JP6617197B2 - 超電導クロスバースイッチシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に超電導回路に関し、より詳細には、超電導クロスバースイッチシステムに関する。

従来のマイクロ波機械式、電気機械式、および電子式スイッチは、互換性のない製造プロセスおよび高い電力損失のために、超電導電子回路のオンチップ集積化および超電導電子回路の極低温動作に適合し得ない。同様に、可変電圧コンデンサ（すなわちバラクタ）等の能動部品、機械式ドライバ、または強誘電体およびフェライト材料の使用によって一般的に実現される調整可能なフィルタは、単一磁束量子（ＳＦＱ：ｓｉｎｇｌｅ ｆｌｕｘ ｑｕａｎｔｕｍ）技術で生成可能な信号レベルによって容易に制御することができず、多くは極低温では動作しない。高温超電導体と低温超電導体の両方を使用して、固定および可変の両方の超電導マイクロ波フィルタが以前に実現されていたが、そのスイッチング用途での使用は、高い反射損失、使用可能な帯域幅の制限、および不十分な帯域外のオフ状態の分離が生じていた。

デジタル信号およびマイクロ波信号の両方用の半導体クロスバースイッチは、スイッチマトリクス、トランシーバ、およびテストシステムおよび通信システムなどの再構成可能な信号ルーティングアプリケーションにおいて広く使用されている。クロスバースイッチは、第１の設定（「バー状態（Ｂａｒ ｓｔａｔｅ）」と呼称される）において第１の入力ポートが第１の出力ポートに接続され、第２の入力ポートが第２の出力ポートに接続され、第２の設定（「クロス状態（Ｃｒｏｓｓ ｓｔａｔｅ）」と呼称される）では、第１の入力ポートが第２の出力ポートに接続され、第２の入力ポートが第１の出力ポートに接続される４ポートデバイスである。しかしながら、従来のクロスバースイッチは、一般に極低温超低電力消費用途には適合せず、一般に、ＳＦＱ制御技術と両立しない数ボルト程度の電圧制御信号を必要とする。

一例では、超電導クロスバースイッチシステムが提供される。システムは、第１の可変インダクタンス結合要素を介して第１の出力ポートに、かつ第３の可変インダクタンス結合要素を介して第２の出力ポートに結合された第１の入力ポートと、第２の可変インダクタンス結合要素を介して第１の出力ポートに、かつ第４の可変インダクタンス結合要素を介して第２の出力ポートに結合された第１の入力ポートと含む。システムは、可変インダクタンス結合要素を対向するインダクタンス状態間で変化させることによって、バー状態とクロス状態との間のクロスバースイッチの設定を制御するように構成されたスイッチコントローラをさらに備える。これにより、バー状態における第１の入力ポート対第１の出力ポートおよび第２の入力ポート対第２の出力ポートと、クロス状態における第１の出力ポート対第１の入力ポートおよび第２の入力ポート対第１の出力ポートとの間の信号の選択的なルーティングが可能となる。

別の例では、第１の入力ポートを第１の出力ポートに結合する第１の超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と、第２の入力ポートを第１の出力ポートに結合する第２のＳＱＵＩＤと、第１の入力ポートを第２の出力ポートに結合する第３のＳＱＵＩＤと、第２の入力ポートを第２の出力ポートに結合する第４のＳＱＵＩＤとを含む超電導スイッチシステムが提供される。システムは、第１のＳＱＵＩＤ、第２のＳＱＵＩＤ、第３のＳＱＵＩＤ、および第４のＳＱＵＩＤを通る誘導電流の量を制御して、バー状態とクロス状態とを交互に切り替えるように構成されたスイッチコントローラをさらに備える。バー状態では、第１の入力ポートに提供される第１の入力信号の所望の帯域幅部分を第１の出力ポートに通過させ、第２の入力ポートに提供される第２の入力信号の所望の帯域幅部分が第２の出力ポートに提供される。クロス状態では、第１の入力ポートに提供される第１の入力信号の所望の帯域幅部分を第２の出力ポートに通過させ、第２の入力ポートに提供される第２の入力信号の所望の帯域幅部分が第１の出力ポートに提供される。

