KR20180053681A - 초전도 크로스-바 스위치 시스템 - Google Patents

초전도 크로스-바 스위치 시스템 Download PDF

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KR20180053681A
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노스롭 그루먼 시스템즈 코포레이션
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Abstract

초전도 크로스-바 스위치 시스템은 제1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 제1 출력 포트에 그리고 제3 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 제2 출력 포트에 결합된 제1 입력 포트, 및 제2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 제1 출력 포트에 그리고 제4 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 제2 출력 포트에 결합된 제2 입력 포트를 포함한다. 스위치 제어기는 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트들을 서로 반대인 인덕턴스 상태들 간에 변화시킴으로써 바 상태와 크로스 상태 간의 크로스-바 스위치의 설정을 제어한다. 이는 바 상태에서의 제1 입력 포트에서 제1 출력 포트 그리고 제2 입력 포트에서 제2 출력 포트, 그리고 크로스 상태에서의 제1 입력 포트에서 제2 출력 포트 그리고 제2 입력 포트에서 제1 출력 포트 사이에서의 신호들의 선택적 라우팅을 가능하게 한다.

Description

초전도 크로스-바 스위치 시스템
[0001] 본 발명은 계약 번호 제30059298호에 따라 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 일정 권리를 갖는다.
[0002] 본 출원은 2015년 10월 7일자로 출원된 미국 특허출원 일련번호 제14/877515호로부터의 우선권을 주장하며, 이 출원은 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
[0003] 본 발명은 일반적으로 초전도 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초전도 크로스-바(cross-bar) 스위치 시스템에 관한 것이다.
[0004] 종래의 마이크로파 기계, 전자 기계 및 전자 스위치들은 호환되지 않는 제조 공정들 및 높은 전력 소산으로 인해 초전도 전자 회로들과의 단일 칩 집적 및 초전도 전자 회로들의 극저온 작동과 호환되지 않을 수 있다. 마찬가지로, 전압 가변 커패시터들, 즉 버랙터들, 기계 드라이버들 또는 강유전체 및 페라이트 재료들과 같은 능동 컴포넌트들의 사용에 의해 일반적으로 실현되는 튜닝 가능 필터들은 단자속 양자(SFQ: single flux quantum) 기술들로 생성될 수 있는 신호 레벨들로 쉽게 제어 가능하지 않으며, 다수는 극저온들에서 작동 가능하지 않다. 초전도 마이크로파 필터들은 고정 및 튜닝 가능 둘 다 고온 및 저온 초전도체들 모두를 사용하여 이전에 실현되었지만, 스위칭 애플리케이션들에서의 이들의 사용은 높은 반사 손실, 제한된 사용 가능 대역폭 및 대역 외 오프 상태 절연 불량을 겪었다.
[0005] 디지털 및 마이크로파 신호들에 대한 반도체 크로스-바 스위치들은 스위치 매트릭스들, 트랜시버들 그리고 테스트 및 통신 시스템들과 같은 재구성 가능한 신호 라우팅 애플리케이션들에 광범위하게 사용된다. 크로스-바 스위치는 4-포트 디바이스이며, 여기서 ('바(Bar) 상태'로 지칭되는) 제1 설정에서는 제1 입력 포트가 제1 출력 포트에 접속되고 제2 입력 포트가 제2 출력 포트에 접속되며, ('크로스(Cross) 상태'로 지칭되는) 제2 설정에서는 제1 입력 포트가 제2 출력 포트에 접속되고 제2 입력 포트가 제1 출력 포트에 접속된다. 그러나 종래의 크로스-바 스위치들은 일반적으로 극저온 초저전력 소비 애플리케이션들과 호환되지 않으며, 일반적으로는 SFQ 제어 기술들과 호환되지 않는 몇 볼트 정도의 전압 제어 신호들을 필요로 한다.
[0006] 일례로, 초전도 크로스-바 스위치 시스템이 제공된다. 이 시스템은 제1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 제1 출력 포트에 그리고 제3 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 제2 출력 포트에 결합된 제1 입력 포트, 및 제2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 제1 출력 포트에 그리고 제4 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 제2 출력 포트에 결합된 제2 입력 포트를 포함한다. 이 시스템은 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트들을 서로 반대인 인덕턴스 상태들 간에 변화시킴으로써 바 상태와 크로스 상태 간의 크로스-바 스위치의 설정을 제어하도록 구성된 스위치 제어기를 더 포함한다. 이는 바 상태에서의 제1 입력 포트에서 제1 출력 포트 그리고 제2 입력 포트에서 제2 출력 포트, 그리고 크로스 상태에서의 제1 입력 포트에서 제2 출력 포트 그리고 제2 입력 포트에서 제1 출력 포트 사이에서의 신호들의 선택적 라우팅을 가능하게 한다.
[0007] 다른 예에서는, 제1 입력 포트를 제1 출력 포트에 결합하는 제1 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID: Superconducting Quantum Interference Device), 제2 입력 포트를 제1 출력 포트에 결합하는 제2 SQUID, 제1 입력 포트를 제2 출력 포트에 결합하는 제3 SQUID, 및 제2 입력 포트를 제1 출력 포트에 결합하는 제4 SQUID를 포함하는 초전도 스위치 시스템이 제공된다. 이 시스템은 제1 SQUID, 제2 SQUID, 제3 SQUID 및 제4 SQUID를 통한 유도 전류의 양을 제어하여 바 상태와 크로스 상태를 번갈아 스위칭하도록 구성된 스위치 제어기를 더 포함한다. 바 상태에서, 제1 입력 포트에 제공된 제1 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 제1 출력 포트로 전달되고, 제2 입력 포트에 제공된 제2 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 제2 출력 포트에 제공된다. 크로스 상태에서, 제1 입력 포트에 제공된 제1 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 제2 출력 포트로 전달되고, 제2 입력 포트에 제공된 제2 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 제1 출력 포트에 제공된다.
