JPS5943103B2 - ジヨセフソン・デバイス配列体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ジョセフソン・デバイスが分布した配列体、
特にジョセフソン・デバイスを電磁波に結合させる事に
よつてコヒーレンスが得られる配列体に関する。

多くの応用に関してジョセフソン・デバイスは非常に有
用である。

これらの応用には電圧標準、パラメトリック増幅器並び
にミリ波の発生及び検出回路が含まれ、ジョセフソン・
デバイスを直列に配置する動機を与えている。これら全
ての応用例は、もしジョセフソン・デバイスがコヒーレ
ントであれば、即ち位相ロックを達成するようにジョセ
フソン・デバイスの振動が結合されるならば、より良く
働くであろう。従来技術において、もしジョセフソン・
デバイスの直列鎖の中のデバイスがに、に、Ｌｉｌｔｈ
ａｒｅｖ） ＲｅｖｉｅｗｓｏｆＭｏｄｅｒｎＰｈｙｓ
ｉｃｓ、、５Ａ） １（１９７９）に示されるように互
いに相互作用するならばコヒーレンスが得られる事が知
られている。しかし不幸な事に直列配列中にあり且つ電
流源に接続されたジョセフソン・デバイスは分路素子が
存在しない時は電気的相互作用しない。ジョセフソン・
トンネル接合の直列配列体においてコヒーレンスを達成
するためのいくつかの研究についての文献が従来より知
られている。

これらの文献としては、Ｍｅｒｃｅｒｅａｕ他のＡｐｐ
ｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓｌ且、１８、４
６７（１９７４）に示される文献及びＪ、Ｅ、Ｍｅｒｃ
ｅｒｅａｕ他のＪ。Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、、４４、４（
１９７３）に示される論文があるが、これらの論文に示
される様に、隣接する接合の間の近接性を用いるか又は
、Ｊ、Ｅ。Ｌｕｋｅｎｓ他の工ＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔ
ｉｏｎｓｏｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ、、ＭＡＧ−１５、ｐ
、４６２（１９７９）；Ｊ、Ｅ、Ｌｕｋｅｎｓ他のＡＩ
ＰＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ遥４４
、ｐ、３２７（Ｃｈａｒｌｏｔｔｅｓｖｉｌｌｅ）１９
７８）■及びＪ、Ｅ。Ｌｕｋｅｎｓ他のＡＩＰＣｏｎｆ
ｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ遥４４、ｐ、２９
８（Ｃｈａｒｌｏｔｔｅｓｖｉｌｌｅ）１９７８）に示
されているように、接合の隣接対の間に接続された抵抗
又はインダクタ等の分路素子を用いる事が公知である。
Ｍｅｒｃｅｒｅａｕ他の文献においては、隣接する接合
間の協動及び相互作用を達成するために、接合は非常に
近接して、ミクロン程度の距離に配置される。

隣接する接合間の相互作用の機構は、１つの接合から隣
の接合へ準粒子が移動する直接相互作用型の機構である
。この構造は、準粒子の拡散長である特性長によつて特
徴付けられる。この拡散長は約１ミクロンであつて、こ
のため準粒子が１つの接合から隣の接合へ拡散し得る事
を保証するために接合は互いに非常に近接している。も
し直列中の１つの接合が電気的に短絡すると、１つの接
合からの準粒子は短絡した接合を通つて次ぎ隣りの短絡
していない接合へと長い距離を拡散できない可能性があ
るので、接合の直列鎖は破壊されるであろう。この構造
において、結合は各ジヨセフソン接合が次のジヨセフソ
ン接合に結合されている事に依存し、コヒーレンスは接
合の鎖全体の結合を維持する事に依存する。接合の１つ
が電気的に短絡する時に生じる問題に加えて、製造上の
観点からは準粒子の拡散長により要求される位に近接し
て接合を配置するのは困難であり、この事は使用し得る
製造処理技術に付加的な制限を与える。互いに直列に配
置され且つＤＣ電流が流れるジヨセフソン接合は、普通
互いに相互作用しない。

即ち各接合は他の接合と独立に動作し、協力効果は存在
しない。それらを相互作用させるために、望ましくはコ
ヒーレントに相互作用させるために、Ｍｅｒｃｅｒｅａ
ｕ他の近接方式は従来技術で提案されている技術の１つ
である。他の技術はＬｕｋｅｎｓ他の前記の文献に述べ
られているような分路素子の使用である。Ｌｕｋｅｎｓ
の技法では、ループを周回する電圧の和がゼロに等しい
というキルヒホフの法則に従う回路ループを分路素子が
作る事によつてジヨセフソン接合の対の間の結合を与え
る。

この場合、結合素子はジヨセフソン接合の隣接対に橋を
かけるのであつて、単一の隣接接合の間には配置されな
い。Ｌｕｋｅｎｓの技法は直列配列によつて発生又は検
出し得る波動の周波数に限界があり、上限は約３０ＧＨ
ｚである。また配列の大きさは、ジヨセフソン接合の振
動の波長である構造の特性長よりも非常に小さい。この
配列は約３０ＧＨｚ以上では制御されたコヒーレンスを
与える事ができず、１つの接合を他の接合に結合する時
に共振現象が関係しない。Ｌｕｋｅｎｓの方法では、最
隣接の結合のみが分路素子によつて与えられ、最隣接の
接合以外を結合するのは不可能である。直列接続された
ジヨセフソン接合及び分路素子から成るＬｕｋｅｎｓの
構造は興昧のある波長に比較して小さく、従つて製造が
より困難である。