さらに別の例では、第１の入力ポートを第１の出力ポートに結合する第１のＳＱＵＩＤと、第２の入力ポートを第１の出力ポートに結合する第２のＳＱＵＩＤと、第１の入力ポートを第２の出力ポートに結合する第３のＳＱＵＩＤと、第２の入力ポートを第２の出力ポートに結合する第４のＳＱＵＩＤとを含むフィルタネットワークを備える超電導クロスバースイッチシステムが提供される。第１のＳＱＵＩＤは、第１の共振器、第１のジョセフソン接合および第３の共振器から形成される。第２のＳＱＵＩＤは、第２の共振器、第２のジョセフソン接合および第３の共振器から形成される。第３のＳＱＵＩＤは、第１の共振器、第３のジョセフソン接合および第４の共振器から形成される。第４のＳＱＵＩＤは、第２の共振器、第４のジョセフソン接合および第４の共振器から形成される。第１の共振器は、第１の入力ポートと第１および第３のジョセフソン接合との間に結合され、第２の共振器は、第２の入力ポートと第２および第４のジョセフソン接合との間に結合される。第３の共振器は、第１の出力ポートと第１および第２のジョセフソン接合との間に結合され、第４の共振器は、第２の出力ポートと第３および第４のジョセフソン接合との間に結合される。システムは、第１のＳＱＵＩＤ、第２のＳＱＵＩＤ、第３のＳＱＵＩＤ、および第４のＳＱＵＩＤを通る誘導電流の量を制御して、バー状態とクロス状態とを交互に切り替えるように構成されたスイッチコントローラをさらに備える。バー状態では、第１の入力ポートに提供される第１の入力信号の所望の帯域幅部分を第１の出力ポートに通過させ、第２の入力ポートに提供される第２の入力信号の所望の帯域幅部分が第２の出力ポートに提供される。クロス状態では、第１の入力ポートに提供される第１の入力信号の所望の帯域幅部分を第２の出力ポートに通過させ、第２の入力ポートに提供される第２の入力信号の所望の帯域幅部分が第１の出力ポートに提供される。

超電導クロスバースイッチシステムの一例を示す図。 クロスバースイッチ回路および関連するバイアス要素の概略図。 アジレント（Ａｇｉｌｅｎｔ）社のＡＤＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）ツールを用いたシミュレーションで利用されるクロスバースイッチ回路の概略回路図。 図３の回路のＳパラメータシミュレーションのグラフ。 ４次チェビシェフフィルタ設計のＳパラメータシミュレーションのグラフ。

本開示は、一般に超電導回路に関し、より詳細には、超電導クロスバースイッチングシステムに関する。超電導クロスバースイッチングシステムは、スイッチコントローラとバイアス要素とを含むスイッチ制御システムを備えた超電導クロスバースイッチを含む。クロスポイントまたは変圧器スイッチとしても知られている超電導クロスバースイッチは、バイアス要素およびスイッチコントローラを介して磁束によって制御される可変インダクタンス結合要素を使用して、スイッチの異なるセクションを相互に結合したり、互いに分離したりして、バー状態とクロス状態との間で切り替える。超電導クロスバースイッチは、極低温で動作し、実質的に電力を散逸せず、単一磁束量子（ＳＦＱ）適合信号で制御することができる。

１つの例では、可変インダクタンス結合要素は、接合部が可変結合要素として機能する結合共振器フィルタトポロジーとして実施されるマイクロ波バンドパスフィルタ回路に組み込まれたジョセフソン接合であり得る。ジョセフソン接合のインダクタンスは、異なるフィルタセクション（例えば、共振器）を互いに結合してこれらの結合セクションを介して信号を通過させるための低インダクタンス状態と、異なるフィルタセクションを互いに分離して信号が分離されたセクションを通過するのをブロックするための高インダクタンス状態との間で切り替えることができる。ジョセフソン接合は、超電導クロスバースイッチをバー状態とクロス状態との間で切り替えてクロスバースイッチを通過する信号の経路を変更するように構成および制御することができる。可変インダクタンス結合要素は、単一のジョセフソン接合またはＮ個のジョセフソン接合の直列アレイとして構成することができ、各ジョセフソン接合は、オリジナルのジョセフソン接合よりもＮ倍大きい臨界電流を有する。

図１は、超電導クロスバースイッチシステム１０の一例を示す。超電導クロスバースイッチシステム１０は、バーモードにおいて、第１の入力ポートまたは端子（ＩＮ_１）からの第１の信号を第１の出力ポートまたは端子（ＯＵＴ_１）にルーティングし、第２の入力ポートまたは端子（ＩＮ_２）からの第２の信号を第２の出力ポートまたは端子（ＯＵＴ_２）にルーティングし、クロスモードにおいて第１の入力ポート（ＩＮ_１）からの第１の信号を第２の出力ポート（ＯＵＴ_２）に、第２の入力ポート（ＩＮ_２）からの第２の信号を第１の出力ポートにルーティングする。超電導クロスバースイッチシステム１０は、個々の入力ポートから所望のセクションを通って個々の選択された出力ポートに達する信号の所望な部分（例えば、特定の周波数帯域幅）に対応することができるバンドパスフィルタリングされた出力信号を提供することができる。さらに、信号の所望でない部分のいずれもフィルタネットワークを通って出力ポートのいずれにも達しないように信号の所望でない部分がブロックされる。

超電導クロスバースイッチシステム１０は、様々な超電導回路システムのいずれかに実装されて、２つの入力ポートと２つの出力ポートとの間の信号のスイッチ制御を２つの代替経路の間で提供することができる。一例として、信号は、量子ビット（ｑｕｂｉｔ）に対してゲート動作または読み出し動作を実行するなど、量子回路の制御方式で実施されるマイクロ波信号であってもよい。別の例として、信号は、信号パルス、通信信号、または制御コマンド信号であってもよい。超電導クロスバースイッチは、極低温で動作し、実質的に電力を散逸せず、単一磁束量子（ＳＦＱ）適合信号で制御することができる。