[0008] 또 다른 예에서는, 제1 입력 포트를 제1 출력 포트에 결합하는 제1 SQUID, 제2 출력 포트를 제1 출력 포트에 결합하는 제2 SQUID, 제1 입력 포트를 제2 출력 포트에 결합하는 제3 SQUID, 및 제2 입력 포트를 제1 출력 포트에 결합하는 제4 SQUID를 포함하는 필터 네트워크를 포함하는 초전도 크로스-바 스위치 시스템이 제공된다. 제1 SQUID는 제1 공진기, 제1 조지프슨 접합부(Josephson junction) 및 제3 공진기로 형성되고, 제2 SQUID는 제2 공진기, 제2 조지프슨 접합부 및 제3 공진기로 형성된다. 제3 SQUID는 제1 공진기, 제3 조지프슨 접합부 및 제4 공진기로 형성되고, 제4 SQUID는 제2 공진기, 제4 조지프슨 접합부 및 제4 공진기로 형성된다. 제1 공진기는 제1 입력 포트와 제1 조지프슨 접합부 및 제3 조지프슨 접합부 사이에 결합되고, 제2 공진기는 제2 입력 포트와 제2 조지프슨 접합부 및 제4 조지프슨 접합부 사이에 결합된다. 제3 공진기는 제1 출력 포트와 제1 조지프슨 접합부 및 제2 조지프슨 접합부 사이에 결합되고, 제4 공진기는 제2 출력 포트와 제3 조지프슨 접합부 및 제4 조지프슨 접합부 사이에 결합된다. 이 시스템은 제1 SQUID, 제2 SQUID, 제3 SQUID 및 제4 SQUID를 통한 유도 전류의 양을 제어하여 바 상태와 크로스 상태를 번갈아 스위칭하도록 구성된 스위치 제어기를 더 포함한다. 바 상태에서, 제1 입력 포트에 제공된 제1 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 제1 출력 포트로 전달되고, 제2 입력 포트에 제공된 제2 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 제2 출력 포트에 제공된다. 크로스 상태에서, 제1 입력 포트에 제공된 제1 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 제2 출력 포트로 전달되고, 제2 입력 포트에 제공된 제2 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 제1 출력 포트에 제공된다.
[0009] 도 1은 초전도 크로스-바 스위치 시스템의 일례를 예시한다.
[0010] 도 2는 크로스-바 스위치 회로 및 연관된 바이어스 엘리먼트들의 개략도를 예시한다.
[0011] 도 3은 애질런트(Agilent) 고급 설계 시뮬레이션(ADS: Advanced Design Simulation) 툴을 이용한 시뮬레이션에 이용되는 크로스-바 스위치 회로의 개략적인 회로도를 예시한다.
[0012] 도 4는 도 3의 회로의 S-파라미터 시뮬레이션의 그래프를 예시한다.
[0013] 도 5는 4차 체비쇼프(Chebychev) 필터 설계의 S-파라미터 시뮬레이션의 그래프를 예시한다.
[0014] 본 개시내용은 일반적으로 초전도 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초전도 크로스-바 스위칭 시스템에 관한 것이다. 초전도 크로스-바 스위칭 시스템은 스위치 제어기 및 바이어스 엘리먼트들을 포함하는 스위치 제어 시스템을 구비한 초전도 크로스-바 스위치를 포함한다. 크로스포인트 또는 전달 스위치로도 또한 알려진 초전도 크로스-바 스위치는 스위치의 서로 다른 섹션들을 서로 결합 및 분리하여 바 상태와 크로스 상태 간에 스위칭하도록 바이어스 엘리먼트들과 스위치 제어기를 통해 자속에 의해 제어되는 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트들을 이용한다. 초전도 크로스-바 스위치는 극저온들에서 작동하고, 전력을 거의 소산시키지 않으며, 단자속 양자(SFQ) 호환 신호들로 제어될 수 있다.
[0015] 일례로, 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트들은 마이크로파 대역 통과 필터 회로에 내장된 조지프슨 접합부들일 수 있는데, 마이크로파 대역 통과 필터 회로는 접합부들이 가변 결합 엘리먼트들로서 기능하는 결합 공진기 필터 토폴러지로서 구현된다. 조지프슨 접합부들의 인덕턴스는 서로 다른 필터 섹션들(예컨대, 공진기들)을 서로 결합하고 이러한 결합된 섹션들을 통해 신호들을 통과시키기 위한 저 인덕턴스 상태와, 서로 다른 필터 섹션들을 서로 분리하여 신호들이 분리된 섹션들을 통과하는 것을 막기 위한 고 인덕턴스 상태 간에 스위칭될 수 있다. 조지프슨 접합부들은 초전도 크로스-바 스위치를 바 상태와 크로스 상태 간에 스위칭하여 크로스-바 스위치를 통과하는 신호들의 루트를 변경하도록 배열되고 제어될 수 있다. 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트는 원래의 조지프슨 접합부보다 N배 더 큰 임계 전류를 각각이 갖는 N개의 조지프슨 접합부들의 직렬 어레이 또는 단일 조지프슨 접합부로서 배열될 수 있다.