さらにその高周波数限界は、最も望ましいものよりもか
なり低い本発明はこれらの従来技術の問題を克服し、コ
ヒーレンスの得られたジヨセフソン・デバイスの直列接
続を提供する。

コヒーレンスを与えるための技法は、デバイスの各々が
全体的構造、より具体的には全体的構造を占める電磁波
と相互作用する事による配列のジヨセフソン・デバイス
間の間接的結合を用いるものである。ジヨセフソン・デ
バイスは伝送線（即ち導波路型の構造）中に直列に配置
され、ジヨセフソン・デバイスの結合は伝送線に存在す
る電磁波によつて得られる。この直列配列は１００ＧＨ
ｚ以上の周波数においてコヒーレントに動作し得、且つ
サブ・ミリメートノＩ項域においてマイクロ・ワツト以
上のパワーを潜在的に発生し得る。従来技術と対照的に
、本発明は間隔の接近した接合の近接効果を使用せず、
従つてジヨセフソン・デバイスの間隔は準粒子の拡散長
内に制限されない。

さらに、本発明は周波数が制限されず、且つコヒーレン
スを与えるために最隣接結合に依存しない。配列全体の
大きさは興味のある特性長、この場合は線路に沿つて維
持される電磁波の波長よりも非常に大きくできる。従つ
て例えジヨセフソン・デバイスのあるものが電気的に短
絡しても依然として配夕１仲のコヒーレンスが得られる
。従つて本発明の王な目的は、ジヨセフソン電流が流れ
るデバイスの配列においてコヒーレンスを達成するため
の改良された技法及び装置を提供する事である。本発明
の他の目的は、少なくとも１００ＧＨｚの周波数におい
てかなりの大きさのパワーを発生するジヨセフソン・デ
バイスのコヒーレントな配列を提供する事である。

本発明の他の目的は、コヒーレンスを得るための方法に
おいてジヨセフソン・デバイスの配列を結合するために
電磁波を用いる事である。

本発明の他の目的は、配列の全長が配列の特性長よりも
大きいような、コヒーレンスを呈するジヨセフソン・デ
バイスの直列配列を提供する事である。

本発明の他の目的は、例えジョセフソン・デバイスのあ
るものが適正に動作しなくてもコヒーレンスを呈するジ
ヨセフソン・デバイスの直列配列を提供する事である。

本発明の他の目的は、最近接のジヨセフソン・デバイス
の相互作用がなくてもコヒーレントに動作するジヨセフ
ソン・デバイスの直列配列を提供する事である。

本発明は、配列中のデバイスの各々を電磁波に結合する
事によつてコヒーレンスが得られるジヨセフソン・デバ
イスの直列配列に係る。

ジヨセフソン・デバイスは、進行波、定常波又は孤立波
等の電磁波を支持できる伝送線に沿つて直列に配置され
る。伝送線の＝端又は両端にはＤＣ電流源が接続され、
線路の両端は使用される電磁波の型に従つて終端される
。即ち線路の両端はＤＣ終端及びＡＣ終端を有する。も
しジヨセフソン・デバイスを結合するために定常波が用
いられるならば、ＡＣ終端は波動に対して電気的短絡又
は電気的開放等の不整合を与えるものである。また伝送
線の特性インピーダンスに対して整合した終端は、線路
上に進行波が存在する事を可能にする。この構造におい
て、ジヨセフソン・デバイスは電磁波と相互作用し、伝
送線及びジヨセフソン・デバイスから成る構造に結合さ
れる。

伝送線は、構造自体を介してジヨセフソン・デバイス間
の良好な結合を許す制御可能な導波路構造を与える。電
磁波は、臨界電流１。以上にバイアスされたジヨセノソ
ン接合によつて、又は配列に電磁波を結合する配列外の
回路によつて発生させられる。本発明のジヨセフソン・
デバイスは、デバイスを通る電流及び電圧に関するジヨ
セフソン方程式に従う任意のデバイスである。それらの
デバイスには点接触、マイクロ・ブリツジ、弱結合及び
トンネル接合等が含まれる。従つてジヨセフソン・デバ
イスは、振動電流及び振動電圧を呈するものである。ジ
ヨセフソン・デバイスを直列接続する伝送線は制御可能
な導波構造を広く提供し、グランド板上に配置されたス
トリツプ線路、同軸線路、及び共平面線路を含む。

伝送線は、特定のモード、良く定義された特性インピー
ダンス及び伝播定数によつて特徴付けられ、確かな方法
でエネルギーを伝播させる。この点で、伝送線は波動の
特性の制御がより大きく限定される電流伝導導体とは異
なる。本発明の目的、特徴及び利点は以下の良好な実施
例に関するより具体的な記述からより明らかになるであ
ろう。