一例として、超電導スイッチシステム１０は、超電導クロスバースイッチ１２を含み、超電導クロスバースイッチ１２は、マイクロ波バンドパスフィルタネットワークから形成され、マイクロ波バンドパスフィルタネットワークは、１つまたは複数の第１の入力共振器または極としてのフィルタネットワーク１２の第１の入力部、１つまたは複数の第２の入力共振器または極としてのフィルタネットワーク１２の第２の入力部、１つまたは複数の第１の出力共振器または極としてのフィルタネットワークの第１の出力部、および１つまたは複数の第２の出力共振器または極としてのフィルタネットワークの第２の出力部を構成する１つまたは複数のインピーダンス素子（即ち、コンデンサ、インダクタ）を含む。超電導クロスバースイッチシステム１０は、スイッチコントローラ１８およびバイアス要素１６を含む。超電導クロスバースイッチ１２は、バイアス要素１６およびスイッチコントローラ１８を介して磁束によって制御される可変インダクタンス結合要素を使用して、バー状態またはクロス状態のいずれかの選択されたモードに基づいて、各入力の第１および第２の入力共振器を第１および第２の出力共振器の各々の個々の１つに結合したり、切り離したりする。

可変インダクタンス結合要素は、ジョセフソン接合とすることができる。ジョセフソン接合のインダクタンスは、異なるフィルタセクション（例えば、共振器または極）を相互に結合して信号をこれらの結合セクションを通過させる低インダクタンス状態と、異なるフィルタセクションを切り離して信号が切り離されたセクションを通過するのをブロックする高インダクタンス状態との間で切り替えられる。ジョセフソン接合は、超電導クロスバースイッチをバー状態とクロス状態との間で切り替えて、クロスバースイッチを通過する信号のルーティングを制御するために低インダクタンス状態と高インダクタンス状態との間で調整および制御される。ジョセフソン接合は、ＳＱＵＩＤブリッジ回路構成１４において、ＲＦ ＳＱＵＩＤまたはＳＱＵＩＤの要素として構成することができる。

ＳＱＵＩＤブリッジ回路構成１４（図２に示す）は、第１のジョセフソン接合の両側に結合された第１のインダクタおよび第３のインダクタを含む第１のＳＱＵＩＤを含むことができ、第１のインダクタは、フィルタ回路の第１の極または第１の共振器の少なくとも一部を形成し、第３のインダクタは、フィルタ回路の第３の極または第３の共振器の少なくとも一部を形成する。第２のＳＱＵＩＤは、第２のジョセフソン接合の両側に結合された第２のインダクタおよび第３のインダクタによって形成され、第３のＳＱＵＩＤは、第３のジョセフソン接合の両側に結合された第１のインダクタおよび第４のインダクタによって形成され、第４のＳＱＵＩＤは、第４のジョセフソン接合の両側に結合された第２のインダクタおよび第４のインダクタによって形成される。第２のインダクタは、フィルタ回路の第２の極または第２の共振器の少なくとも一部を形成し、第４のインダクタは、フィルタ回路の第４の極または第４の共振器の少なくとも一部を形成する。

ジョセフソン接合は、個々のＳＱＵＩＤにおいて電流または低電流が誘導されていないときには第１のインダクタンスを有し、例えば、約０．１Φ_０よりも大きく約０．４５Φ_０よりも小さい（ここで、Φ_０は磁束量子と等しい）磁束を生成または誘導する所定の閾値にある電流またはより高い電流が個々のＳＱＵＩＤにおいて誘導されるときには第２のインダクタンスを有する。第１のインダクタンス（例えば、η／２ｅ＊１／Ｉ_Ｃ、ηはプランク定数を２πで割ったもの、ｅは電子電荷、Ｉ_Ｃはジョセフソン接合の臨界電流）は、所望のセクションの両端間で入力信号の所望の帯域幅部分を通過させることができるようにする等の、フィルタネットワークのセクション間の結合を提供することができる。第２のインダクタンス（例えば、大きなインダクタンス値）は、所望とされないセクションの両端間で入力信号の所望の帯域幅部分の通過がブロックされるようにする等の、フィルタネットワークのセクション間の分離を提供することができる。

一例では、フィルタネットワークの第１の極は第１の入力ポートに結合され、フィルタネットワークの第２の極は第２の入力ポートに結合される。さらに、フィルタネットワークの第３の極は第１の出力ポートに結合され、フィルタネットワークの第４の極は第２の出力ポートに結合される。バー状態では、第２のＳＱＵＩＤと第４のＳＱＵＩＤに磁束が誘導され、第２および第４のジョセフソン接合が高いインダクタンスを有し、第１のＳＱＵＩＤと第３のＳＱＵＩＤにでは磁束が誘導されずに第１および第３のジョセフソン接合が低いインダクタンスを有する。これにより、第１の信号が第１の入力ポートから第１の極および第３の極を通って第１の出力ポートに達することができ、第１の信号が第４の極を介して第２の出力ポートに達するのをブロックすることができる。さらに、第２の信号は、第２の入力ポートから第２の極および第４の極を通って第２の出力ポートに達することができ、第２の信号が第３の極を通って第１の出力ポートに達するのをブロックすることができる。