[0016] 도 1은 초전도 크로스-바 스위치 시스템(10)의 일례를 예시한다. 초전도 크로스-바 스위치 시스템(10)은 바 모드에서는 제1 신호를 제1 입력 포트 또는 단자(IN1)로부터 제1 출력 포트 또는 단자(OUT1)로 그리고 제2 신호를 제2 입력 포트 또는 단자(IN2)로부터 제2 출력 포트 또는 단자(OUT2)로 라우팅하고, 크로스 모드에서는 제1 신호를 제1 입력 포트(IN1)로부터 제2 출력 포트(OUT2)로 그리고 제2 신호를 제2 입력 포트(IN2)로부터 제1 출력 포트로 라우팅한다. 초전도 크로스-바 스위치 시스템(10)은 각각의 개별 입력 포트로부터 원하는 섹션들을 통해 각각의 선택된 출력 포트로 전달되는 신호의 바람직한 부분(예를 들어, 특정 주파수 대역폭)에 대응할 수 있는 대역 통과 필터링된 출력 신호를 제공할 수 있다. 추가로, 신호들의 원하지 않는 부분은 차단될 수 있어, 신호들의 원하지 않는 부분 중 어느 것도 필터 네트워크를 통해 출력 포트들 중 임의의 출력 포트로 전달되지 않는다.
[0017] 초전도 크로스-바 스위치 시스템(10)은 2개의 다른 경로들 사이에서 2개의 입력 포트들과 2개의 출력 포트들 간의 신호들의 스위치 제어를 제공하도록 다양한 초전도 회로 시스템들 중 임의의 시스템으로 구현될 수 있다. 일례로, 신호들은 큐비트에 대해 게이트 또는 판독 동작을 수행하는 것과 같이, 양자 회로에 대한 제어 방식으로 구현되는 마이크로파 신호들일 수 있다. 다른 예로서, 신호들은 신호 펄스, 통신 신호 또는 제어 명령 신호일 수 있다. 초전도 크로스-바 스위치는 극저온들에서 작동하고, 전력을 거의 소산시키지 않으며, 단자속 양자(SFQ) 호환 신호들로 제어될 수 있다.
[0018] 일례로, 초전도 스위치 시스템(10)은 필터 네트워크(12)의 제1 입력부를 하나 또는 그보다 많은 제1 입력 공진기들 또는 극(pole)들로서, 필터 네트워크(12)의 제2 입력부를 하나 또는 그보다 많은 제2 입력 공진기들 또는 극들로서, 필터 네트워크의 제1 출력부로서 하나 또는 그보다 많은 제1 출력 공진기들 또는 극들로서, 그리고 필터 네트워크의 제2 출력부를 하나 또는 그보다 많은 제2 출력 공진기들 또는 극들로서 구성하기 위한 하나 또는 그보다 많은 임피던스 컴포넌트들(즉, 커패시터들, 인덕터들)을 포함할 수 있는 마이크로파 대역 통과 필터 네트워크로 형성된 초전도 크로스-바 스위치(12)를 포함할 수 있다. 초전도 크로스-바 스위칭 시스템(10)은 스위치 제어기(18) 및 바이어스 엘리먼트들(16)을 포함한다. 초전도 크로스-바 스위치(12)는 바 상태 또는 크로스 상태 중 선택된 모드에 기초하여 각각의 제1 입력 및 제2 입력 공진기를 각각의 제1 및 제2 출력 공진기 중 각각의 공진기에 결합 및 분리하도록 바이어스 엘리먼트들(16) 및 스위치 제어기(18)를 통해 자속에 의해 제어되는 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트들을 이용한다.
[0019] 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트들은 조지프슨 접합부들일 수 있다. 조지프슨 접합부들의 인덕턴스는 서로 다른 필터 섹션들(예컨대, 공진기들 또는 극들)을 서로 결합하고 이러한 결합된 섹션들을 통해 신호들을 통과시키기 위한 저 인덕턴스 상태와, 서로 다른 필터 섹션들을 서로 분리하여 신호들이 분리된 섹션들을 통과하는 것을 막기 위한 고 인덕턴스 상태 간에 스위칭될 수 있다. 조지프슨 접합부들은 초전도 크로스-바 스위치를 바 상태와 크로스 상태 간에 스위칭하여 크로스-바 스위치를 통과하는 신호들의 루트를 제어하도록 저 임피던스 상태와 고 인덕턴스 상태 사이에 배열되고 제어될 수 있다. 조지프슨 접합부들은 SQUID 브리지 회로 구성(14)에서 RF SQUID들 또는 SQUID들의 엘리먼트들로서 배열될 수 있다.
[0020] (도 2에 도시된 바와 같이) SQUID 브리지 회로 구성(14)은 제1 조지프슨 접합부의 대향 측들에 결합된 제1 인덕터 및 제3 인덕터를 포함할 수 있는 제1 SQUID를 포함할 수 있으며, 여기서 제1 인덕터는 필터 회로의 제1 극 또는 공진기의 적어도 일부를 형성하고, 제3 인덕터는 필터 회로의 제3 극 또는 공진기의 적어도 일부를 형성한다. 제2 SQUID는 제2 조지프슨 접합부의 대향 측들에 결합된 제2 인덕터 및 제3 인덕터에 의해 형성될 수 있고, 제3 SQUID는 제3 조지프슨 접합부의 대향 측들에 결합된 제1 인덕터 및 제4 인덕터에 의해 형성될 수 있으며, 제4 SQUID는 제4 조지프슨 접합부의 대향 측들에 결합된 제2 인덕터 및 제4 인덕터에 의해 형성될 수 있다. 제2 인덕터는 필터 회로의 제2 극 또는 공진기의 적어도 일부를 형성하고, 제4 인덕터는 필터 회로의 제4 극 또는 공진기의 적어도 일부를 형성한다.
