JPS635582A - ジヨセフソン論理回路駆動方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、ジョセフソン論理回路を駆動する方式におい
て、 ジョセフソン論理回路内の磁束面子干渉型素子が、その
しきい値特性の原点が複数のモードに含まれるために誤
動作することを解決するため、ジョセフソン論理回路に
供給するバイアス電流及び制御電流の少なくともいずれ
か一方に、その電流非伝送期間内に周期性電流を一周期
以上重畳することにより、 上記磁束面子干渉型素子を“０″モードに戻して正常動
作するようにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明はジョセフソン論理回路、特にジョセフソン素子
により構成された磁束吊子干渉型素子を有する論理回°
路の駆動方式に関する。

ジョセフソン素子は、周知の如く、極低温下で超伝導電
極間に電流を流すと、しきい値以下の電流では電極間に
電圧が発生せず（超伝導状Ｂ）、しきい値以上の電流が
流されると電圧を発生する（Ｔｉ電圧状態から、超伝導
状態から電圧状態ヘスイッチする性質を有し、−旦電圧
状態にスイッチすると、バイアス電流をゼロにしない限
り超伝導状態に復帰しないという性質を有する。このジ
ョセフソン素子は、スイッチング時間が極めて短く、低
消費電力で高密度実装が可能であるという特長がある。

このジョセフソン素子を用いてディジタル回路（論理回
路）を構成する場合、複数個のジョセフソン素子からな
る開ループの磁束量子干渉型素子と入力信号線とを磁気
的に結合させ、磁束量子干渉型素子に電磁誘導電流を誘
起してジョセフソン素子をスイッチさせることができる
。この磁束量子干渉型素子は広マージン等の特長によっ
て多用されるので、その駆動方式が重要となる。

〔従来の技術〕

第４図は典型的な非対称２接合磁束量子干渉型素子のし
きい優待性を示す。同図中、縦軸はバイアス電流Ｉｂ、
横軸は制ｍ＋電流ＩＣを示す。また、ＩＯは“Ｏ″モー
ドしきい優待性、■＋１は“＋１”モードのしきい優待
性、Ｉ−＋は“−１”モードのしきい優待性を各々示す
。ここで、“Ｏ＋ｔモードは磁束量子干渉型素子内の磁
束量子の数がゼロのときのモードで、′＋１”モード及
び“−１”モードは磁束量子の数が各々１個で、かつ、
前者はその磁束の方向が上向きで、後者は下向きのモー
ドである。

ジョセフソン論理回路を駆動するには、“０″モードの
状態にある磁束（６）子干渉型素子に対し、第４図にａ
で示す臨界電流（シきい値）よりやや小なる値が一定期
間持続する台形波状のバイアス電流Ｉｂを一定周期で印
加すると共に、臨界Ｔ！ｉ流ａよりやや小なる値のバイ
アス電流１ｂ印加期間内に、所定レベルの台形波状の制
御１１電流ＩＣを印加することにより、ジョセフソン素
子をオン（電圧状態）とし、台形波状のバイアス電流１
ｂ及び制ｗＪｌ流１ｃが各々ゼロレベルであるときジョ
セフソン素子をオフ（超伝導状態）とすることを繰り返
すことにより行なわれる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、磁束ａ子干渉型素子は、臨界電流密度が最適設
計の数倍程度大きくなると、しきい優待性の原点が、第
４図に示す如く、′″０′０′モードい優待性ＩＯの他
に、“＋１”モード及び−１”モードの各しきい優待性
Ｉ＋１及びＩ−＋の各々にも包含されることとなる。こ
のため、磁束ａ子干渉型素子が、正常のモードである′
０”モード以外のモードであったものとすると、所定レ
ベルの制＠電流ＩＣが入来する直前で、かつ、バイアス
電流１ｂが臨界電流ａよりやや小なる所定の一定値に至
る直前のレベル（”＋１”モードでは第４図にｂで示す
レベル、′−１”モードではＣで示すレベル）で既にオ
ンしてしまい、誤動作となる。

このため、従来は磁束量子干渉型素子において、臨界電
流密度が最適設計の数倍になってしまい、しきい優待性
の原点が複数のモードに含まれることが生じた場合は、
そのままでは正常動作ができず、熱処理などの方法によ
ってその磁束量子干渉型素子のしきい優待性の原点を“
Ｏ″モードみが含むように臨界電流密度を下げるか、又
はその磁界量子干渉型素子は破棄して新たに最適設計の
磁束量子干渉型素子を作り直さざるを得ないという問題
点があった。