本発明の技法は、伝送線に沿つて直列に接続されたジヨ
セフソン・デバイスを結合させるために電磁波を使用す
る。

ジヨセフソン・デバイスの対を電気的に結合させるため
にデバイスの非常に接近した間隔（即ち最隣接相互作用
）又は分路接続された素子に依存せずに、本発明は各ジ
ヨセフソン・デバイスが電磁波と、従つて伝医線構造と
相互作用するような構造体を提供する。このようにして
直列配列中のジヨセフソン・デバイス間に間接的な結合
が生じ、全ジヨセフソン・デバイスが適正に動作するか
否かに無関係にコヒーレンスが得られる。第１図はスト
リツプ線路伝送線に沿つて直列に配置されたジヨセフソ
ン・デバイスの直列接続体の上面図である。

より詳細には、ジヨセフソン・デバイスは破線の円印Ｊ
１〜Ｊ５で表わされ、ストリツプ線路配列１０はグラン
ド板１４上に存在し且つそれから絶縁された導体１２よ
り成る。導体１２の一端は、ＤＣ電流源１８に至る直列
接続の抵抗Ｒ及びチヨークＣを有する電流伝導導体１６
に電気接続される。ストリツプ線路の他端はパツド２０
を経てグランド板１４に電気接続される。チヨークの機
能は高周波数の振動が電源１８に漏洩するのを防ぐ事で
あり、一方抵抗Ｒはストリツプ線路配列１０に送られる
電流の量を制御するために使われる。ストリツプ線路の
ＡＣ終端に依存して、進行波、定常波、又は孤立波がス
トリツプ線路１２の長手方向に形成され得る。これはジ
ヨセフソン・デバイスＪ１〜Ｊ５間の結合を生じさせる
。前に述べたようにジヨセフソン・デバイスＪ１〜Ｊ５
は次のジヨセフソン方程式に従う任意のデバイスであり
得る。

但し電圧ｖは磁束量子φｏに関係し、位相差θの時間変
化率に依存する。

電流１はジヨセフソン・デバイスを特徴付ける２つの波
動関数の間の位相差θに関係する。これらは既知の式で
あり、ジヨセフソン・デバイスは例えば弱結合、トンネ
ル接合、点接触、マイクロ・ブリツジ等、又はその組み
合せでもよい。ジヨセフソン・デバイスを直列接続する
ために使われる伝送線は典型的には、電磁波を制御可能
に誘導する導波路構造である。

そのような導波路の例は第１図〜第３図に示した型のマ
イクロ・ストリツプ線路（各ジヨセフソン接合を接続す
る超伝導体２４，２６，３８とグランド・プレーン１４
，３２とによつて構成されている）、同軸ケーブル、及
び２枚の平行な導体の平面状配置である。第２図は第１
図の構造の線２−２に沿つた側面図である。

第２図の素子の大きさは、構造の詳細をより容易に説明
するために第１図よりも拡大されている。第２図でジヨ
セフソン・デバイスＪ２，Ｊ３及びＪ４は薄いトンネル
障壁で隔てられた２つの電極から成るトンネル接合であ
る。グランド・プレーン１４はその上に電気絶縁層２２
を有する。この上に超伝導体２４が堆積され、接合Ｊ２
，Ｊ３及びＪ４の１つの電極となる。ジヨセフソン・デ
バイスの他方の電極は超伝導体層２６である。薄いトン
ネル障壁２８は各トンネル接合Ｊ２〜Ｊ４の電極間に形
成される。電気絶縁層３０は電極が互いに短絡するのを
防ぐために使われる。ＤＣ電流１ＤＣはＪ２のベース電
極に入り、薄い障壁層２８を経て対向電極２６にトンネ
ルする。次にこの電流は超伝導体２６を経てデバイスＪ
３に至る。電流はＪ３の薄い障壁層をトンネルし、再び
超伝導体層２４に人る。そして電流はジヨセフソン・デ
バイスＪ４に伝播し、障壁２８を通つて電極層２６にト
ンネルする。第３図は直列配列の１セグメントの斜視図
であり、配列の形に配列に接続された複数のジヨセフソ
ン・デバイスを設けるためにこのセグメントが反復され
る。

第３図の構造は、ジヨセフソン・デバイスのベース電極
と対向電極との間に絶縁を与えるための絶縁層３０が不
要な点で第２図と異なる。第３図で対向電極材料はジヨ
セフソン・デバイスのトンネル障壁上に直接堆積され、
伝送線に接続される。より詳細に見ると、超伝導グラン
ド・プレーン３２はその上に絶縁層３４を有する。

次に超伝導ベース電極３６が、伝送線３８と同じ堆積工
程で堆積される。従つてベース電極３６及び伝送線３８
は同じ材料から構成され得る。次に薄いトンネル障壁４
０が例えばベース電極３６の一部分を酸化する事によつ
て設けられる。この後対向電極４２がトンネル障壁４０
上に、そして伝送線３８に電気接点を形成するために堆
積される。伝送線３８は、伝送線にインダクタンスを与
えるための１つのターン・ループＬを有する。これは設
計者が線路を余りにも長くする事なく必要なインダクタ
ンスを得る事を可能にする。さらに直列配列の各セグメ
ントの抵抗を調整するためにベース電極及び対向電極に
またがつて並列に抵抗゛４４が形成される。以下説明す
る数学的取扱において抵抗及びインダクタンスの値を説
明する。数学的解析（第４図及び第５図） 実験的データによれば、この直列配列の電気力学がコヒ
ーレント効果を生じさせるという結論が導かれる。