[0021] 조지프슨 접합부들은 각자의 SQUID에서 전류가 유도되지 않거나 저 전류가 유도될 때 제1 인덕턴스를, 그리고 예를 들어, 약 0.1Φ0보다 크고 약 0.45Φ0보다 작은 자속을 발생시키거나 유도하는 미리 결정된 임계치에 있는 전류 또는 더 높은 전류가 각자의 SQUID에서 유도될 때 제2 인덕턴스를 가질 수 있으며, 여기서 Φ0은 자속 양자와 같다. 제1 인덕턴스(예컨대,
Figure pct00001
, 여기서
Figure pct00002
는 2π로 나눈 플랭크 상수이고, e는 전자 전하이며, IC는 조지프슨 접합부의 임계 전류임)는 필터 네트워크의 원하는 섹션들의 대향 단부들 사이에서 입력 신호의 원하는 대역폭 부분의 통과를 가능하게 하도록, 원하는 섹션들 사이의 결합을 제공할 수 있다. 제2 인덕턴스(예를 들어, 큰 인덕턴스 값)는 원하지 않는 섹션들의 대향 단부들 사이에서 입력 신호의 원하는 대역폭 부분의 통과가 차단되도록 필터 네트워크의 섹션들 사이의 분리를 제공할 수 있다.
[0022] 일례로, 필터 네트워크의 제1 극은 제1 입력 포트에 결합되고, 필터 네트워크의 제2 극은 제2 입력 포트에 결합된다. 더욱이, 필터 네트워크의 제3 극은 제1 출력 포트에 결합되고, 필터 네트워크의 제4 극은 제2 출력 포트에 결합된다. 바 상태에서는, 제2 SQUID 및 제4 SQUID에서 자속이 유도되어 제2 조지프슨 접합부 및 제4 조지프슨 접합부가 높은 인덕턴스를 갖게 할 수 있는 한편, 제1 SQUID 및 제3 SQUID에서는 자속이 유도되지 않아 제1 조지프슨 접합부 및 제3 조지프슨 접합부가 낮은 인덕턴스를 갖게 한다. 이는 제1 신호가 제1 입력 포트로부터 제1 극 및 제3 극을 통해 제1 출력 포트로 전달될 수 있게 하고 제1 신호가 제4 극을 통해 제2 출력 포트로 전달되는 것을 차단할 수 있게 한다. 추가로, 제2 신호는 제2 입력 포트로부터 제2 극 및 제4 극을 통해 제2 출력 포트로 전달될 수 있고 제2 신호가 제3 극을 통해 제1 출력 포트로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
[0023] 크로스 상태에서는, 제1 SQUID 및 제3 SQUID에서 자속이 유도되어 제1 조지프슨 접합부 및 제3 조지프슨 접합부가 높은 인덕턴스를 갖게 할 수 있는 한편, 제2 SQUID 및 제4 SQUID에서는 자속이 유도되지 않아 제2 조지프슨 접합부 및 제4 조지프슨 접합부가 낮은 인덕턴스를 갖게 한다. 이는 제1 신호가 제1 입력 포트로부터 제1 극 및 제4 극을 통해 제2 출력 포트로 전달될 수 있게 하고 제1 신호가 제3 극을 통해 제1 출력 포트로 전달되는 것을 차단할 수 있게 한다. 추가로, 제2 신호는 제2 입력 포트로부터 제2 극 및 제3 극을 통해 제1 출력 포트로 전달될 수 있고 제2 신호가 제4 극을 통해 제2 출력 포트로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
[0024] 도 2는 크로스-바 스위치 회로(30) 및 연관된 바이어스 엘리먼트들의 개략도를 예시한다. 크로스-바 스위치 회로는 포트 1로 표기된 제1 입력 포트, 포트 2로 표기된 제2 입력 포트, 포트 3으로 표기된 제1 출력 포트 및 포트 4로 표기된 제2 출력 포트를 갖는 대역 통과 필터로 형성된다. 제1 입력 포트(포트 1)와 연관된 극 또는 공진기에 유도 결합되고 제2 입력 포트(포트 2)와 연관된 극 또는 공진기에 유도 결합되는 제1 제어 라인(32)을 통해 전류가 제공된다. 제1 출력 포트(포트 3)와 연관된 극 또는 공진기에 결합되고 제2 출력 포트(포트 4)와 연관된 극 또는 공진기에 유도 결합되는 제2 제어 라인(34)을 통해 또한 전류가 제공된다. 제1 구성(예를 들어, 바 상태)과 제2 구성(예를 들어, 크로스 상태) 둘 다에서, 제1 제어 라인(32)을 통해 flux1 in으로부터 flux1 out의 방향으로 전류가 흐른다. 제1 구성에서는, 제2 제어 라인(34)을 통해 flux2 in에서 flux2 out의 방향으로 전류가 흐르며, 이는 포트 1에서의 제1 신호가 포트 3으로 라우팅되게 하고, 포트 2에서의 제2 신호가 포트 4로 라우팅되게 하는 반면, 포트들의 다른 모든 쌍 단위의 조합들은 상호 격리된다. 제2 구성에서는, 제2 제어 라인(34)을 통해 flux2 out에서 flux2 in의 방향으로 전류가 흐르며, 이는 포트 1에서의 제1 신호가 포트 4로 라우팅되게 하고, 포트 2에서의 제2 신호가 포트 3으로 라우팅되게 하는 반면, 포트들의 다른 모든 쌍 단위의 조합들은 상호 격리된다.
