＤを介して直線的に流れる構造である。そのため、入力電流の通路がＳＱＵＩＤと適当に離れた位置を通りながら渡り歩く形となる。この場合、符合Ｌで示す距離を十分に取らないと入力電流がコイルとして作用した以外にも渡り線を通しても作用することになり特性の不安定さにかかわる。
【００１８】
次に、本発明の第一の実施例の応用形態を図６を参照して述べる。本応用例においては、ＳＱＵＩＤ直列接続体２の構成は本発明の第一の実施例と同様であるが、その他にセンサとして機能するセンサＳＱＵＩＤ１０を設ける。
【００１９】
センサＳＱＵＩＤ１０もケッチェン型のＳＱＵＩＤであり、電流源２０を用いて、ジョセフソン接合１３を有するＳＱＵＩＤにバイアス電流を流す。ワッシャコイルの開口部の一辺を２０μｍ、ジョセフソン接合１３の臨界電流値を９０μＡとした。シャント抵抗１５は４Ω、負荷抵抗１１は４Ωとし、図には示されていないが、ダンピング抵抗は６Ωとした。
【００２０】
センサＳＱＵＩＤ１０からの出力電圧を負荷抵抗１１を用いて電流信号とし、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１と結合する入力コイル４に流すが、入力コイル４の各部分１４のインダクタンスは約１００ｐＨとした。また、隣接して配置したＳＱＵＩＤ１間のスペースは３０μｍとした。
【００２１】
本実施例におけるＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１、およびセンサＳＱＵＩＤ１０は共通の基板上に形成された。超電導体にＮｂ、抵抗体にＭｏＮｘ、ジョセフソン接合にＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂを用いて作製した。
【００２２】
本応用例のように、ＳＱＵＩＤからの出力を、ＳＱＵＩＤ直列接続体２により増幅する場合は、センサＳＱＵＩＤ１０と、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成する各ＳＱＵＩＤ１の特性が等しく、かつ、センサＳＱＵＩＤ１０に入力された磁束と同量の磁束をＳＱＵＩＤ直列接続体２の各ＳＱＵＩＤ１に入力できるように入力コイル４の値を設計した。このように設計すると、センサＳＱＵＩＤ１０への入力信号の大きさに依存せず、ＳＱＵＩＤ直列接続体２の増幅率を一定に保ち、かつ、ダイナミックレンジを最大にすることができる。また、超電導増幅器９の利得は端子３の間に配置されているＳＱＵＩＤ１の個数に比例し、また、入力コイル４のインダクタンスの値はＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１の個数に比例するため、設計が容易になるという利点もある。
【００２３】
本第一の実施例の応用形態でも、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を７つのＳＱＵＩＤの直列構成として、その両側を除く５つのＳＱＵＩＤの直列構成から出力を得た結果、ＳＱＵＩＤ直列接続体２はセンサＳＱＵＩＤ１０の出力を５倍に増幅できた。また、センサＳＱＵＩＤ１０、および、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１の構造上の特性を実質的に等しくし、それぞれの動作点を０．２５Φ0（Φ0は磁束量子）とすることにより、利得が５倍で、かつ線形性が良く、プラスマイナス０．２５Φ0のダイナミックレンジを有する超電導測定装置を実現することができた。
【００２４】
本発明の第二の実施例を示す超電導増幅器の回路図を図７に、回路パターンの上面模式図を図８に示す。本実施例においては、１２個のＳＱＵＩＤ１を直列に接続し、電流源６を用いて１番目から１２番目のＳＱＵＩＤにバイアス電流を流した。本実施例においてＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１は、第一の実施例と同様の設計値、材料を用いて作製した。本実施例において、図８に示すようにＳＱＵＩＤ１は２行６列で配置し、上下および左右のＳＱＵＩＤどうしは、３０μｍの間隔をおいて配置した。
【００２５】
ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１を２行に分けて配置する場合、図７および図８からもわかるように、両端に相当する部分、すなわち１行１列目、２行１列目、１行６列目、２行６列目に配置されたＳＱＵＩＤは、その他の部分のＳＱＵＩＤと周辺構造などが異なるため、構造上の特性を一致させるようにしても、使用環境での特性が異なる。従って、本実施例においては、２行６列に配置されたＳＱＵＩＤ１を、１行１列目、２行１列目、２行２列目、１行２列目、１行３列目という順に接続し、２行２列目から２行５列目までのＳＱＵＩＤの出力電圧の合計が超電導増幅器の出力電圧となるように、端子３を引き出した。
【００２６】
その結果、入力信号に対して線形性の良いアナログ超電導増幅器を実現することができた。また、本実施例では、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成しているＳＱＵＩＤ１の出力電圧のほぼ８倍を出力する超電導増幅器を実現することができた。
【００２７】
１２個のＳＱＵＩＤを１行１２列に配置してＳＱＵＩＤ直列接続体を構成する場合は、最大で１０個のＳＱＵＩＤの電圧の合計を超電導増幅器の出力とすることができるが、本実施例のようにＳＱＵＩＤ直列接続体を２行６列で配置した場合は、超電導増幅器の出力として取り出すことができる電圧は最大で８個のＳＱＵＩＤの電圧の合計になる。しかし、ＳＱＵＩＤ直列接続体を配置できるスペースの横幅が狭い場合は、２行に並べて配置するのは有効な方法である。
【００２８】
図９は、第二の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンの上面模式図を示す。図８と対比して明らかなように、この実施例では、各行でのＳＱＵＩＤの向きが逆になった構造である。このように配置しても、同様の効果が得られることは明白である。
【００２９】
図１０は、図８と同一構造になるように各行でのＳＱＵＩＤの向きを取り、バイアス電流の流路が各ＳＱＵＩＤ間を蛇行する形とした例である。
【００３０】
図１１は、各行間のＳＱＵＩＤの向きをそろえた例であり、図９の実施例と本質的には同じである。ただし、１行目のＳＱＵＩＤでは、ジョセフソン接合側に他のＳＱＵＩＤが存在し、２行目のＳＱＵＩＤでは、インプットコイルが積層されている側に他のＳＱＵＩＤが存在する為、１行目と２行目では、環境が異なる。したがって、互いに、他のＳＱＵＩＤが無視できる程度に１行目と２行目のスペースを取ることが必要である。
【００３１】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、図９の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンの上面模式図及び背面模式図を示す。（ｂ）で破線で示すのは、ＳＱＵＩＤが他の面に形成されていることを示す。この実施例では、両面にパターンを形成する必要があるから、製作行程は増えるが、信号線の引き回しをバイアス電流線の引き回しを分離できるから、相互の干渉を削減できる点ではメリットが大きい。
【００３２】
図１３は、作成したＳＱＵＩＤのすべての出力が利用できるように工夫された第三の実施例を示す回路パターンの上面模式図である。第一、第二の実施例では各ＳＱＵＩＤの構造上の均一性は作製技術の工夫で向上できても、直線上に配列される以上、使用環境での均一性の向上には限界がある。すなわち、端部がどうしても存在するからである。図１３の実施例は、この点の改良をも意図したものであり、円周線上にＳＱＵＩＤ１を等間隔で配列するものである。図１３に置いて他の実施例と同じ符合で示すものはそれらと均等なものである。
【００３３】
図１３の実施例は、図２の配列と同じ発想での配線の引き回しを持って構成されているが、これらが、図５のような考え方での配線の引き回しの場合でも、同じように実現できることは明らかであろう。また、図１２のように両面型に構成することもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したごとく、本発明に従って超電導増幅器を構成することにより、利得や線形性が良い高性能の超電導増幅器を実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施例を示す超電導増幅器の回路図。
【図２】第一の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図３】第一の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図４】第一の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図５】第一の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図６】第一の実施例の応用形態の例を示す回路図。