振動的な進行波、孤立波及び定常波は全てこれらの直列
配列上に存在可能で、これらの波の存在によりコヒーレ
ンス効果が観察される。この解析において、１つのジヨ
セフソン・デバイス及び伝送線の一部を含む伝送線の各
セグメントの集中定数回路モデルを与える事が可能であ
る。第４図及び第５図はこれらの回路モデルを表わす。
第４図は直列接続されたジヨセフソン・デバイスを含む
伝送線構造の１セグメントのモデルを示す。伝送線は特
性インピーダンスＺ及び位相速度Ｖ１を有する。距離ｈ
は各ジヨセフソン・デバイスＪの間の距離である。ジヨ
セフソン・デバイスは臨界電流１ぃ分路抵抗Ｒｊ及び分
路キヤンパシタンスＣ・を有する。もし興昧のある波長
がＨｊに比べて大きければ、第４図のモデルは正確な表
現を与える。

第５図は複数のジヨセフソン・デバイスが直列に接続さ
れた伝送線発振器の等価回路である。

電流源４６はチヨークＣ及び抵抗Ｒを経て配列にＤＣ電
流。ｏを供給する。伝送線のインダクタンスはＬ１、キ
ャパシタンスはＣ１である。第５図に１０個のジヨセフ
ソン・デバイスＪ１〜ＪｌＯが示されているが、説明を
容易にするためジヨセフソン・キヤパシタンスＣ・及び
ジヨセフソン抵抗Ｒ・は図示していない。第４図の素子
を直列に配列したものに関して次のような差分方程式が
成立する。

但し、Ｐ（ｎ）はｎ番目の素子の位相差、Ｖ（ｎ）及び
Ｉ（ｎ）はｎ番目の素子の左側端子における電圧及び電
流である。

上式を導くに当つて、関係式Ｖ＝（φｏ／２π）Ｄｐ／
Ｄｔを用いた。長波長の極限では上記差分方程式は下記
の微分方程式で近似できる。（２）式は（ａ）式及び（
ｂ）式より、また（３）式ｃ）式より導かれる。但し φｏはフラキソイド量子、２．０７フエムト・ウエーバ
一である。

電流１はＩ。に規格化されている。またｐ（Ｘ．ｔ）は
位置Ｘ、時間ｔにおける接合にまたがる位相差である。
ｘ及びｔが添字として使われている場合、それらは各々
空間及び時間における微分を表わす。方程式（２）及び
（３）は、サインーゴルドン方程式とは異なる。後者は
分路ジヨセフソン素子を有する伝送線上の波動を記述す
るものである。一方、式（３）は孤立したジヨセフソン
接合に関する通常の運動方程式である。従つて配列中の
各接合は方程式（２）を通じて波動方程式に結合される
。ここでＶ２は結合定数の役割を演じる。即ちもしＶ２
が非常に大きくなれば（犬きな臨界電流）、結合は消滅
し、接合はもは相互作用しない。式（２）及び（３）の
形は、非線型光学で周知のある単純な方程式と一対一対
応を有するようなものである。

非線型分極率を有する媒質中を伝播する平面電磁波を記
述する方程式を得るには、Ｉを電場Ｅとし、Ｐを（位相
の代わりに）分極とすればよい。非線型性ＳｉｎＰは強
く、もしＩが１よりも大きければ、べき級数展開は不適
当である。そこで他のジヨセフソンの解析のように、ベ
ツセル展開が必要である。２つの方程式の間の結合も強
い可能性がある。

この結合は比Ｖｌ２／Ｖ２２によつて測られる。臨界電
流が数１０マイクロアンペア、接合の間隔が１００ミク
ロン、そして周波数がミリメートル乃至サブミリメート
ル領域の場合、その比を１のオーダーにする事が技術的
に可能である。位相速度Ｖ１及びＶ２は比Ｌｊ／Ｌ１を
制御する事によつて調整される。

Ｌ１はジヨセフソン・デバイス間の距離を調整する事に
よつて調整される。従つて距離ｈは通常、興昧のある波
長よりも短かい。もちろんストリツプ線路外の分路素子
も使用する事ができる。ジヨセフソン・インダクタンス
Ｌｊは臨界電流１。に依存し、これはジヨセフソン・デ
バイスに使用する材料及び製造工程によつて制御可能で
ある。電磁波結合は例えｈが興味のある波長よりも大き
くても起きる事に注意されたい。もつともここで説明し
た方程式は興味のある波長よりもｈが短かい場合のもの
である。実験結果 実験的な１０個のジヨセフソン・デバイス配列が、他の
ジヨセフソン回路の存在するチツプの小部分に製造され
た。

配列は、第１図及び第２図に関して説明したのと同様の
方式で、グランド板上のストリツプ線路によつて直列に
接続された１０個のジヨセフソン・トンネル接合より成
る。線路は特性インピーダンスＺ−１１．５オームを有
し、位相速度は７９ミクロン／ピコ秒であつた。トンネ
ル接合は直径が公称２．５ミクロンで、各々１３１ミク
ロン離れていた。１／４波共振器を形成するために、配
列は一端で接地され、他端では実質的に開放されていた
。