クロス状態では、第１のＳＱＵＩＤおよび第３のＳＱＵＩＤに磁束を誘導して、第１および第３のジョセフソン接合が高いインダクタンスを有し、磁束は第２のＳＱＵＩＤおよび第４のＳＱＵＩＤには誘導されず、第２および第４のジョセフソン接合は低いインダクタンスを有する。これにより、第１の信号が第１の入力ポートから第１の極および第４の極を通って第２の出力ポートに達することができ、第１の信号が第３の極を介して第１の出力ポートに達するのをブロックすることができる。さらに、第２の信号は、第２の入力ポートから第２の極および第３の極を通って第１の出力ポートに達することができ、第２の信号が第４の極を介して第２の出力ポートに達するのをブロックすることができる。

図２は、クロスバースイッチ回路３０および関連するバイアス要素の概略図を示す。クロスバースイッチ回路は、ポート１とラベル付けされた第１の入力ポートと、ポート２とラベル付けされた第２の入力ポートと、ポート３とラベル付けされた第１の出力ポートと、ポート４とラベル付けされた第２の出力ポートとを有するバンドパスフィルタから形成される。電流は、第１の入力ポート１に関連する極または共振器に誘導結合され、かつ第２の入力ポート２に関連する極または共振器に誘導結合された第１の制御線３２を介して供給される。電流は、また第１の出力ポート３に関連する極または共振器に結合され、かつ第２の出力ポート４に関連する極または共振器に誘導結合された第２の制御線３４を介して提供される。第１の形態（例えば、バー状態）と第２の形態（例えばクロス状態）との両方において、電流が第１の制御線３２を介して磁束１インから磁束１アウトへの方向に流れる。第１の形態では、電流は第２の制御線３４を介して磁束２インから磁束２アウトの方向に流れ、その結果、ポート１における第１の信号がポート３にルーティングされ、ポート２における第２の信号がポート４にルーティングされ、それ以外のポートのペアの組み合わせはすべて相互に分離される。第２の形態では、電流は第２の制御線３４を介して磁束２アウトから磁束２インの方向に流れ、その結果、ポート１における第１の信号がポート４にルーティングされ、ポート２における第２の信号がポート３にルーティングされ、それ以外のポートのペアの組み合わせはすべて相互に分離される。

図２を参照すると、第２の形態に関してポート１からポート４への信号伝搬について考慮する。ポート１からの信号は、バンドパスフィルタに入力結合容量を提供する直列カップリングコンデンサＣ_ｃ１を介して回路に入る。その後、信号は、フィルタの第１の極を形成する、Ｃ_ｒ１とＬ_１との並列結合からなる分岐共振器を通過する。次に、信号は接合部Ｊ_３を介してＣ_ｒ４とＬ_４の並列結合によって形成されたフィルタの第４の極に結合され、最後に出力カップリングコンデンサＣ_ｃ４を介してポート４を出る。ポート２から入る信号は同様にＣ_ｒ２｜｜Ｌ_２およびＣ_ｒ３｜｜Ｌ_３とカップリング素子Ｃ_ｃ２、Ｊ_２、Ｃ_ｃ３によって形成されたバンドパスフィルタを通過させることによりポート３に向けられる。制御磁束は、この設定において、制御磁束によって決定されるようなこれらの接合部の高インダクタンス状態によって、信号が接合部Ｊ_１およびＪ_４を伝搬することができないように構成される。

第１の形態において、制御磁束Ｊ_２およびＪ_３は高インダクタンス状態にあり、Ｊ_１およびＪ_４は低インダクタンス状態にある。この第１の形態では、ポート１からの信号は、極Ｃ_ｒ１｜｜Ｌ_１およびＣ_ｒ３｜｜Ｌ_３およびカップリング素子Ｃ_ｃ１、Ｊ_１およびＣ_ｃ３によって形成されたバンドパス通過フィルタを介してポート３にルーティングされ、ポート２からの信号は極Ｃ_ｒ２｜｜Ｌ_２およびＣ_ｒ４｜｜Ｌ_４およびカップリング素子Ｃ_ｃ２、Ｊ_４、Ｃ_ｃ４によって形成されたバンドパスフィルタを介してポート４にルーティングされる。