本発明は上記の点に鑑みて創作されたもので、臨界電流
密度が最適設計の数倍の磁界量子干渉型素子を含むジョ
セフソン論理回路を、そのままの状態で正常動作できる
よう駆動するジョセフソン論理回路駆動方式を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のジョセフソン論理回路駆動方式は、磁束量子干
渉型素子を含むジョセフソン論理回路に対して、主バイ
アス電流源から臨界電流よりも小なる−定値のピークレ
ベルをもつ台形波を一定周期でバイアス電流として供給
すると共に、主制御Ｉ流源からパルス状の制御０１ｆ流
を供給することにより、ジョセフソン論理回路を駆動す
る方式において、バイアス電流及び制Ｗ電流の非伝送期
間内に、ピークレベルが臨界電流よりも小゛なる一周期
以上の周期性電流を発生する副Ｍ流発生源を設け、バイ
アス電流及び制御１１流の少なくともいずれか一方に上
記周期性電流を重畳してジョセフソン論理回路に供給す
る構成からなる。

〔作用〕

バイアス電流及び制御電流がいずれもジョセフソン論理
回路に供給されない非伝送期間には、副電流発生源より
取り出された周期性電流が、バイアス電流及び／又は制
ｍ電流としてジョセフソン論理回路に供給される。

上記の周期性電流は臨界電流よりも小なるピークレベル
を有し、かつ、−周期以上ジョセフソン論理回路に供給
されるから、ジョセフソン論理回路内の磁束量子干渉型
素子は、この周期性電流により“Ｏ”モードのときはス
イッチング又はモード遷移を行なわず、′＋１”モード
又は“−１”モード等の“０”モード以外のとき一回以
上オン。

オフを交互に繰り返すか、又は１回以上モード遷移を生
ずる。

この周期性電流によるスイッチング又はモード遷移は、
ジョセフソン論理回路の非動作期間であるから、悪影響
を回路に与えることはない。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例のブロック図を示す。

同図中、１はジョセフソン論理回路で、磁束量子干渉型
素子を含んで構成されており、またバイアス電流（’ｍ
１Ｉｉｉｔ電流）入力端子２及び制御電流（信号）入力
端子３を有している。４は、主バイアス電流源で、例え
ば第２図にＩｂ＋で示す主バイアス電流を発生出力する
。この主バイアス電流Ｉｔ）＋は第２図に示す如く、−
定周期の台形波で、−定期間持続するそのピークレベル
は、第４図に示したしきい優待性中の臨界′Ｒ流ａより
もやや小なる値に選定されである。

また、５は主制御電流源で、第２図にＩＣ＋で示す如く
、−定周期の台形波を主ＩＩＩ　ｔａ　ｆｆｉ流として
発生出力する。この主制御電流ＩＣ＋のピークレベルは
主バイアス電ＩＩｂ＋のピークレベル伝送期間内に位置
し、主バイアス電ＦＩ　Ｉ　ｔ）　＋印加状態において
、′Ｏ″モードにある第４図に示すしきい優待性の磁束
量子干渉形素子がオンとなるような値に選定されである
。

これらの主バイアス電流源４及び主制御電流源５は、従
来より存在する電流源であるが、本実施例はこれに更に
副バイアス電流源６及び副制御電流源７を設けた点に特
徴を有する。

副バイアス電流源６は第２図にＩｂ２で示す如く、前記
主バイアス電流１ｂ＋の非伝送期間（Ｏ−レベルの期間
）内に３周期分の正弦波を副バイアス電流として発生出
力する。この正弦波（８１バイアス電１ｍ）Ｉｋ）ｚの
正のピークレベルは、第４図に示したしきい優待性中の
臨界電流ａと電流値すとの中間の値に選定されである。

また、副バイアス電流■ｂ２の負のピークレベルは正の
ピークレベルと絶対値が等しい値に選定されである。な
お、磁束量子干渉型素子のしきい優待性は、実際には第
４図では省略したが、負のバイアス電流Ｉｂ側にも存在
し、原点を中心とする点対称の如き特性を有する。

上記の副バイアス電流Ｉｂ２は前記主バイアス電流１ｂ
＋　と合成されて第２図にＩｂで示す如き波形とされた
後、ジョセフソン論理回路１の入力端子２に供給される
。−方、副制御電流源７は第２図にＩＣ２で示す如く、
常時ローレベルの副側ｉｔ流を出力する。このため、主
制御ｌ電流ＩＣ＋と副制御電流ＩＣ２とを夫々合成して
得られた制御電流Ｉｃは、第２図に示す如＜ｆｃ＋と同
一波形となり、ジョセフソン論理回路１０入力端子３に
供給される。