配列に関して測定された電流一電圧特性は、個個の接合
のスイツチングによるのではなくコヒーレンス効果が得
られた事を示した。

電流一電圧曲線の特徴は、配列全体が関係する共振によ
るものとして解釈する事が可能であつた。各接合にかか
る電圧は、配列に関して測定された電圧の１０分の１で
あり、従つて各接合のジヨセフソン周波数は１００ＧＨ
ｚのオーダーであつた。これは前述の伝送線パラメータ
を有する１／４波共振器に関する周波数レンジ内にある
。従つて電圧状態にあるジヨセフソン・トンネル接合は
波動を発生し且つ伝播させる事ができ、個々の接合は配
列全体にわたつてコヒーレンスを与える波動に結合され
る。シミユレーシヨン以上説明した実験のパラメータに
一致するパラメータを有する１０個の接合配列がデイジ
タル計算機でシミユレートされた。

アルゴリズムは、適当な境界条件の下での方程式（２）
及び（３）の逐次積分であつた。シミユレートされた電
流−電圧曲線は実験的に得られたものと同様である。Ｒ
ｊは測定とブ致するように５．５オームとして扱われ、
Ｃｊは最良の一致を示すように約０．４ピコフアラドに
調整された。シミユレーシヨンにおいて、定常波が検出
されるように配列中の各接合を通る電流をモニタする事
が可能である。

電流一電圧曲線上の各ステツプが、対応する定常波パタ
ーンを有し、順次のステツプが各々ノードを付加する事
が見い出された。定常波の振幅は小さくはない。ある場
合には臨界電流の４倍以上のピーク・ピーク電流振幅が
生じた。Ｉ−Ｖ曲線は実際に測定されたものと良好な一
致を示し、且つ波数がＩ−Ｖ曲線上の特徴と一対一に関
係する高い振幅の定常波をシミユレーシヨンが示すので
、ストリツプ線路中に埋設された直列のトンネル接合間
の強い電磁結合の良好な証拠が存在する。このシミユレ
ーシヨンは実験で使用した配列の特定のパラメータに関
するものである。

少し異なつたパラメータを用いたシミユレーシヨンはよ
り大きな定常波さえ発生した。これは各接合の臨界電流
が変化する事を許された時でも大きいままであつた。１
つのシミユレーシヨンでは±１０％の臨界電流変動を有
する、半波共振線中の１２個の接合を用いて、２００Ｇ
Ｈｚで１００オームの負荷に２０ナノワツト以上のパワ
ーが供給された。

直列配列に対する定常波の概念の関係が強く確立された
が、方程式（２）及び（３）に対する振動的及び孤立的
な進行波の解等の他の波動も得る事ができる。振動的な
進行波に関しては、式（２）及び（３）は時間がプラズ
マ周波数の逆数１／ωｐ ／Ｃ？下丁７Σ召；了の単位で、且つ変位がＶ１／ω，
の単位で表わされるように規格化する事ができる。

この解析において、進行波の予期される速度ｕ−ω／ｋ
で移動する基準系が採用された。但しωは規格化された
周波数、ｋは規格化された波数ベクトルである。従つて
進行波は新しい変数ｑ＝ωｔ−Ｋｘによつて記述される
。方程式（２）及び（３）を規格化し次に先程説明した
基準系で書き表わすと、電流１に関する式が得られる。

これらの方程式の近似解は次の通りである。ａ１が小さ
い場合ＳｉｎＰのベツセル展開を用いると、分散関係ω
２−ｇ＋Ｋ２が得られる。式（４）はこの分散関係に従
う振動的な進行波を表わす。孤立波孤立波は、線路に沿
つて一様に伝播する、２つの状態の間の局在化された遷
移である。

孤立波はジヨセフソン・デバイスがゼロ電圧状態の場合
に前述の直列配列上に存在し得る。方程式（２）及び（
３）を用い、平均印加電流がゼロ、平均電圧がゼロで、
減衰が無視し得ると仮定すると、安定な孤立波を解とし
て持つ運動方程式が導かれる。同じパラメ・一タを有す
る５１個のトンネル接合の直列配列を用いてデイジタル
計算機で孤立波の解がシミユレートされた。

シミユレーシヨンは孤立波の解の存在を確立した。定常
波 小信号の極限において定常波は反対方向に進行する２つ
の振動的な波動の重ね合せである。

ジヨセフソン接合の有限な配列は各端部において開放又
は短絡等の何らかの種類の不整合で終端する事ができ、
従つて反射が生じる。もし全部の接合が電圧状態にある
事を保証するのに充分な位のバイアス電流が存在すれば
、接合は発振し、定常波を形成する振動的な進行波を発
生する。ここで配列中の各接合の位相は他の全ての接合
の位相と同期される。物理的な描像において、この状況
は古典的なレーザーの理論と類似している。というのは
定常波が、その定常波を支持する媒質中に分散した振動
子の配列を同期化するからである。少なくともａ１が小
さい場合、Ｐ−ＰＯ＋ωｔ＋ＡｌｃＯｓｋｘｓｉｎｃＯ
ｔの形の定常波が方程式（２）及び（３）の自己無撞着
な解である事を示す事ができる。