【図７】第二の実施例を示す超電導増幅器の回路図。
【図８】第二の実施例の超電導増幅器の回路パターンを示す上面模式図。
【図９】第二の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図１０】図８に対応する他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図１１】図８に対応する他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ図８の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図及び背面模式図。
【図１３】第三の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図１４】従来の超電導増幅器の一例を示す回路図。
【図１５】ＳＱＵＩＤの入力電流と出力電圧の関係を示す図。
【図１６】実質的に特性の均一なＳＱＵＩＤを２個直列に接続した場合の入力電流と出力電圧の合計の関係を示す図。
【図１７】特性の大きく異なったＳＱＵＩＤを２個直列に接続した場合の入力電流と出力電圧の合計の関係を示す図。
【符号の説明】
１…ＳＱＵＩＤ、２…ＳＱＵＩＤ直列接続体、３…端子、４…入力コイル、５…磁気結合、６および２０…電流源、７、１３…ジョセフソン接合、８…ワッシャコイル、９…超電導増幅器、１０…センサＳＱＵＩＤ、１１…負荷抵抗、１４…入力コイルの一部分、１５…シャント抵抗。
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導増幅器に関し、より具体的には、アナログ出力のＳＱＵＩＤを３個以上直列に接続して構成した低雑音のアナログ超電導増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のＳＱＵＩＤを直列に接続してアナログ増幅器を構成することは公知であり、例えば、アイイ−イ−イ− トランザクションズ オン マグネティクス(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS) １９９１年 ２７巻 ナンバー２、２９２４ペ−ジから２９２６ペ−ジに記載されている。上記の従来の超電導増幅器の回路の一例を図１４に示す。この例では、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１に電流源６を用いてバイアス電流を流すとともに、信号入力用の入力コイルの直列回路４の各コイルと直列接続体２を構成する各ＳＱＵＩＤ１とを磁気結合５させることによって、ＳＱＵＩＤ直列接続体２の各ＳＱＵＩＤから入力信号に応じた出力を得て、各ＳＱＵＩＤの出力電圧の和を端子３から超電導増幅器９の出力としていた。
【０００３】
各ＳＱＵＩＤの入力電流と出力電圧の関係を図１５に示す。ＳＱＵＩＤでは、出力電圧は磁束量子Φ0に対応する電流入力を周期とした周期関数になっている。ここで、例えば、磁束量子Φ0の０．２５倍相当の入力電流をバイアス電流（電流源６による）を用いて、ＳＱＵＩＤの動作点として設定すると、入力電流と出力電圧の関係の関係は、０．２５Φ0の点を中心として、増減するものとできる。したがって、実質的に特性の同じＳＱＵＩＤを２個直列に接続した場合の入力電流と出力電圧の合計の関係は図１６に示すように、同一入力に対して各ＳＱＵＩＤの２倍の出力を持つものとできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際問題としては、特性をまったく同じに作ることは難しく、また、構造上実質的に同じものとできたとしても、置かれた環境の微妙な差による不揃いが生じるのが現実である。図１７は極端な例ではあるが、直列に接続された二つのＳＱＵＩＤが同じ入力電流を加えられながら、各ＳＱＵＩＤには磁束量子としては見かけ上倍半分の差異があるケースの入力電流と出力電圧の合計の関係を示す。図１６および図１７を対照して明らかなように、図１７の状況では、ＳＱＵＩＤの直列接続による超電導増幅器の線形性や利得向上が十分に得られないことになる。
【０００５】