[0025] 도 2를 참조하면, 제2 구성에 대한 포트 1에서 포트 4로의 신호 전파를 고려한다. 포트 1로부터의 신호는 대역 통과 필터에 입력 결합 커패시턴스를 제공하는 직렬 결합 커패시터(Cc1)를 통해 회로로 들어간다. 그런 다음, 신호는 Cr1과 L1의 병렬 조합으로 구성되어 필터의 제1 극을 형성하는 분로 공진기를 통과한다. 다음으로, 신호는 Cr4와 L4의 병렬 조합에 의해 형성된 필터의 제4 극에 접합부(J3)를 통해 결합되고, 마지막으로 출력 결합 커패시터(Cc4)를 통해 포트 4로 필터를 빠져나간다. 포트 2로부터 들어오는 신호는 극들(Cr2||L2 및 Cr3||L3) 및 결합 엘리먼트들(Cc2, J2 및 Cc3)에 의해 형성된 대역 통과 필터를 가로지름으로써 포트 3으로 유사하게 전달된다. 제어 자속들은, 이 설정에서 제어 자속들에 의해 결정된 대로 접합부들(J1 및 J4)의 고 인덕턴스 상태 때문에 이러한 접합부들을 통해 어떠한 신호도 전파될 수 없도록 배열된다.
[0026] 제어 자속들의 제1 구성에서, J2 및 J3은 고 인덕턴스 상태에 있는 한편, J1 및 J4는 저 인덕턴스 상태에 있다. 이러한 제1 구성에서, 포트 1로부터의 신호는 극들(Cr1||L1 및 Cr3||L3) 및 결합 엘리먼트들(Cc1, J1 및 Cc3)에 의해 구성된 대역 통과 필터를 통해 포트 3으로 라우팅될 것이고, 포트 2로부터의 신호들은 극들(Cr2||L2 및 Cr4||L4) 및 결합 엘리먼트들(Cc2, J4 및 Cc4)에 의해 형성된 대역 통과 필터를 통해 포트 4로 라우팅된다.
[0027] 접합부들(J1-J4) 각각은 접지된 인덕터들에도 또한 접속되는 회로의 두 노드들 사이에 접속된다. 예를 들어, J1은 접지된 인덕터들(L1 및 L3)에 접속된다. 따라서 접합부들 각각은 RF SQUID를 형성하는 초전도 유도 루프에 내장된다. RF SQUID 루프가 0의 인가 자속을 둘러싸는 경우, 연관된 접합부는 저 인덕턴스 상태에 있으며 마이크로파 신호들의 송신을 가능하게 한다. RF SQUID 루프가 Φ0/2의 상당 부분인 외부에서 인가된 자속을 둘러싸는 경우, 연관된 접합부는 고 인덕턴스 상태에 있으며 마이크로파 신호들의 송신을 허용하지 않는다. 따라서 회로를 통해 마이크로파 신호가 가로지르게 되는 경로는 RF SQUID 루프들 각각에 인가되는 자속들에 의해 제어된다.
[0028] 예를 들어, 실질적으로 0인 자속(ΦON)은 접합부의 저 인덕턴스 상태에 대응하고, ±Φ0/2의 상당 부분인 자속(±ΦOFF)은 접합부의 고 인덕턴스 상태에 대응한다. 예를 들어, 제어 라인(32) 포트 "flux1 in"으로부터 포트 "flux1 out"으로 전류가 공급될 수 있어, 도 2의 변압기를 통해 인덕터(L1)에 결합된 자속이 (ΦOFF + ΦON) /2가 되고, 그 변압기를 통해 인덕터(L2)에 결합된 자속은 -(ΦOFF + ΦON) /2(변압기의 반대 권선으로 인해 음의 부호)가 된다. 더욱이, 제어 라인(34) 포트 "flux2 in"으로부터 "flux2 out"으로 전류가 공급될 수 있어, 변압기를 통해 인덕터(L4)에 결합된 자속이 (ΦOFF - ΦON) /2가 되고 인덕터(L3)에 결합된 자속은 -(ΦOFF - ΦON) /2(변압기의 반대 권선으로 인해 음의 부호)가 된다.
[0029] 이 상황에서, L1-J3-L4 RF SQUID에 의해 둘러싸인 자속은 (ΦOFF + ΦON) /2 + (ΦOFF - ΦON) /2 = ΦOFF이고 J3은 고 인덕턴스 상태이다. 마찬가지로, L2-J2-L3 RF SQUID에 의해 둘러싸인 자속은 -(ΦOFF + ΦON) /2 - (ΦOFF - ΦON) /2 = -ΦOFF이고 접합부(J2)는 또한 고 인덕턴스 상태이다. J1 및 J4가 저 인덕턴스 상태가 되도록 동일한 구성이 L1-J1-L3 및 L4-J4-L2 루프들에서 ±ΦON을 제공한다. 이러한 제어 전류들의 구성의 경우, 포트 1은 포트 3에 접속되고, 포트 2는 포트 4에 접속된다. "flux2" 라인 상에 공급되는 전류의 부호가 반전되어, 현재 전류가 "flux2 out"에서 "flux2 in"으로 흐른다면, 접합부들(J1 및 J4)은 고 인덕턴스 상태가 되는 한편, 접합부들(J2 및 J3)은 저 인덕턴스 상태가 되어, 포트 1은 이제 포트 4에 접속되고, 포트 2는 이제 포트 3에 접속된다.