この式は反対方向に移動する２つの進行波の重ね合せで
ある。この形の定常波は進行波の章で述べたのと同じ分
散関係に従う。同軸線路の実施例（第６図） 第６図はジヨセフソン・デバイスＪｌ，Ｊ２，Ｊ３・・
・・・ＪＮを相互接続する伝送線が同軸線路であるよう
な実施例を示す。

ＤＣ電流ＤＣは電源（図示せず）から抵抗Ｒを経て供給
される。もし必要であれば、第１図に関して説明したよ
うに抵抗Ｒと直列にチヨークを接続する事ができる。伝
送線セグメント４８は、内側の導体５０にジヨセフソン
・デバイスが接続され、同軸線路の外側のシールド５２
が接地された同軸線路である。大きな抵抗Ｒ１が電流源
入力において接地され、一方伝送線の他端はそのまま接
地される。従つて配列は１／４波共振器を形成する。ジ
ヨセフソン・デバイスＪ１〜ＪＮの間の間隔は周期的で
も、１０ｇ周期的でも、又他の任意の型の間隔でもよい
。

前に説明したように、もしここで用いた数学的関係に従
うならば、この間隔は興昧のある波長よりも典型的には
短かい。連続波動作とパルス的動作（第７図及び第８図
）この直列配列では誘導放出ジヨセフソン発振器の連続
波又はパルス的動作が可能である。

もしジヨセフソン・デバイスが臨界電流以上にバイアス
されると、それらは誘導放射を放出する。これらの誘導
放出特性は進行波型の増幅器中で用いる事ができ、もし
伝送線路が空胴として構成されれば発振器を作るのにも
使用できる。より詳細には第７図及び第８図の構造は、
ジヨセフソン・デバイスＪｌ，Ｊ２・・・・・・ＪＮを
相互接続する伝送線路５４から成る空胴を提供する。

ＤＣ電流１ＤＣはチヨークＣを通つて線路に与えられる
。伝送線５４の端部５６は接地され、一方他端はスイツ
チＳに接地され次いで他の伝送線５８、ここではシール
ドが接地された同軸線路に接続される。制御６０はスイ
ツチＳの状態をセツトするために使われる。スイツチは
他のジヨセフソン・デバーイスでも、又半導体デバイス
でもよい。スイツチは２つの安定な状態を持つ事ができ
、ジヨセフソン・デバイスＪ１〜ＪＮの直列接続から成
る空胴中の波動の形成を制御するために使われる。もし
スイツチＳが高電圧状態にあると、それは高いインピー
ダンスを示し、従つて線路５４を伝播する波動は反射さ
れ振幅が増加する。

制御６０からの信号によりスイツチＳが低電圧状態（従
つて低インピーダンス状態）に置かれると、直列配列か
ら出力伝送線５８にパワーが供給される。従つてスイツ
チＳは、空胴からパワーを移送するために空胴のＱが変
化するような、他の形式のレーザー及びマイクロ波構造
体のＱスイツチのように動作する。第８図の実施例は第
７図の実施例と同様であり、従つて同じ参照番号が用い
られている。

しかしＳはジヨセフソン・デバイス等のスイツチ可能デ
バイスではなくて抵抗である。第８図の回路の動作時に
スイツチの代わりに抵抗を使用すると、ジヨセフソン・
デバイスの出力を互いにコヒーレントに保つために、伝
送線及び直列接続されたジヨセフソン・デバイスから成
る空胴中にいくらかのパワーが残留する事が可能になる
。直列配列から成る伝送線空胴中で振動が形成されるが
、一部のエネルギーは出力伝医線５８に連続的に供給さ
れる。従つてこの抵抗の使用はレーザー又はメーザ一増
幅器における半透鏡の使用と類似のものである。これら
の配列は、接合が臨界電流よりも低くバイアスされた時
、非線型パラメトリツク増幅、高調波発生及び周波数変
換を行なう。臨界電流１。よりも低くバイアスされた時
、接合はゼロ電圧状態にあり、発振して電磁波を発生し
ない。それらは伝送線中の非線型インダクタであり、ア
ンテナ（第１２図）又は線路５４に接続された他の伝送
線（例えば線路５８は電磁波を線路５４に供給するため
に使う事ができよう）によつて線路５４に導入される電
磁波のパラメトリツク増幅を行なうために使う事ができ
る。この方式の配列の使用は、これらの応用に関する他
の型の配列の使用に類似している。しかしながら、配列
のコヒーレントな性質のため、動作は改善されている。
直列配列を記述するために使う事のできる方程式は非線
型光学デバイスに関するものと同じなので、非線型光学
の応用において行なわれているのと同じ型の応用をこの
配列を用いて行なう事ができる。