これにより、ジョセフソン論理回路１内の第４図に示す
如きしきい優待性を有する磁束量子干渉型素子の状態は
、バイアス電流Ｉｂ中の正弦波により、第４図の縦軸上
で３周期分振動する。すなわち、上記正弦波の最初の正
のピークレベルに至る過程で、上記磁束量子干渉型素子
が−１”モードにあるときは第４図に示す電流値Ｃを越
えた時点でオンにスイッチし、′＋１”モードにあると
きは電流値すを越えた時点でオンにスイッチする。しか
し、磁束量子干渉型素子が“Ｏ″モードあるときは、上
記正弦波のピークレベル入来時点でもスイッチされない
。臨界電流ａを越えないからである。

その後に、上記の正弦波がセンターレベルに戻るとくセ
ンターレベルの正弦波が入力されると）、上記磁束量子
干渉型素子はオフになるが、上記の如く最初゛＋１″モ
ード又は“−１”モードであり、オンにスイッチしてい
た場合は、このオフへのスイッチにより“０”、“＋１
”及び“−１”の３つのモードのいずれかに入る。しか
し、この３つのモードのうちどれに入るかは不定である
。

また、最初“ＯＮモードであったときはオフのままで、
スイッチは行なわれず、′０”モードのままである。

以下、上記と同様の動作が繰り返され、磁束量子干渉型
素子が゛＋１″モード及び“−１”モードのいずれかに
ある限り、上記のスイッチが繰り返され、上記正弦波が
何回目かにセンターレベルに戻ったときに“０”モード
に入る。−度“Ｏ”モードに入れば、上記の正弦波によ
りスイッチは行なわれなくなり、Ｍ　Ｏｎモードが保持
されることになる。実際には、正弦波は３周期程度でほ
ぼ確実に“０”モードに戻ることが本発明者の実験によ
り確められた。

ジョセフソン論理回路１が動作するのは、主バイアス電
流ＩｂＩの台形波期間であり、ジョセフソン論理回路１
が休止している期間に上記の正弦波によるスイッチ動作
を行なっても、ジョセフソン論理回路１に悪影響を与え
ることはない。このようにして、本実施例によれば、し
きい優待性の原点が“Ｏ”モード以外のモードにも含ま
れているような磁束母子干渉型素子に対してスイッチを
行なって、強制的に“０”モードに戻すことができる。

次に本発明の第２実施例につき説明する。本実施例は第
１図に示した主バイアス電流源４及び主制御電流源５は
、第２図にＩｂ＋及びＩＣ＋で示した主バイアス電流及
び主制御ｌｌ電流を発生出力する点は第１実施例と同様
であるが、副バイアス電流源６は副バイアス電流を発生
せず、かつ、副制御電流源７が主バイアス電流の台形波
の存在しない期間内に、例えば３周期分の正弦波を副制
御ｌ電流として発生出力する点が第１実施例と異なる。

これにより、ジョセフソン論理回路１の入力端子２には
、第３図にＩｂ’で示す如く、主バイアス電流源４より
の主バイアス電流がそのままバイアス電流として供給さ
れ、かつ、入力端子３には第３図にＩＣ′で示す如く、
主副ｍ電流（台形波）に副制御電流（正弦波）が重畳さ
れた波形の制御電流が供給される。

このため、ジョセフソン論理回路１内の第４図に示す如
きしきい優待性を有する磁束母子干渉型素子の状態は、
制御電流ＩＣ’　中の正弦波により、第４図の横軸上で
３周期分振動する。

ここで、制ｔＩｌ電流Ｉｃ’中のｎ１制御電流（正弦波
）のピークレベル（絶対１ｆ（）は、第４図に示したし
きい優待性中、バイアス電流１ｂがゼロの場合における
“Ｏ″モード制ｍ＋電流値ｄと“＋１″モードの制御１
）Ｉｌ電流値ｅとの中間の値に選定されである。