[0030] 도 3은 애질런트 고급 설계 시뮬레이션(ADS) 툴을 이용한 시뮬레이션에 이용되는 크로스-바 스위치 회로(40)의 개략적인 회로도를 예시한다. 인덕터들(L21, L28, L27, L22)은 조지프슨 접합부들을 나타낸다. 컴포넌트 값들은 입력 및 출력 커패시터들(C28, C32, C41, C39)이 모두 0.48pF가 되고, 분로 커패시터들(C29, C30, C43, C44)이 모두 0.625pF가 되고, 분로 인덕터들(L31+L18, L32+L19, L34+L33, L36+L35)이 모두 429pH가 되게 하며, 예를 들어 L34/(L34+L33)=0.95가 되도록 탭(tap)된다. 저 인덕턴스 상태인 접합부 공칭 인덕턴스들은 모두 882pH이며, 고 인덕턴스 상태는 공칭 값보다 50배 더 큰 인덕턴스를 갖는다. 컴포넌트 값들은 신호 경로가 2차 버터워스(Butterworth) 대역 통과 필터 응답에 가깝도록 선택되었다. Term1 및 Term3은 제1 입력 포트 및 제2 입력 포트를 나타내는 한편, Term2 및 Term4는 제1 출력 포트 및 제2 출력 포트를 나타낸다.
[0031] 도 4는 도 3의 회로의 S-파라미터 시뮬레이션의 그래프(50)를 예시한다. 그래프(50)에서, 스위치는 Term1을 Term2에 접속하고 Term3을 Term4에 접속하는 "바" 위치에 있다. 예시된 바와 같이, 접속된 포트들 사이의 송신은 매우 낮은 삽입 손실 및 거의 4GHz의 대역폭으로 설계된 버터워스 필터 응답을 따른다. 동시에, 서로 접속되지 않은 포트들(도면에서 S23, S41 및 S31)은 30dB보다 양호한 격리를 보여준다. 각기 서로 다른 전달 특성들을 갖는 여러 가지 버전들의 크로스-바 스위치 회로가 설계될 수 있다고 인식되어야 한다. 예를 들어, 4차 체비쇼프 필터 설계로 구축된 스위치는 도 5에 예시된 바와 같이, ADS 툴을 이용하는 4차 체비쇼프의 S-파라미터 시뮬레이션의 그래프(60)에 예시된 바와 같은 S-파라미터 특성들을 제공할 것이다. 따라서 본 명세서에서 설명된 크로스-바 스위치는 예를 들어, 대역폭, 리플, 수 또는 섹션들, 반사 손실 등에 대한 요건들에 맞추도록 다양한 상이한 필터 구성으로 구현될 수 있다.
[0032] 제어 신호들은 RF 신호들보다 훨씬 더 강할 수 있고, 제어 신호 대역으로부터 RF 신호 대역으로의 전류의 누설이 우려될 수 있다고 인식되어야 한다. 제어 신호들은 이러한 누설을 최소화하기 위해 필터의 정지 대역으로 제한될 수 있다. RF 통과 대역의 대역과 대역이 겹치지 않는 저역 통과 필터들을 통해 제어 신호들을 인가함으로써 누설이 더욱 감소될 수 있다. 위에 주어진 예들에서 최대 2GHz의 스위칭 레이트들이 실현 가능해야 한다.
[0033] 스위치를 통해 라우팅될 수 있는 RF 신호들의 강도는 기본적으로 접합부 임계 전류에 의해 제한된다. 위에 주어진 예들에서, 스위치를 통과하게 될 수 있는 최대 RF 전력은 약 -90dBm이다. 크로스-바 스위치 회로는 접합부들(J1-J4) 각각을 원래의 접합부보다 N배 더 큰 임계 전류를 각각이 갖는 N개의 접합부들의 직렬 어레이로 대체함으로써 최대 전력을 증가시키도록 설계될 수 있다고 인식되어야 한다. 예를 들어, N=10(10배 더 높은 임계 전류를 각각 갖는 10개의 접합부들)은 최대 전력을 20dB 증가시킬 것이다.
[0034] 위에서 설명한 것은 본 발명의 예들이다. 물론, 본 발명을 설명하기 위해 컴포넌트들 또는 방법들의 모든 생각할 수 있는 조합을 설명할 수 있는 것이 아니라, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 많은 추가 조합들 및 치환이 가능하다고 인식할 것이다. 이에 따라, 본 발명은 첨부된 청구항들을 포함하여 본 출원의 범위 내에 있는 그러한 모든 변경들, 수정들 및 변형들을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 초전도 크로스-바 스위치 시스템으로서,
    제1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 제1 출력 포트에 그리고 제3 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 제2 출력 포트에 결합된 제1 입력 포트;
    제2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 상기 제1 출력 포트에 그리고 제4 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 통해 상기 제2 출력 포트에 결합된 제2 입력 포트; 및
    바(Bar) 상태에서의 상기 제1 입력 포트에서 상기 제1 출력 포트 그리고 상기 제2 입력 포트에서 상기 제2 출력 포트, 그리고 크로스(Cross) 상태에서의 상기 제1 입력 포트에서 상기 제2 출력 포트 그리고 상기 제2 입력 포트에서 상기 제1 출력 포트 사이에서의 신호들의 선택적 라우팅을 가능하게 하도록 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트들을 서로 반대인 인덕턴스 상태들 간에 변화시킴으로써 상기 바 상태와 상기 크로스 상태 간의 상기 크로스-바 스위치의 설정을 제어하도록 구성된 스위치 제어기를 포함하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트, 제2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트, 제3 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트 및 제4 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트는 각각 N개의 조지프슨 접합부(Josephson junction)들의 직렬 어레이이며, 상기 N개의 조지프슨 접합부들은 각각 단일 조지프슨 접합부보다 N배 더 큰 임계 전류를 갖는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 가변 인덕턴스 엘리먼트는 제1 조지프슨 접합부이고, 상기 제2 가변 인덕턴스 엘리먼트는 제2 조지프슨 접합부이고, 상기 제3 가변 인덕턴스 엘리먼트는 제3 조지프슨 접합부이고, 상기 제4 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트는 제4 조지프슨 