ジヨセフソン・デバイスが臨界電流よりも高くバイアス
される時、それらから放射の誘導放出が生じる。この場
合各接合は発振器であつて、ジヨセフソン・デバイスが
臨界電流よりも低くバイアスされた時のように非線型イ
ンダクタではない。配列は電圧状態のジヨセフソン・デ
バイスの集積であつて、もし放射が配列上に入射すると
ジヨセフソン・デバイスと入力放射との間に位相ロツク
が生じるであろう。入力放射は、入力放射と調和した光
子をジヨセフソン・デバイスに誘導放出させる。例えば
もし直列配列の一端にアンテナが取り付けられると、ア
ンテナに最も近い（第１の）ジヨセフソン・デバイスが
放射を行ない、次の（第２の）ジヨセフソン・デバイス
に出力を与える。第２のジヨセフソン・デバイスには入
力放射のみならず第１のジヨセフソン・デバイスからの
出力も人射する。この過程は配列の下方へ続き、パワー
が増加する。もし伝送線配列が空胴を形成するならば、
あるモードが増強され、全てのジヨセフソン・デバイス
が空胴の特定のモードにおいて一時に誘導放出を行なう
事も可能である。例えばもし伝送線の一端が接地され他
端が開放されると、１／４波共振器が形成される。この
時入力放射は１／４波長において誘導放出を引き起こす
。これはエネルギーが空胴内で前後に反射される発振器
を提供する。ジヨセフソン・デバイスは大きな距離を隔
てていてもコヒーレントに留まるので、パラメトリツク
配列又は誘導放出配列は非常に高い周波数で動作する。

これらの周波数は超伝導エネルギー・ギャツプによつて
約１テラヘルツに限界付けられる。誘導放出発振器は、
配列中に流入する直流１ＤＣを調整する事によつて異な
つた空胴モードを選択する事により、同調可能である。
空胴の共振モードを変化させるために空胴の終端部を変
化させる事によつてクロス同調が行なわれる。また同調
は伝送線に沿つたインダクタンス又はキヤパシタンスを
パラメトリツクに変化させる事によつても達成可能であ
る。本発明のデバイス配列は空胴が設けられた時、共鳴
現象を用いている。

この方式において配列全体にかかる電圧は励起されたモ
ードに対応するステップ沖で変化する。即ち配列にかか
る電圧は空胴の共振周波数に対応しなければならない。
各空胴モード内の同調は、ＤＣ電流の振幅を変える事に
よつてある程度まで達成される。これは前述のＬｕｋｅ
ｎｓ他の配列と対照的である。

後者は連続的に電圧同調可能である。Ｌｕｋｅｎｓの配
列ではもし印加電圧が変化すれば、周波数もジヨセフソ
ンの関係に従つて変化しなければならない。その構造に
は共振現象は存在せず、約３０ＧＨｚ以上では制御され
たコヒーレンスは存在しない。コヒーレントな接合によ
つて駆動されるアンテナ配列（第９図）この実施例では
伝送線６２は、ジヨセフソン・デバイスＪｌ，Ｊ２，Ｊ
３・・・・・・Ｊ７が接続された２っの導体６４及び６
６から成る。

直列接続されたジヨセフソン・デバイスＪ１〜Ｊ７のコ
ヒーレントな配列は、双極子導体６８Ａ，６８Ｂ，７０
Ａ，７０Ｂ・・・・・・８２Ａ，８２Ｂから成るアンテ
ナを駆動する発振器を構成する。従来技術で知られてい
るように、双極子の長さは受信又は送信される周波数に
比例し、低周波数の双極子はより長く、高周波数応答双
極子はより短かい。第９図のアンテナ構造は受信した入
力放射をジヨセフソン・デバイスＪ１〜Ｊ７に供給する
ため、又は直列接続されたジヨセフソン・デバイスから
成る配列の発振によつて生じたパワーを放射するために
使用可能な１０ｇ周期的配列である。

配列の結合本発明の原理は、大きなパワーの発生及び増
幅のためのコヒーレントな直列配列を提供する。

複数の配列を一緒に結合して負荷に供給されるパワーを
増加させる事ができる。例えば第１０図は、３つの配列
８４Ａ，８４Ｂ及び８４Ｃが共振回路８６に結合された
場合を示す。共振回路８６の出力は伝送線８８から供給
される。共振回路８６は、配列８４Ａ〜８４Ｃの存在す
るチツプと同じチツプ上にあつてもよく、又伝送線もし
くは外部の共振回路でもよい。

ひとたびコヒーレントな配列が与えられると、従来の技
術を用いて複数の配列を一緒に結合する事ができる事は
当業者の認める所であろう。第１１図では、複数のコヒ
ーレントな直列配列９０Ａ，９０Ｂ・・・・・・９０Ｈ
が共振空胴９２の周囲に存在する。

これらの配列９０Ａ〜９０Ｈは第９図のようにアンテナ
構造に接続され、そのアンテナが空胴９２に放射を供給
するようにもできる。第９図及び第１０図の構造は、出
力を増強するために複数のコヒーレントな直列配列を結
合する技術を説明している。同じ目的の他の可能な接続
は当業者にとつて明らかであろう。電圧標準（第１２図
及び第１３図） 本発明のコヒーレントな直列配列は電圧標準として使用
できる。

この型の動作では、精確な周波数のマイクロ波入力がジ
ヨセフソン・デバイス配列に入射する。この時ジヨセフ
ソン・デバイスの電流一電圧特性にステツプが生じる。
このステツプは到来するマイクロ波放射の周波数と精確
な関係を有する。従来技術においてジヨセフソン・デバ
イスに生じる電圧は非常に小さく、直列接続されたジヨ
セフソン・デバイスを用いる事によつて全出力電圧を増
加させる試みが行なわれて来た。従来技術ではコヒーレ
ンスが得られなかつたので、直列接続されたジヨセフソ
ン・デバイスの精密な結合と位相合せは困難であつた。
第１２図の構造では従来技術の位相合せ及び結合の問題
は、ここで説明した型のコヒーレントな配列が使われる
ので解決されている。