従って、制御電流１ｃ’中の正弦波が最初の正のピーク
レベルに至る過程で、前記磁束ｎ子干渉型素子が最初“
−１ｎモードにあるときは、第４図にｆで示す′１４ｉ
ｌｌ！値を越えた時点で″“Ｏｎモードか“＋１″モー
ドへとモード遷移する。どちらのモードに遷移するかは
不定である。しかし、磁束母子干渉型素子が最初“０”
モードか“＋１”モードにあるときは制御電流ｌ　ｃ　
Ｊ中の正弦波が正のピークレベルに達してもモード遷移
は生じない。

第４図に９で示す低い方の電流値を越えないからである
。

その後に、上記の正弦波がセンターレベルに戻り、更に
負のピークレベルに至る過程で第４図にｅで示す電流値
を越えた時点で、上記磁束量子干渉型素子が“＋１”モ
ードにあるときは“Ｏ″モードｌ　　１　Ｉ＋モードへ
とモード遷移する。どちらのモードに遷移するかは不定
である。しかし、磁束量子干渉型素子が“０″モードに
あるときはその後に上記正弦波が負のピークレベルに達
しても、電流値ｄを越えないからモード遷移は生じない
。

以下、上記と同様の動作が繰り返される。この結果、磁
束量子干渉型素子が＋１”モード及び“−１ｎモードの
いずれかにある限り、上記正弦波状制ｔ１１電流■Ｃ′
によってモード遷移が行なわれ、これにより、いつかは
“０″モードに遷移する。−度“０”モードに入ると、
モード遷移は生じなくなり、正弦波状制御ｉＩｌ電流Ｉ
ｃ’　が入来しても磁束量子干渉型素子は“Ｏｎモード
を保持される。

このようにして、しきい優待性の原点が“Ｏ”モード以
外のモードにも含まれているような磁束量子干渉型素子
が“０′モード以外のモードにあるときはモード遷移を
行なうことにより、強制的に°゛０″０″モード戻すこ
とができる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、バイアス電流及び制御１１電流の非伝送期間に重畳さ
れる信号は正弦波でなくともよく、三角形、方形波、鋸
歯状波、パルスその他の周期性電流であればよく、また
制御電流に重畳される周期性電流は正及び負の両極性が
必要だが、バイアス電流に重畳される周期性電流は正及
び負のいずれか一方の極性のみでもよい。更に、この周
期性電流は一周期以上であればよく、またバイアス電流
及び制御［ｌ電流に同期してこれら両信号に別々に重畳
するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、バイアス電流及び制Ｗ電
流の少なくとも一方に重畳されている周期性電流により
、ジョセフソン論理回路内の磁束団子干渉型素子のしき
い優待性の原点が゛０″モード以外の他のモードにも含
まれていても、“０”モード以外のモードのときにスイ
ッチング又はミード遷移を行なうようにしたから、上記
の磁束量子干渉型素子でも“０”モードに戻すことがで
き、これにより、従来そのままの状態では正常動作が不
可能であった磁束量子干渉型素子を使用しているジョセ
フソン論理回路に対しても、磁束Ｍ子干渉型素子に何ら
の処理を施すことなくそのままの状態で正常動作させる
ことができる等の特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図及
び第３図は本発明の各実施例の動作説明用信号波形図、 第４図はジョセフソン論理回路内の磁束量子干渉型素子
のしきい優待性の一例を示す図である。 第１図において、 １はジョセフソン論理回路、 ４は主バイアス電流源、 ５は主制御電流源、 ６はｎ１バイアス電流源、 ７は副制御２ａ電流源である。 １噂を明り−１さ一？１の７セラ２図 第１図 →を 岐＠ｔＪｅ、蛸８ 第３図 ｂ し’ｔ　ｂｓ７価ロ弁七りの一＋１ｔホす回第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 磁束量子干渉型素子を含むジョセフソン論理回路（１）
   に対して、主バイアス電流源（４）から臨界電流よりも
   小なる一定値がピークレベルとして一定期間持続する台
   形波を一定周期でバイアス電流として供給すると共に、
   主制御電流源（５）から該台形波のピークレベル期間内
   で所定レベルとなるパルス状の制御電流を供給すること
   により、該ジョセフソン論理回路（１）を駆動する方式
   において、 該バイアス電流及び該制御電流の非伝送期間内に、ピー
   クレベルが前記臨界電流よりも小なる一周期以上の周期
   性電流を発生する副電流発生源（６、７）を設け、該バ
   イアス電流及び該制御電流の少なくともいずれか一方に
   該副電流発生源（６、７）よりの該周期性電流を重畳し
   て前記ジョセフソン論理回路（１）に供給するよう構成
   したことを特徴とするジョセフソン論理回路駆動方式。