接合部Ｊ_１〜Ｊ_４の各々は、回路の２つのノード間に接続され、２つのノードは接地されたインダクタにも接続されている。例えば、Ｊ_１は、接地されたインダクタＬ_１およびＬ_３に接続されている。したがって、接合部の各々は、ＲＦ ＳＱＵＩＤを形成する超電導誘導ループ内に組み込まれている。ＲＦ ＳＱＵＩＤループがゼロ印加の磁束を含むとき、関連する接合部は低インダクタンス状態にあり、マイクロ波信号の伝送が可能となる。ＲＦ ＳＱＵＩＤループがΦ_０／２の実質的なフラクションである外部から印加された磁束を含む場合、関連する接合部は高インダクタンス状態にあり、マイクロ波信号の伝送が可能とはならない。したがって、回路を通るマイクロ波信号が伝搬する経路は、各ＲＦ ＳＱＵＩＤループに印加される磁束によって制御される。

例えば、実質的にゼロである磁束Φ_ＯＮは、接合部の低インダクタンス状態に対応し、磁束±Φ_ＯＦＦは、±Φ_０／２の有意なフラクションであり、かつ接合部の高インダクタンス状態に対応する。例えば、制御線３２のポート「磁束１イン」からポート「磁束１アウト」に電流を供給して、図２の変圧器を介してインダクタＬ_１に結合された磁束が、（Φ_ＯＦＦ＋Φ_ＯＮ）／２となり、変圧器を介してインダクタＬ_２に結合された磁束は、−（Φ_ＯＦＦ＋Φ_ＯＮ）／２（変圧器の対向巻線による負の符号）となるようにすることができる。さらに、制御線３４のポート「磁束２イン」から「磁束２アウト」に電流を供給して、変圧器を介してインダクタＬ_４に結合された磁束が（Φ_ＯＦＦ−Φ_ＯＮ）／２となり、インダクタＬ_３に結合された磁束が−（Φ_ＯＦＦ−Φ_ＯＮ）／２（変圧器の対向巻線による負の符号）となるようにすることができる。

この状況では、Ｌ_１−Ｊ_３−Ｌ_４のＲＦ ＳＱＵＩＤが含む磁束は、（Φ_ＯＦＦ＋Φ_ＯＮ）／２＋（Φ_ＯＦＦ−Φ_ＯＮ）／２＝Φ_ＯＦＦであり、Ｊ_３は高インダクタンス状態にある。同様に、Ｌ_２−Ｊ_２−Ｌ_３のＲＦ ＳＱＵＩＤが含む磁束は、−（Φ_ＯＦＦ＋Φ_ＯＮ）／２−（Φ_ＯＦＦ−Φ_ＯＮ）／２＝−Φ_ＯＦＦであり、接合Ｊ_２も高インダクタンス状態である。Ｊ_１とＪ_４が低インダクタンス状態になるように、Ｌ_１−Ｊ_１−Ｌ_３ループとＬ_４−Ｊ_４−Ｌ_２ループにおいて同じ形態で±Φ_ＯＮが与えられる。この制御電流の形態では、ポート１はポート３に接続され、ポート２はポート４に接続される。「磁束２」ラインに供給された電流の符号が逆転すると、電流が「磁束２アウト」から「磁束２イン」に流れ、接合部Ｊ_１およびＪ_４が高インダクタンス状態となり、接合部Ｊ_２およびＪ_３が低インダクタンス状態となるので、ポート１は今度はポート４に接続され、ポート２は今度はポート３に接続される。

図３は、アジレント社のＡＤＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）ツールを用いたシミュレーションで利用されるクロスバースイッチ回路４０の概略回路図を示す。インダクタＬ_２１、Ｌ_２８、Ｌ_２７、Ｌ_２２は、ジョセフソン接合を表す。素子の値は、入力コンデンサと出力コンデンサ（Ｃ２８、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ３９）がすべて０．４８ｐＦであり、分岐コンデンサ（Ｃ２９、Ｃ３０、Ｃ４３、Ｃ４４）がすべて０．６２５ｐＦであり、分岐インダクタ（Ｌ３１＋Ｌ１８、Ｌ３２＋Ｌ１９、Ｌ３４＋Ｌ３３、Ｌ３６＋Ｌ３５）が全て４２９ｐＨであり、かつ例えばＬ３４／（Ｌ３４＋Ｌ３３）＝０．９５となるようにタッピングされる。低インダクタンス状態の接合公称インダクタンスはすべて８８２ｐＨであり、高インダクタンス状態は公称値よりも５０倍大きいインダクタンスを有する。素子の値は、信号経路が２次バターワース（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ）バンドパスフィルタ応答に近似するように選択されている。Ｔｅｒｍ１およびＴｅｒｍ３は第１および第２の入力ポートを表し、Ｔｅｒｍ２およびＴｅｒｍ４は第１および第２の出力ポートを表す。