これは配列の全出力が配列中の個々のジヨセフソン・デ
バイスにかかる電圧の直列加算であつて、その結果ボル
ト領域の出力を得る事ができる事を意味する。より詳細
には直列配列９４はジヨセフソン・デバイスＪｌ，Ｊ２
・・・・・・ＪＮから成る。実際には多くの、例えば約
１０００個の、ジヨセフソン・デバイスが直列に接続さ
れる。電流１ＤＣは直流電流源からチヨークＣを経て配
列９４に供給される。配列の一端９６は接地され、他端
は双極子１０２及び１０４を有する双極子アンテナ１０
０に接続される。マイクロ波放射１０６はアンテナ１０
０に入射し、配列９４の入力端９８に供給される。もち
ろん、例えば配列の端部９８に接続された伝送線を用い
る事によつてマイクロ波入力放射を直接酉？Ｉ］９４に
結合する事もできる。マイクロ波放射は精確な周波数を
有し、＝般に原子時計等の源から与えられる。第１３図
は供給電流１対配列にかかる全電圧Ｖのフ狛ツトである
。

曲線はいくつかの共振ステツプ１０８，１１０及び１１
２を示す。これらは入射マイクロ波パワーに対する配列
のモード・ロツクに関係している。空胴モードに依存し
て、異なつた共振ステツプが生じる。ステツプ１０８及
び１１０は自己共振ステツプであり、ステツプ１１２は
ＤＶ／ＤＩ−０であるような被駆動ステツプである。ス
テツプ１１２で電圧Ｖは空胴の周波数及び入射マイクロ
波の周波数に関係し、精確に決定される。以上の説明か
ら明らかなように、伝送線中に直列素子として埋設され
たジヨセフソン・デバイスは波動現象を介してコヒーレ
ントに動作し得る。

配ク１沖の接合の間にコヒーレンスを与える電磁波を確
立するために、配列に電磁放射を人射させる事もでき、
又直流電流源と接合の発振との組み合せを用いる事もで
きる。ここで説明した直列配列に沿つて電磁波を発生さ
せるために多くの技法を使用し得る事、及び配列によつ
て与えられる共振モードを変化させるために伝送線の特
性を変化させ得る事は当業者の認める所であろう。

さらに本発明のコヒーレント配列は、高周波数の波動の
コヒーレントな発生及び検出が望まれる応用分野に付き
使用し得る。ここではいくつかの応用を説明したが、遠
赤外線検出器及びミクサのための天文学で用いられる増
幅器、並びに周波数シフト・キーインクの発生器、増幅
器及び検出器における通信リンク等の他の応用も明らか
であろう。さらにこれらのコヒーレント配列は、アンテ
ナ配列及びコヒーレント配列の組み合せが同じ超伝導チ
ツプ上に製造されたオン・チツプ・アンテナ配列を駆動
するために適している。従来技術は高周波数進行波増幅
に使用するのは不可能で且ついかなる波動現象も使用し
ていないが、本発明では波動を明らかに使用しており、
従つて高調波発生、進行波増幅及び干渉フイルタリング
等の非線型効果の全領域がデバイス設計に利用可能であ
る。これらのジヨセフソン・デバイスの直列配列は進行
波もしくは定常波又は孤立波を発生し且つ支持する事が
でき、この点で従来技術と区別される。

【図面の簡単な説明】

第１図はジヨセフソン・デバイスの直列配列の上面図、
第２図は第１図の直列配列の一部分の断面図、第３図は
ジヨセフソン・デバイスが直列に接続された伝送線の１
セグメントの斜視図、第４図は伝送線構造の１セグメン
トを表わす等価回路の図、第５図は複数のジヨセフソン
・デバイスから成る伝送線発振器を表わす等価回路の図
、第６図は複数のジヨセフソン・デバイスが直列に接続
された同軸伝送線を表わす図、第７図及び第８図はジヨ
セフソン・デバイスの直列接続において共振モードを作
るための空胴を提供する構造を示す図、第９図はコヒー
レントなジヨセフソン・デバイスによつて駆動される１
０ｇ周期的配列から成るアンテナの図、第１０図は複数
の直列接続されたジヨセフソン配列を共振回路に結合し
た回路の図、第１１図は複数のジヨセフソン・コヒーレ
ント配列を共振空胴に結合した回路の図、第１２図は電
圧標準を与えるために使用可能な構造の図、第１３図は
第１２図の構造の電圧標準としての使用を説明する電流
−電圧プロツトの図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ジョセフソン電流が流れ得る、ゼロ電圧状態及び非
   ゼロ電圧状態を呈する複数個のデバイスであつて、導波
   路型の構造体に沿つて直列に電気接続されたものと、上
   記デバイスを直列に接続する導波路型の構造体であつて
   、上記複数個のデバイスをコヒーレントにするように上
   記デバイスの各々に結合される電磁波を制御可能な状態
   で支持し得るものと、上記デバイスをバイアスするため
   、上記直列配列体中の上記デバイスを通る電流を与える
   電源と、上記導波路型の構造体に沿つて上記電磁波を発
   生する手段とを有するジョセフソン・デバイスの配列体
   。