したがって、ＳＱＵＩＤ直列接続体を構成する各ＳＱＵＩＤの構造が可能な限り均一であり、かつ、各ＳＱＵＩＤに入力される信号の各ＳＱＵＩＤへの作用の大きさが可能な限り等しくなるように構成する必要があることがわかる。
【０００６】
ところが、ＳＱＵＩＤは非常に高感度な磁気センサであるため、その周囲に超電導体で構成した回路や超電導配線などがある場合、相互干渉を起こしＳＱＵＩＤの特性が変化するという問題がある。従って、ＳＱＵＩＤを同一チップ上に複数個近接して配置した場合は、各ＳＱＵＩＤは相互干渉を起こし、単体で配置されている場合とは異なった特性を示す。例えばＳＱＵＩＤを横一列に並べてＳＱＵＩＤ直列接続体を構成した場合は、両端のＳＱＵＩＤは片側にしかＳＱＵＩＤが配置されないのに対して、それ以外のＳＱＵＩＤは左右にＳＱＵＩＤが配置されている。そのため、両端のＳＱＵＩＤは他のＳＱＵＩＤとは特性が異なる。
【０００７】
従来のＳＱＵＩＤ直列接続体による超電導増幅器は、各ＳＱＵＩＤの置かれた環境による特性のバラツキに対する配慮にかけており、全ての出力を超電導増幅器の出力の一部として足し合わせていたため、利得や線形性が悪いという問題があった。
【０００８】
本発明の課題は、上記従来技術の持つ問題点を解決し、利得や線形性などの特性が良い高性能な超電導増幅器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、ＳＱＵＩＤ直列接続体の各ＳＱＵＩＤが構造的及び環境的に実質的に同一条件にあるＳＱＵＩＤの直列接続体部分の各ＳＱＵＩＤの出力電圧の和を出力電圧とすることによって解決することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳述する。
【００１１】
本発明の第一の実施例を示す超電導増幅器の回路図を図１に、および回路パターンの上面模式図を図２に示す。本実施例においては、７個のＳＱＵＩＤ１を超電導回路作製技術により１枚の基板上に形成してこれらを直列に接続することによりＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成し、電流源６を用いて１番目から７番目のＳＱＵＩＤに直流バイアス電流を流した。図２に示すように、各ＳＱＵＩＤはケッチェン型のＳＱＵＩＤであり、ワッシャコイル８の開口部の一辺を２０μｍ、ジョセフソン接合７の臨界電流値を９０μＡとした。隣接して配置したＳＱＵＩＤ１間のスペースは３０μｍとした。本実施例におけるＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１は、超電導体にＮｂ、抵抗体にＭｏＮｘ、ジョセフソン接合にＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂを用いて作製した。図には示されていないが、シャント抵抗は２Ω、ダンピング抵抗は６Ωとした。
【００１２】
図２に示すように、入力コイル４をワッシャコイル８の上面に薄い絶縁膜を介して渦巻状に配置し、両者を磁気結合させることにより、入力コイル４から各ＳＱＵＩＤ１へ信号を入力した。本実施例においては、１個目から７個目のＳＱＵＩＤに対して入力コイル４を結合させた。
【００１３】
本実施例においては、２番目から６番目のＳＱＵＩＤ１に生じた電圧を測定するように端子３を引きだし、端子３に生じる電圧を超電導増幅器９の出力とした。その結果、入力信号に対して線形性の良いアナログ増幅器を実現することができた。また、実施例１に述べた超電導増幅器９の出力電圧は、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成しているＳＱＵＩＤ１の出力電圧のほぼ５倍であった。
【００１４】
すなわち、本実施例では、構造的には同一といえる７つのＳＱＵＩＤを直線上に配列し、それぞれに対して、同一の入力電流を供給して環境条件を合わせるとともに、両側にＳＱＵＩＤが配置される部分のＳＱＵＩＤ直列接続体からのみ出力を得ることとして、構造および環境条件を実質的に同じものとした例である。
【００１５】
図３は、第一の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンの上面模式図を示す。図２と対比して明らかなように、この実施例では、バイアス電流の配線がＳＱＵＩＤ間を避けた構造である。バイアス電流の配線がＳＱＵＩＤ間を避けたことにより、バイアス電流の値の変動がＳＱＵＩＤに与える影響を小さくすることができる。
【００１６】