図４は、図３の回路のＳパラメータシミュレーションのグラフ４０を示す。グラフ５０において、スイッチは「バー」位置にあり、Ｔｅｒｍ１をＴｅｒｍ２に接続し、Ｔｅｒｍ３をＴｅｒｍ４に接続する。図示のように、接続されたポート間の伝送は、挿入損失が非常に低く、帯域幅が４ＧＨｚに近い設計されたバターワースフィルタ応答に追従している。同時に、互いに接続されていないポート（図のＳ_２３、Ｓ_４１、およびＳ_３１）は、３０ｄＢ以上の分離を示す。異なる伝達特性を有するクロスバースイッチ回路のいくつかのバージョンを設計することができることが理解されるべきである。例えば、４次チェビシェフ（Ｃｈｅｂｙｃｈｅｖ）フィルタ設計で構築されたスイッチは、図５に示すように、ＡＤＳツールを利用する４次チェビシェフのＳパラメータシミュレーションのグラフ６０に示すように、Ｓパラメータ特性を提供する。したがって、本明細書で説明するクロスバースイッチは、例えば、帯域幅、リップル、数またはセクション、リターンロスなどの要件を満たすために、様々な異なるフィルタ構成で実施することができる。

制御信号がＲＦ信号よりもはるかに強くなり、制御信号帯域からＲＦ信号帯域への電流の漏れが懸念されることがあることを理解されたい。この漏れを最小にするために、制御信号をフィルタの阻止帯域に制限することができる。漏れは、帯域がＲＦ通過帯域の帯域と重ならないローパスフィルタを介して制御信号を印加することによってさらに低減することができる。上記の例では、最大２ＧＨｚのスイッチング速度を実現する必要がある。

スイッチを介してルーティングすることができるＲＦ信号の強度は、基本的に接合部の臨界電流によって制限される。上記の例では、スイッチを通過できる最大ＲＦパワーは約−９０ｄＢｍである。接合部Ｊ_１〜Ｊ_４の各々を、オリジナルの接合部よりもＮ倍大きい臨界電流を有するＮ個の接合部の直列アレイに置き換えることにより、最大電力を増加させるようにクロスバースイッチ回路を設計することができることを理解されたい。例えば、Ｎ＝１０（１０個の接合部で、各接合部が１０倍高い臨界電流を有する）は、最大電力を２０ｄＢ増加させる。

上述したことは、本発明の例である。当然のことながら、本発明を説明する目的で構成要素または方法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者であれば、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれるそのような変更、修正、および変形をすべて包含することが意図されている。
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
超電導スイッチシステムであって、
第１の入力ポートを第１の出力ポートに結合する第１の超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と、
第２の入力ポートを前記第１の出力ポートに結合する第２のＳＱＵＩＤと、
前記第１の入力ポートを第２の出力ポートに結合する第３のＳＱＵＩＤと、
前記第２の入力ポートを前記第２の出力ポートに結合する第４のＳＱＵＩＤと、
前記第１のＳＱＵＩＤ、前記第２のＳＱＵＩＤ、前記第３のＳＱＵＩＤおよび前記第４のＳＱＵＩＤを通る誘導電流量を制御して、前記第１の入力ポートに供給された第１の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第１の出力ポートに通過させ、かつ前記第２の入力ポートに供給された第２の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第２の出力ポートに通過させるバー状態と、前記第１の入力ポートに供給された第１の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第２の出力ポートに通過させ、かつ前記第２の入力ポートに供給された第２の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第１の出力ポートに通過させるクロス状態との間で交互に切り替えるように構成されたスイッチコントローラとを備え、
前記第１のＳＱＵＩＤは、第１の共振器、第１のジョセフソン接合、および第３の共振器から形成され、前記第２のＳＱＵＩＤは、第２の共振器、第２のジョセフソン接合、および第３の共振器から形成され、前記第３のＳＱＵＩＤは、前記第１の共振器、第３のジョセフソン接合、および第４の共振器から形成され、前記第４のＳＱＵＩＤは、前記第２の共振器、第４のジョセフソン接合、および前記第４の共振器から形成され、
前記第１の入力ポートと前記第１の共振器との間に結合された第１のカップリングコンデンサと、前記第２の入力ポートと前記第２の共振器との間に結合された第２のカップリングコンデンサと、前記第１の出力ポートと前記第３の共振器との間に結合された第３のカップリングコンデンサと、前記第２の出力ポートと前記第４の共振器との間に結合された第４のカップリングコンデンサとをさらに備える超電導スイッチシステム。
［付記２］
超電導クロスバースイッチシステムであって、
第１の入力ポートを第１の出力ポートに結合する第１の超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と、第２の入力ポートを前記第１の出力ポートに結合する第２のＳＱＵＩＤと、前記第１の入力ポートを第２の出力ポートに接続する第３のＳＱＵＩＤと、第２の入力ポートを前記第２の出力ポートに接続する第４のＳＱＵＩＤとを含むフィルタネットワークであって、前記第１のＳＱＵＩＤは、第１の共振器、第１のジョセフソン接合、および第３の共振器から形成され、前記第２のＳＱＵＩＤは、第２の共振器、第２のジョセフソン接合、および第３の共振器から形成され、前記第３のＳＱＵＩＤは、前記第１の共振器、第３のジョセフソン接合、および第４の共振器から形成され、前記第４のＳＱＵＩＤは、前記第２の共振器、第４のジョセフソン接合、および前記第４の共振器から形成されて、前記第１の共振器が前記第１の入力ポートと前記第１および第３のジョセフソン接合との間に結合され、前記第２の共振器が前記第２の入力ポートと前記第２および第４のジョセフソン接合との間に結合され、前記第３の共振器が前記第１の出力ポートと前記第１及び第２のジョセフソン接合との間に結合され、前記第４の共振器が前記第２の出力ポートと前記第３及び第４のジョセフソン接合との間に結合される、前記フィルタネットワークと、
前記第１のＳＱＵＩＤ、前記第２のＳＱＵＩＤ、前記第３のＳＱＵＩＤおよび前記第４のＳＱＵＩＤを通る誘導電流量を制御して、前記第１の入力ポートに供給された第１の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第１の出力ポートに通過させ、かつ前記第２の入力ポートに供給された第２の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第２の出力ポートに通過させるバー状態と、前記第１の入力ポートに供給された第１の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第２の出力ポートに通過させ、かつ前記第２の入力ポートに供給された第２の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第１の出力ポートに通過させるクロス状態との間で交互に切り替えるように構成されたスイッチコントローラとを備える超電導クロスバースイッチシステム。
［付記３］
前記スイッチコントローラは、前記第１の共振器および前記第２の共振器に誘導結合された第１の磁束バイアス制御線に流れる電流量と、前記第３の共振器および前記第４の共振器に結合された第２の磁束バイアス制御線に流れる電流量と、前記第１の磁束バイアス制御線および前記第２の磁束バイアス制御線の一方を流れる電流の極性とを制御して、バー状態とクロス状態との間でシステムを交互に切り替える、付記２に記載のシステム。
［付記４］
前記第１の入力ポートと前記第１の共振器との間に結合された第１のカップリングコンデンサと、前記第２の入力ポートと前記第２の共振器との間に結合された第２のカップリングコンデンサと、前記第１の出力ポートと前記第３の共振器との間に結合された第３のカップリングコンデンサと、前記第２の出力ポートと前記第４の共振器との間に結合された第４のカップリングコンデンサとをさらに備える付記２に記載のシステム。