접합부인,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 입력 포트와 상기 제1 조지프슨 접합부 및 상기 제3 조지프슨 접합부 사이에 결합된 제1 공진기, 상기 제2 입력 포트와 상기 제2 조지프슨 접합부 및 상기 제4 조지프슨 접합부 사이에 결합된 제2 공진기, 상기 제1 출력 포트와 상기 제1 조지프슨 접합부 및 상기 제2 조지프슨 접합부 사이에 결합된 제3 공진기, 및 상기 제2 출력 포트와 상기 제3 조지프슨 접합부 및 상기 제4 조지프슨 접합부 사이에 결합된 제4 공진기를 더 포함하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 공진기, 상기 제2 공진기, 상기 제3 공진기 및 상기 제4 공진기는 각각 대역 통과 필터의 극(pole)의 적어도 일부를 형성하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 입력 포트와 상기 제1 공진기 사이에 결합된 제1 결합 커패시터, 상기 제2 입력 포트와 상기 제2 공진기 사이에 결합된 제2 결합 커패시터, 상기 제1 출력 포트와 상기 제3 공진기 사이에 결합된 제3 결합 커패시터, 및 상기 제2 출력 포트와 상기 제4 공진기 사이에 결합된 제4 결합 커패시터를 더 포함하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기에 유도 결합된 제1 자속 바이어스 제어 라인을 통하는 전류의 양 및 상기 제3 공진기 및 상기 제4 공진기에 유도 결합된 제2 자속 바이어스 제어 라인을 통하는 전류의 양, 그리고 상기 제1 자속 바이어스 제어 라인 및 상기 제2 자속 바이어스 제어 라인 중 하나를 통하는 전류의 극성을 제어하여 상기 시스템을 바 상태와 크로스 상태 간에 교대하게 하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 공진기, 상기 제1 조지프슨 접합부 및 상기 제3 공진기는 제1 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID: Superconducting Quantum Interference Device)를 형성하고, 상기 제2 공진기, 상기 제2 조지프슨 접합부 및 상기 제3 공진기는 제2 SQUID를 형성하고, 상기 제1 공진기, 상기 제3 조지프슨 접합부 및 상기 제4 공진기는 제3 SQUID를 형성하고, 상기 제2 공진기, 상기 제2 조지프슨 접합부 및 상기 제4 공진기는 제4 SQUID를 형성하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, Φ0이 바 상태에서의 자속 양자와 같은 경우에, 상기 제1 SQUID 및 상기 제4 SQUID가 대략 0의 순 자속을 갖고 상기 제2 SQUID 및 상기 제3 SQUID가 약 0.1Φ0 내지 약 0.45Φ0의 순 자속을 갖고, 그리고 Φ0이 크로스 상태에서의 자속 양자와 같은 경우에, 상기 제2 SQUID 및 상기 제3 SQUID가 대략 0의 순 자속을 갖고 상기 제1 SQUID 및 상기 제4 SQUID가 약 0.1Φ0 내지 약 0.45Φ0의 순 자속을 갖는 결과를 야기하는 전류의 극성 및 전류들을 제공하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 바 상태에서는 상기 제1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트 및 상기 제4 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 저 인덕턴스로, 그리고 상기 제2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트 및 상기 제3 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 고 인덕턴스로 설정하며, 크로스 상태에서는 상기 제1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트 및 상기 제4 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 고 인덕턴스로, 그리고 상기 제2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트 및 상기 제3 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 저 인덕턴스로 설정하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  11. 초전도 스위치 시스템으로서,
    제1 입력 포트를 제1 출력 포트에 결합하는 제1 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID);
    제2 입력 포트를 상기 제1 출력 포트에 결합하는 제2 SQUID;
    상기 제1 입력 포트를 상기 제2 출력 포트에 결합하는 제3 SQUID;
    상기 제2 입력 포트를 상기 제1 출력 포트에 결합하는 제4 SQUID; 및
    상기 제1 SQUID, 상기 제2 SQUID, 상기 제3 SQUID 및 상기 제4 SQUID를 통한 유도 전류의 양을 제어하여, 상기 제1 입력 포트에 제공된 제1 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 상기 제1 출력 포트로 전달되고 상기 제2 입력 포트에 제공된 제2 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 상기 제2 출력 포트에 제공되는 바 상태와, 상기 제1 입력 포트에 제공된 제1 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 상기 제2 출력 포트로 전달되고 상기 제2 입력 포트에 제공된 상기 제2 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 상기 제1 출력 포트에 제공되는 크로스 상태를 번갈아 스위칭하도록 구성된 스위치 제어기를 포함하는,
    초전도 스위치 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 SQUID는 제1 공진기, 제1 조지프슨 접합부 및 제3 공진기로 형성되고, 상기 제2 SQUID는 제2 공진기, 제2 조지프슨 접합부 및 제3 공진기로 형성되고, 제3 SQUID는 상기 제1 공진기, 제3 조지프슨 접합부 및 제4 공진기로 형성되고, 제4 SQUID는 상기 제2 공진기, 제4 조지프슨 접합부 및 상기 제4 공진기로 형성되는,