図４は、図３とほぼ同様の構造である。図３では、個々のＳＱＵＩＤの構造の天地が揃えられているのに対し、図４では、個々のＳＱＵＩＤの構造の天地を逆にしてバイアス電流の流れる方向がインプットコイルが積層されている側からジョセフソン接合が存在する側になるように揃えられている点において図３の実施例と異なる。図３では、ＳＱＵＩＤ直列接続体に外部磁界が作用したとき、個々のＳＱＵＩＤが同一方向を向いている為、個々のＳＱＵＩＤの外部磁界による影響の対称性が良く、図４では、バイアス電流による影響の対称性が良いというメリットがある。
【００１７】
図５は、第一の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンの上面模式図を示す。図５においては、（１）バイアス電流用の配線をＳＱＵＩＤ間に配置しない、（２）バイアス電流の給電の向きが同じでありかつバイアス電流用の配線を短くできるメリットがある反面、図２と対比して明らかなように、この実施例では、ＳＱＵＩＤの向きを９０°回転させ、バイアス電流の通路がＳＱＵＩＤを介して直線的に流れる構造である。そのため、入力電流の通路がＳＱＵＩＤと適当に離れた位置を通りながら渡り歩く形となる。この場合、符合Ｌで示す距離を十分に取らないと入力電流がコイルとして作用した以外にも渡り線を通しても作用することになり特性の不安定さにかかわる。
【００１８】
次に、本発明の第一の実施例の応用形態を図６を参照して述べる。本応用例においては、ＳＱＵＩＤ直列接続体２の構成は本発明の第一の実施例と同様であるが、その他にセンサとして機能するセンサＳＱＵＩＤ１０を設ける。
【００１９】
センサＳＱＵＩＤ１０もケッチェン型のＳＱＵＩＤであり、電流源２０を用いて、ジョセフソン接合１３を有するＳＱＵＩＤにバイアス電流を流す。ワッシャコイルの開口部の一辺を２０μｍ、ジョセフソン接合１３の臨界電流値を９０μＡとした。シャント抵抗１５は４Ω、負荷抵抗１１は４Ωとし、図には示されていないが、ダンピング抵抗は６Ωとした。
【００２０】
センサＳＱＵＩＤ１０からの出力電圧を負荷抵抗１１を用いて電流信号とし、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１と結合する入力コイル４に流すが、入力コイル４の各部分１４のインダクタンスは約１００ｐＨとした。また、隣接して配置したＳＱＵＩＤ１間のスペースは３０μｍとした。
【００２１】
本実施例におけるＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１、およびセンサＳＱＵＩＤ１０は共通の基板上に形成された。超電導体にＮｂ、抵抗体にＭｏＮｘ、ジョセフソン接合にＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂを用いて作製した。
【００２２】
本応用例のように、ＳＱＵＩＤからの出力を、ＳＱＵＩＤ直列接続体２により増幅する場合は、センサＳＱＵＩＤ１０と、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成する各ＳＱＵＩＤ１の特性が等しく、かつ、センサＳＱＵＩＤ１０に入力された磁束と同量の磁束をＳＱＵＩＤ直列接続体２の各ＳＱＵＩＤ１に入力できるように入力コイル４の値を設計した。このように設計すると、センサＳＱＵＩＤ１０への入力信号の大きさに依存せず、ＳＱＵＩＤ直列接続体２の増幅率を一定に保ち、かつ、ダイナミックレンジを最大にすることができる。また、超電導増幅器９の利得は端子３の間に配置されているＳＱＵＩＤ１の個数に比例し、また、入力コイル４のインダクタンスの値はＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１の個数に比例するため、設計が容易になるという利点もある。
【００２３】
本第一の実施例の応用形態でも、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を７つのＳＱＵＩＤの直列構成として、その両側を除く５つのＳＱＵＩＤの直列構成から出力を得た結果、ＳＱＵＩＤ直列接続体２はセンサＳＱＵＩＤ１０の出力を５倍に増幅できた。また、センサＳＱＵＩＤ１０、および、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１の構造上の特性を実質的に等しくし、それぞれの動作点を０．２５Φ0（Φ0は磁束量子）とすることにより、利得が５倍で、かつ線形性が良く、プラスマイナス０．２５Φ0のダイナミックレンジを有する超電導測定装置を実現することができた。