Claims (15)

1. 超電導クロスバースイッチシステムであって、
   第１の可変インダクタンス結合要素を介して第１の出力ポートに、かつ第３の可変インダクタンス結合要素を介して第２の出力ポートに結合される第１の入力ポートと、
   第２の可変インダクタンス結合要素を介して第１の出力ポートに、かつ第４の可変インダクタンス結合要素を介して第２の出力ポートに結合される第２の入力ポートと、
   バー状態において、前記第１および第４の可変インダクタンス結合要素を低インダクタンスに設定し、かつ前記第２および第３の可変インダクタンス結合要素を高インダクタンスに設定して、前記第１の入力ポートと前記第１の出力ポートとの間および前記第２の入力ポートと前記第２の出力ポートとの間の信号の選択的なルーティングを可能にし、クロス状態において、前記第１及び第４の可変インダクタンス結合要素を高インダクタンスに設定し、かつ前記第２及び第３の可変インダクタンス結合要素を低インダクタンスに設定して、前記第１の入力ポートと前記第２の出力ポートとの間および前記第２の入力ポートと前記第１の出力ポートとの間の信号の選択的なルーティングを可能にするように構成されたスイッチコントローラと
   を備える超電導クロスバースイッチシステム。
2. 前記第１、第２、第３および第４の可変インダクタンス結合要素は、それぞれ、Ｎ個のジョセフソン接合の直列アレイであり、各ジョセフソン接合が単一のジョセフソン接合よりもＮ倍大きい臨界電流を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 第１の可変インダクタンス結合要素が第１のジョセフソン接合であり、第２の可変インダクタンス結合要素が第２のジョセフソン接合であり、第３の可変インダクタンス結合要素が第３のジョセフソン接合であり、前記第４の可変インダクタンス結合要素が第４のジョセフソン接合である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１の入力ポートと前記第１及び第３のジョセフソン接合との間に結合された第１の共振器と、前記第２の入力ポートと前記第２及び第４のジョセフソン接合との間に結合された第２の共振器と、前記第１の出力ポートと前記第１および第２のジョセフソン接合との間に結合された第３の共振器と、前記第２の出力ポートと前記第３及び第４のジョセフソン接合との間に結合された第４の共振器とをさらに備える請求項３に記載のシステム。
5. 前記第１、第２、第３及び第４の共振器はそれぞれ、バンドパスフィルタの極の少なくとも一部を形成する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１の入力ポートと前記第１の共振器との間に結合された第１のカップリングコンデンサと、前記第２の入力ポートと前記第２の共振器との間に結合された第２のカップリングコンデンサと、前記第１の出力ポートと前記第３の共振器との間に結合された第３のカップリングコンデンサと、前記第２の出力ポートと前記第４の共振器との間に結合された第４のカップリングコンデンサとをさらに備える請求項４に記載のシステム。
7. 前記スイッチコントローラは、前記第１の共振器および前記第２の共振器に誘導結合された第１の磁束バイアス制御線に流れる電流量と、前記第３の共振器および前記第４の共振器に結合された第２の磁束バイアス制御線に流れる電流量と、前記第１の磁束バイアス制御線および前記第２の磁束バイアス制御線のうちの一方を通る電流の極性とを制御して、バー状態とクロス状態との間でシステムを交互に切り替える、請求項４に記載のシステム。
8. 前記第１の共振器、前記第１のジョセフソン接合および前記第３の共振器が第１の超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を形成し、前記第２の共振器、前記第２のジョセフソン接合および前記第３の共振器が第２のＳＱＵＩＤを形成し、前記第１の共振器、前記第３のジョセフソン接合および前記第４の共振器が第３のＳＱＵＩＤを形成し、前記第２の共振器、前記第２のジョセフソン接合および前記第４の共振器が第４のＳＱＵＩＤを形成する、請求項４に記載のシステム。