    초전도 스위치 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 공진기는 상기 제1 입력 포트와 상기 제1 조지프슨 접합부 및 상기 제3 조지프슨 접합부 사이에 결합되고, 상기 제2 공진기는 상기 제2 입력 포트와 상기 제2 조지프슨 접합부 및 상기 제4 조지프슨 접합부 사이에 결합되고, 상기 제3 공진기는 상기 제1 출력 포트와 상기 제1 조지프슨 접합부 및 상기 제2 조지프슨 접합부 사이에 결합되고, 상기 제4 공진기는 상기 제2 출력 포트와 상기 제3 조지프슨 접합부 및 상기 제4 조지프슨 접합부 사이에 결합되는,
    초전도 스위치 시스템.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기에 유도 결합된 제1 자속 바이어스 제어 라인을 통하는 전류의 양 및 상기 제3 공진기 및 상기 제4 공진기에 유도 결합된 제2 자속 바이어스 제어 라인을 통하는 전류의 양, 그리고 상기 제1 자속 바이어스 제어 라인 및 상기 제2 자속 바이어스 제어 라인 중 하나를 통하는 전류의 극성을 제어하여 상기 시스템을 바 상태와 크로스 상태 간에 교대하게 하는,
    초전도 스위치 시스템.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 입력 포트와 상기 제1 공진기 사이에 결합된 제1 결합 커패시터, 상기 제2 입력 포트와 상기 제2 공진기 사이에 결합된 제2 결합 커패시터, 상기 제1 출력 포트와 상기 제3 공진기에 결합된 제3 결합 커패시터, 및 상기 제2 출력 포트와 상기 제4 공진기 사이에 결합된 제4 결합 커패시터를 더 포함하는,
    초전도 스위치 시스템.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 공진기, 상기 제2 공진기, 상기 제3 공진기 및 상기 제4 공진기는 각각 대역 통과 필터의 극의 적어도 일부를 형성하는,
    초전도 스위치 시스템.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 바 상태와 크로스 상태 간의 선택시, Φ0이 바 상태에서의 자속 양자와 같은 경우에, 상기 제1 SQUID 및 상기 제4 SQUID가 대략 0의 순 자속을 갖고 상기 제2 SQUID 및 상기 제3 SQUID가 약 0.1Φ0 내지 약 0.45Φ0의 순 자속을 갖고, 그리고 Φ0이 크로스 상태에서의 자속 양자와 같은 경우에, 상기 제2 SQUID 및 상기 제3 SQUID가 대략 0의 순 자속을 갖고 상기 제1 SQUID 및 상기 제4 SQUID가 약 0.1Φ0 내지 약 0.45Φ0의 순 자속을 갖는 결과를 야기하는 전류의 극성 및 전류들을 제공하는,
    초전도 스위치 시스템.
  18. 초전도 크로스-바 스위치 시스템으로서,
    제1 입력 포트를 제1 출력 포트에 결합하는 제1 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID), 제2 출력 포트를 상기 제1 출력 포트에 결합하는 제2 SQUID, 상기 제1 입력 포트를 상기 제2 출력 포트에 결합하는 제3 SQUID, 및 상기 제2 입력 포트를 상기 제1 출력 포트에 결합하는 제4 SQUID를 포함하는 필터 네트워크 ― 상기 제1 SQUID는 제1 공진기, 제1 조지프슨 접합부 및 제3 공진기로 형성되고, 상기 제2 SQUID는 제2 공진기, 제2 조지프슨 접합부 및 제3 공진기로 형성되고, 제3 SQUID는 상기 제1 공진기, 제3 조지프슨 접합부 및 제4 공진기로 형성되고, 제4 SQUID는 상기 제2 공진기, 제4 조지프슨 접합부 및 상기 제4 공진기로 형성되어, 상기 제1 공진기는 상기 제1 입력 포트와 상기 제1 조지프슨 접합부 및 상기 제3 조지프슨 접합부 사이에 결합되고, 상기 제2 공진기는 상기 제2 입력 포트와 상기 제2 조지프슨 접합부 및 상기 제4 조지프슨 접합부 사이에 결합되고, 상기 제3 공진기는 상기 제1 출력 포트와 상기 제1 조지프슨 접합부 및 상기 제2 조지프슨 접합부 사이에 결합되고, 상기 제4 공진기는 상기 제2 출력 포트와 상기 제3 조지프슨 접합부 및 상기 제4 조지프슨 접합부 사이에 결합됨 ―; 및
    상기 제1 SQUID, 상기 제2 SQUID, 상기 제3 SQUID 및 상기 제4 SQUID를 통한 유도 전류의 양을 제어하여, 상기 제1 입력 포트에 제공된 제1 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 상기 제1 출력 포트로 전달되고 상기 제2 입력 포트에 제공된 제2 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 상기 제2 출력 포트에 제공되는 바 상태와, 상기 제1 입력 포트에 제공된 제1 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 상기 제2 출력 포트로 전달되고 상기 제2 입력 포트에 제공된 상기 제2 입력 신호의 원하는 대역폭 부분은 상기 제1 출력 포트에 제공되는 크로스 상태를 번갈아 스위칭하도록 구성된 스위치 제어기를 포함하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기에 유도 결합된 제1 자속 바이어스 제어 라인을 통하는 전류의 양 및 상기 제3 공진기 및 상기 제4 공진기에 유도 결합된 제2 자속 바이어스 제어 라인을 통하는 전류의 양, 그리고 상기 제1 자속 바이어스 제어 라인 및 상기 제2 자속 바이어스 제어 라인 중 하나를 통하는 전류의 극성을 제어하여 상기 시스템을 바 상태와 크로스 상태 간에 교대하게 하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 입력 포트와 상기 제1 공진기 사이에 결합된 제1 결합 커패시터, 상기 제2 입력 포트와 상기 제2 공진기 사이에 결합된 제2 결합 커패시터, 상기 제1 출력 포트와 상기 제3 공진기에 결합된 제3 결합 커패시터, 및 상기 제2 출력 포트와 상기 제4 공진기 사이에 결합된 제4 결합 커패시터를 더 포함하는,
    초전도 크로스-바 스위치 시스템.
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