【００２４】
本発明の第二の実施例を示す超電導増幅器の回路図を図７に、回路パターンの上面模式図を図８に示す。本実施例においては、１２個のＳＱＵＩＤ１を直列に接続し、電流源６を用いて１番目から１２番目のＳＱＵＩＤにバイアス電流を流した。本実施例においてＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１は、第一の実施例と同様の設計値、材料を用いて作製した。本実施例において、図８に示すようにＳＱＵＩＤ１は２行６列で配置し、上下および左右のＳＱＵＩＤどうしは、３０μｍの間隔をおいて配置した。
【００２５】
ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成するＳＱＵＩＤ１を２行に分けて配置する場合、図７および図８からもわかるように、両端に相当する部分、すなわち１行１列目、２行１列目、１行６列目、２行６列目に配置されたＳＱＵＩＤは、その他の部分のＳＱＵＩＤと周辺構造などが異なるため、構造上の特性を一致させるようにしても、使用環境での特性が異なる。従って、本実施例においては、２行６列に配置されたＳＱＵＩＤ１を、１行１列目、２行１列目、２行２列目、１行２列目、１行３列目という順に接続し、２行２列目から２行５列目までのＳＱＵＩＤの出力電圧の合計が超電導増幅器の出力電圧となるように、端子３を引き出した。
【００２６】
その結果、入力信号に対して線形性の良いアナログ超電導増幅器を実現することができた。また、本実施例では、ＳＱＵＩＤ直列接続体２を構成しているＳＱＵＩＤ１の出力電圧のほぼ８倍を出力する超電導増幅器を実現することができた。
【００２７】
１２個のＳＱＵＩＤを１行１２列に配置してＳＱＵＩＤ直列接続体を構成する場合は、最大で１０個のＳＱＵＩＤの電圧の合計を超電導増幅器の出力とすることができるが、本実施例のようにＳＱＵＩＤ直列接続体を２行６列で配置した場合は、超電導増幅器の出力として取り出すことができる電圧は最大で８個のＳＱＵＩＤの電圧の合計になる。しかし、ＳＱＵＩＤ直列接続体を配置できるスペースの横幅が狭い場合は、２行に並べて配置するのは有効な方法である。
【００２８】
図９は、第二の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンの上面模式図を示す。図８と対比して明らかなように、この実施例では、各行でのＳＱＵＩＤの向きが逆になった構造である。このように配置しても、同様の効果が得られることは明白である。
【００２９】
図１０は、図８と同一構造になるように各行でのＳＱＵＩＤの向きを取り、バイアス電流の流路が各ＳＱＵＩＤ間を蛇行する形とした例である。
【００３０】
図１１は、各行間のＳＱＵＩＤの向きをそろえた例であり、図９の実施例と本質的には同じである。ただし、１行目のＳＱＵＩＤでは、ジョセフソン接合側に他のＳＱＵＩＤが存在し、２行目のＳＱＵＩＤでは、インプットコイルが積層されている側に他のＳＱＵＩＤが存在する為、１行目と２行目では、環境が異なる。したがって、互いに、他のＳＱＵＩＤが無視できる程度に１行目と２行目のスペースを取ることが必要である。
【００３１】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、図９の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンの上面模式図及び背面模式図を示す。（ｂ）で破線で示すのは、ＳＱＵＩＤが他の面に形成されていることを示す。この実施例では、両面にパターンを形成する必要があるから、製作行程は増えるが、信号線の引き回しをバイアス電流線の引き回しを分離できるから、相互の干渉を削減できる点ではメリットが大きい。
【００３２】
図１３は、作成したＳＱＵＩＤのすべての出力が利用できるように工夫された第三の実施例を示す回路パターンの上面模式図である。第一、第二の実施例では各ＳＱＵＩＤの構造上の均一性は作製技術の工夫で向上できても、直線上に配列される以上、使用環境での均一性の向上には限界がある。すなわち、端部がどうしても存在するからである。図１３の実施例は、この点の改良をも意図したものであり、円周線上にＳＱＵＩＤ１を等間隔で配列するものである。図１３に置いて他の実施例と同じ符合で示すものはそれらと均等なものである。