9. 前記スイッチコントローラは、バー状態において、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第４のＳＱＵＩＤがゼロの正味の磁束を有し、前記第２のＳＱＵＩＤおよび前記第３のＳＱＵＩＤが０．１Φ_０から０．４５Φ_０の正味の磁束を有し、ここでΦ_０は磁束量子と等しく、クロス状態において、前記第２のＳＱＵＩＤおよび前記第３のＳＱＵＩＤがゼロの正味の磁束を有し、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第４のＳＱＵＩＤが０．１Φ_０から０．４５Φ_０の正味の磁束を有するように電流および電流の極性を提供し、ここで、Φ_０は、磁束量子と等しい、請求項８に記載のシステム。
10. 超電導スイッチシステムであって、
    第１の入力ポートを第１の出力ポートに結合する第１の超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と、
    第２の入力ポートを前記第１の出力ポートに結合する第２のＳＱＵＩＤと、
    前記第１の入力ポートを第２の出力ポートに結合する第３のＳＱＵＩＤと、
    前記第２の入力ポートを前記第２の出力ポートに結合する第４のＳＱＵＩＤと、
    前記第１のＳＱＵＩＤ、前記第２のＳＱＵＩＤ、前記第３のＳＱＵＩＤおよび前記第４のＳＱＵＩＤを通る誘導電流量を制御して、前記第１の入力ポートに供給された第１の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第１の出力ポートに通過させ、かつ前記第２の入力ポートに供給された第２の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第２の出力ポートに通過させるバー状態と、前記第１の入力ポートに供給された第１の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第２の出力ポートに通過させ、かつ前記第２の入力ポートに供給された第２の入力信号の所望の帯域幅部分を前記第１の出力ポートに通過させるクロス状態との間で交互に切り替えるように構成されたスイッチコントローラと
    を備える超電導スイッチシステム。
11. 前記第１のＳＱＵＩＤは、第１の共振器、第１のジョセフソン接合、および第３の共振器から形成され、前記第２のＳＱＵＩＤは、第２の共振器、第２のジョセフソン接合、および第３の共振器から形成され、前記第３のＳＱＵＩＤは、前記第１の共振器、第３のジョセフソン接合、および第４の共振器から形成され、前記第４のＳＱＵＩＤは、前記第２の共振器、第４のジョセフソン接合、および前記第４の共振器から形成される、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１の共振器は、前記第１の入力ポートと前記第１及び第３のジョセフソン接合との間に結合され、前記第２の共振器は、前記第２の入力ポートと前記第２及び第４のジョセフソン接合との間に結合され、前記第３の共振器は、前記第１の出力ポートと前記第１及び第２のジョセフソン接合との間に結合され、前記第４の共振器は、前記第２の出力ポートと前記第３及び第４のジョセフソン接合との間に結合される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記スイッチコントローラは、前記第１の共振器および前記第２の共振器に誘導結合された第１の磁束バイアス制御線に流れる電流量と、前記第３の共振器および前記第４の共振器に結合された第２の磁束バイアス制御線に流れる電流量と、前記第１の磁束バイアス制御線および前記第２の磁束バイアス制御線の一方を流れる電流の極性とを制御して、バー状態とクロス状態との間で前記システムを交互に切り替える、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記第１、第２、第３及び第４の共振器はそれぞれ、バンドパスフィルタの極の少なくとも一部を形成する、請求項１１に記載のシステム。
15. 前記スイッチコントローラは、バー状態とクロス状態との間で選択するときに、バー状態において、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第４のＳＱＵＩＤがゼロの正味の磁束を有し、前記第２のＳＱＵＩＤおよび前記第３のＳＱＵＩＤが０．１Φ_０から０．４５Φ_０の正味の磁束を有し、ここでΦ_０は磁束量子と等しく、クロス状態において、前記第２のＳＱＵＩＤおよび前記第３のＳＱＵＩＤがゼロの正味の磁束を有し、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第４のＳＱＵＩＤが０．１Φ_０から０．４５Φ_０の正味の磁束を有するように電流および電流の極性を提供し、ここで、Φ_０は、磁束量子と等しい、請求項１０に記載のシステム。