【００３３】
図１３の実施例は、図２の配列と同じ発想での配線の引き回しを持って構成されているが、これらが、図５のような考え方での配線の引き回しの場合でも、同じように実現できることは明らかであろう。また、図１２のように両面型に構成することもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したごとく、本発明に従って超電導増幅器を構成することにより、利得や線形性が良い高性能の超電導増幅器を実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施例を示す超電導増幅器の回路図。
【図２】第一の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図３】第一の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図４】第一の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図５】第一の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図６】第一の実施例の応用形態の例を示す回路図。
【図７】第二の実施例を示す超電導増幅器の回路図。
【図８】第二の実施例の超電導増幅器の回路パターンを示す上面模式図。
【図９】第二の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図１０】図８に対応する他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図１１】図８に対応する他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ図８の実施例と同じ発想の他の構造の実施例の回路パターンを示す上面模式図及び背面模式図。
【図１３】第三の実施例の回路パターンを示す上面模式図。
【図１４】従来の超電導増幅器の一例を示す回路図。
【図１５】ＳＱＵＩＤの入力電流と出力電圧の関係を示す図。
【図１６】実質的に特性の均一なＳＱＵＩＤを２個直列に接続した場合の入力電流と出力電圧の合計の関係を示す図。
【図１７】特性の大きく異なったＳＱＵＩＤを２個直列に接続した場合の入力電流と出力電圧の合計の関係を示す図。
【符号の説明】
１…ＳＱＵＩＤ、２…ＳＱＵＩＤ直列接続体、３…端子、４…入力コイル、５…磁気結合、６および２０…電流源、７、１３…ジョセフソン接合、８…ワッシャコイル、９…超電導増幅器、１０…センサＳＱＵＩＤ、１１…負荷抵抗、１４…入力コイルの一部分、１５…シャント抵抗。
Claims (4)
- ３個以上のＳＱＵＩＤを直列に接続して構成したＳＱＵＩＤ直列接続体と、前記ＳＱＵＩＤ直列接続体のバイアス電流源と、前記ＳＱＵＩＤ直列接続体への信号入力手段とを具備し、前記各ＳＱＵＩＤが一つ又は複数の直線上に配列され、前記ＳＱＵＩＤ直列接続体の両端側に配置された前記ＳＱＵＩＤを除く残りの前記ＳＱＵＩＤの出力電圧の和を出力電圧とすることを特徴とする超電導増幅器。
- 請求項１に記載の超電導増幅器において、前記ＳＱＵＩＤ直列接続体のバイアス電流を前記各ＳＱＵＩＤ間で引き回すための配線と前記各ＳＱＵＩＤへの入力信号を前記各ＳＱＵＩＤ間で引き回すための配線とを異なる面に形成することを特徴とする超電導増幅器。
- ３個以上のＳＱＵＩＤを直列に接続して構成したＳＱＵＩＤ直列接続体と、前記ＳＱＵＩＤ直列接続体のバイアス電流源と、前記ＳＱＵＩＤ直列接続体への信号入力手段とを具備し、前記各ＳＱＵＩＤが円周線上に等間隔で配列され、前記ＳＱＵＩＤ直列接続体を構成する全ての前記ＳＱＵＩＤの出力電圧の和を出力電圧とすることを特徴とする超電導増幅器。
- ３個以上のＳＱＵＩＤを直列に接続して構成したＳＱＵＩＤ直列接続体と、前記ＳＱＵＩＤ直列接続体のバイアス電流源と、前記ＳＱＵＩＤ直列接続体への信号入力手段とを具備し、前記各ＳＱＵＩＤが直線上に配列され、前記ＳＱＵＩＤ直列接続体の両端側に配置された前記ＳＱＵＩＤを除く残りの前記ＳＱＵＩＤの出力電圧の和を出力電圧とする超電導増幅器と、該超電導増幅器を形成した基板と同一の基板上に配置されたセンサＳＱＵＩＤとを有し、該センサＳＱＵＩＤの出力を前記超電導増幅器の入力とすることを特徴とする超電導測定装置。
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