ジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路、交流電圧標準回路、及び交流電圧標準装置
【課題】プログラマブルジョセフソン電圧標準に基づく交流電圧標準は、階段状の波形により近似された擬似正弦形になってしまう問題があるので、１Ｖ以上の高い振幅を持つ理想的な正弦波に代表される交流波形を発生することを目的とする。
【解決手段】ジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路であって、ジョセフソン素子を所定数個直列接続してなるセグメントを複数個備え、各セグメントに印加するバイアス電流を制御することにより、階段状の交流電圧を発生するプログラマブルジョセフソン電圧標準回路と、高速単一磁束量子方式電圧標準又はパルス駆動方式電圧標準からなる第２の回路とを、直列に接続して出力電圧の和を得て、理想的な交流波形を出力する。
【解決手段】ジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路であって、ジョセフソン素子を所定数個直列接続してなるセグメントを複数個備え、各セグメントに印加するバイアス電流を制御することにより、階段状の交流電圧を発生するプログラマブルジョセフソン電圧標準回路と、高速単一磁束量子方式電圧標準又はパルス駆動方式電圧標準からなる第２の回路とを、直列に接続して出力電圧の和を得て、理想的な交流波形を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い振幅を持つ理想的な滑らかな交流波形を発生することができるジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路、交流電圧標準回路及び交流電圧標準装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、交流電圧等の計測器の校正の基準として交流電圧標準が用いられている。近年、電子機器の製造や通信計測などの産業において使用される計測器の測定精度の向上に伴い、高性能な交流電圧標準が望まれている。交流電圧標準とは、理想的な正弦波電圧を発生させる装置であり、より高い振幅及び周波数の電圧を、より高い精度で出力することが望まれている。
【０００３】
超伝導技術分野において、ジョセフソン素子を用いた高性能な回路が開発されている。図４は、ジョセフソン素子の模式図である。ジョセフソン素子は、薄い障壁層２（絶縁体Ｉｎｓｕｌａｔｏｒまたは常伝導体Ｎｏｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を２つの超伝導体（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）１で挟んだサンドイッチ構造を有したトンネル効果を利用する素子である。ジョセフソン素子はジョセフソン接合（ＳＩＳ又はＳＮＳ接合）を備えている。ジョセフソン素子に対してある周波数ｆのマイクロ波を照射しておき、さらに電流を流すと、素子の両端にはマイクロ波の周波数ｆのみで決まる一定の電圧（Ｖ＝ｈｆ／２ｅ）が発生する。ここで、ｅは電気素量、ｈはプランク定数である。また電流を流さなければ、発生電圧は完全にゼロとなる。ここで流す電流をバイアス電流と呼ぶ。図５は、ジョセフソン素子におけるバイアス電流Ｉと電圧Ｖの関係を示す図である。図５に示すように、バイアス電流の値を制御することで、素子の両端にはマイクロ波の周波数ｆによってのみ決まる高精度定電圧ステップ（ｈｆ／２ｅ）が発生する。また、マイクロ波の周波数は非常に高精度で制御可能であるため、ジョセフソン素子の両端で得られる電圧値も非常に高精度に制御できる。しかし一般に、ジョセフソン素子１個あたりの電圧は数十μＶ程度と非常に小さい。そこで、必要な電圧（１Ｖ以上）を得るためには、ジョセフソン素子を数万個以上直列に接続したアレーを構成して、全体として１Ｖが得られるようにして用いている。
【０００４】
現在、ジョセフソン素子を直列に接続したアレーを利用したプログラマブルジョセフソン電圧標準（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔａｎｄａｒｄ： ＰＪＶＳ）方式が、知られている（特許文献１〜３参照）。プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）方式では、任意の直流電圧を発生させることができ、直流電圧標準（直流ＰＪＶＳ）として実用化されている。プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）アレーから任意の電圧を得るために、デジタル−アナログ変換器として動作させるための工夫がなされている。
【０００５】
直流電圧標準として実用化されているプログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）を発展させて、交流電圧標準として、交流電圧を合成するための交流プログラマブルジョセフソン電圧標準（交流ＰＪＶＳ）の研究が進められている（非特許文献１参照）。
【０００６】
プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）は、任意振幅の電圧を発生させるために、デジタル−アナログ変換器として構成される。多数個のジョセフソン素子が直列接続されたアレーを、例えば２のべき乗に比例する素子数を持つようなセグメントに分割し、各セグメントに対してバイアス電流源を接続する構造からなる。バイアス電流が供給されたセグメントからは一定の高精度電圧が出力され、逆にバイアス電流をゼロにするとそのセグメントの電圧は完全にゼロとなる。このようにして各セグメントのバイアス電流のＯＮ／ＯＦＦを制御することによって、アレーから任意の値の電圧をプログラマブルに発生させることができる。
【０００７】
交流プログラマブルジョセフソン電圧標準（交流ＰＪＶＳ）の原理を以下に説明する。交流ＰＪＶＳは、直流ＰＪＶＳと基本的には同じ回路構成である。直流ＰＪＶＳが直流のバイアス電流を供給し直流の高精度電圧を出力するのに対して、交流ＰＪＶＳは、各セグメントに供給するバイアス電流（Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、・・・、Ｉｎ）のＯＮ／ＯＦＦを時間的に制御してアレーからの高精度電圧値ＶＰＪＶＳを時々刻々と変化させて正弦波電圧を合成する。
【０００８】
図６は、交流電圧波形の例として正弦波電圧波形を発生するためのプログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）の回路図である。図６の回路図は、プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子部６１と、バイアス電流源を制御するための手段である、正弦波電圧波形入力装置６４、パルスパターン変換装置６５及びパルスパターン生成装置６６を備えている。
【０００９】
プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子６１は、ジョセフソン素子（×印）が直列に所定数個（例えば２のべき乗個）接続された区間（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２・・・、Ｓｎ。「セグメント」と呼ぶ。）に対してバイアス電流源（Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、・・・、Ｉｎ）を接続し、これらの区間（セグメントＳ０、Ｓ１、Ｓ２・・・、Ｓｎ）を直列に所定数接続する構造を備える。例えば、セグメントＳ０は２の０乗である１個の素子数、セグメントＳ１は、２の１乗である２個の素子数、セグメントＳ２は２の２乗である４個の素子数、セグメントＳ３は２の３乗である８個の素子数、そしてセグメントＳｎは２のｎ乗である２n 個の素子数からなる。
【００１０】
図７は、２のべき乗（２ｉ）の素子数のジョセフソン素子を直列に接続したセグメントＳｉにおけるバイアス電流Ｉｉと発生電圧Ｖｉ の電流電圧特性を示す図である。図７に示すように、バイアス電流を制御することで、各セグメントＳｉの両端には素子数とマイクロ波の周波数ｆによってのみ決まる高精度定電圧ステップＶｉ が発生する。各バイアス電流源をスィッチングして制御すると、対応するセグメントからは３値の電圧値Ｖｉ を得ることができる。各バイアス電流源を例えばゼロ／プラス／マイナスの３値で制御するとよい。
Ｖｉ ＝（ｈｆ／２ｅ）×ａｉ×２ｉ
ただし、ａｉ＝０，＋１，−１
【００１１】
そして、図６に示すように、パルスパターン生成装置６６からの信号によりこれらのバイアス電流源を制御することによって、プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子のアレーから以下の式で表される任意の高精度で高振幅である電圧 Ｖout を得ることができる。プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子の電圧出力をＶＰＪＶＳと表す。
Ｖout ＝（ｈｆ／２ｅ）（ａ0×２0＋ａ1×２1＋・・・ａn×２n）
ただし、ａｉ＝０，＋１，−１
【００１２】
次に交流電圧標準の目的とするところの所望の交流周波数の正弦波電圧を合成した例を説明する。図８は、プログラマブルジョセフソン電圧標準方式により発生させた合成正弦波電圧波形の図である。任意の所望の交流周波数をｆとおくとき、正弦波１周期Ｔ＝１／ｆをＮ分割でサンプリングし、各サンプリング周期Ｔｓ＝１／Ｎｆ毎にバイアス電流を切り替えて、その間プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子のアレーからの電圧が一定となるように動作させている。交流ＰＪＶＳは、ジョセフソン素子を多段に接続することによって、１Ｖ以上もの高い電圧値を稼ぐことが容易であるという利点がある。各サンプリング時間は電圧を一定値に保持する必要性から、合成された電圧波形は真の正弦波形とはならず、階段状の波形により近似された擬似正弦波形になっている。
【００１３】
プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）方式以外の交流電圧標準方式として、高速単一磁束量子（Ｒａｐｉｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕｍ： ＲＳＦＱ）回路に基づく方式（以下、「高速単一磁束量子方式交流電圧標準」または「ＲＳＦＱ方式」）という。）がある（非特許文献２参照）。ＲＳＦＱ方式は、ＰＪＶＳ方式同様ジョセフソン素子を用いているが、ＰＪＶＳ方式とは異なった原理で高精度電圧を発生する。
【００１４】
高速単一磁束量子（ＲＳＦＱ）方式交流電圧標準の原理を説明する。超伝導現象に関する基本性質の一つとして、磁束の量子化が挙げられる。超伝導体で構成されたリング内では磁束は量子化され、Φ０の整数倍の値のみを取りうる。Φ０とは量子化された磁束の最小単位であり、単一磁束量子（Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕｍ、以下「ＳＦＱ」という）という。このＳＦＱを情報担体とする高速単一磁束量子回路（Ｒａｐｉｄ ＳＦＱ：ＲＳＦＱ回路）とは、数１０ギガヘルツ以上の超高速動作と、低消費電力特性を特徴とする超伝導回路であり、次世代高性能集積回路として研究がなされている。この高速単一磁束量子回路を交流電圧波形生成に応用したものが高速単一磁束量子方式交流電圧標準である。図９は、高速単一磁束量子方式交流電圧標準の回路図である。高速単一磁束量子方式交流電圧標準は、主として、高精度電圧を出力するための超伝導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ： ＳＱＵＩＤ）アレー９２と、それを超高速で駆動するための高速単一磁束量子回路（以後ＳＱＵＩＤアレー駆動回路とよぶ）９３から構成される。超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）アレー９２は、図９のように、２個のジョセフソン素子と２個のインダクタンスから構成されるＳＱＵＩＤセル（ＳＣｉ）がアレー状にＮ個（ＳＣ１、ＳＣ２、・・・・ＳＣＮ）接続されたものである。ＳＱＵＩＤアレー駆動回路も同様にＮ個のセルに分割され（Ｃ１、Ｃ２、・・・ＣＮ：駆動セルとよぶ）、各ＳＱＵＩＤセル（ＳＣ１、ＳＣ２、・・・・ＳＣＮ）とそれぞれ相互インダクタンスにより結合している。所望の電圧波形を電圧波形入力装置９４に入力すると、パルスパターン変換装置９５とパルスパターン生成装置９６とを経由して、電圧波形はパルス密度変調されて０／１ビット系列へと変換される。パルス生成装置９７からパルス系列Ｖｉｎとして高速に出力される（ｉ）。後段のＳＱＵＩＤアレー駆動回路９３とＳＱＵＩＤアレー９２は、パルス系列Ｖｉｎを高精度量子化電圧パルスの系列に変換後、パルス密度復調を行うための回路である。以下その動作について述べる。生成された高速パルス系列ＶｉｎがＳＱＵＩＤアレー駆動回路９３へ入力されると、同回路内にて量子化された電圧パルス（ＳＦＱパルス）の系列へと変換される（ｉｉ）。変換されたＳＦＱパルスは、駆動セルＣ１から駆動セルＣＮへと上から下に伝搬していく。一方で各駆動セルは対応する各ＳＱＵＩＤセルと相互インダクタンスにより結合しており、駆動セルを通過したＳＦＱパルスはこの結合を通してＳＱＵＩＤセルに伝搬する。ＳＱＵＩＤセルにＳＦＱパルスが入ると、ＳＱＵＩＤセルから直ちにＳＦＱパルスが出力され、Ｎ段のＳＱＵＩＤセルによってＮ倍の振幅を持つ高精度量子化パルスに増幅されて出力される（ｉｉｉ）。ＳＱＵＩＤアレーの後段には、実際には出力電圧を取り出すためにケーブル等が接続される。ケーブルの帯域は実際には有限であることから低域通過フィルタすなわち積分回路が接続されているのと等価であり、それによって高精度量子化電圧パルスの系列はパルス密度復調がかけられて、最終的には高精度な電圧波形出力ＶＲＳＦＱとして取り出すことができる（ｉｖ）。
【００１５】
このＲＳＦＱ方式交流電圧標準では、このＳＦＱパルスを担体として用いることで所望の電圧波形を合成する。ＳＦＱパルスとは、量子化されたピコ秒時間幅の電圧パルスであるため、これを必要な個数分発生させて制御することによって非常に高精度な任意電圧を得ることができるという利点がある。またＲＳＦＱ回路の持つ高速パルス密度変復調機能により、任意の高精度・広帯域な電圧波形を生成可能であるという利点がある。
【００１６】
さらに、プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）方式以外の交流電圧標準方式として、パルス駆動（Ｐｕｌｓｅ Ｄｒｉｖｅｎ：ＰＤ）型交流電圧標準方式がある（特許文献４参照）。図１０は、パルス駆動方式交流電圧標準の回路図である。パルス駆動方式交流電圧標準素子１０１は、約１００００のジョセフソン素子を直列に接続したジョセフソン素子アレーの回路から構成され、両端から電圧ＶＰＤを出力する。所望の電圧波形情報を電圧波形入力装置１３４へ入力する。電圧波形入力装置１３４から出力された電圧波形情報は、パルスパターン変換装置１３８によりパルス密度変調が行われ、所定の電圧振幅情報をパルス密度情報へと変換する。この密度情報は、パルスパターン生成装置１３９によって０／１ビット系列に変換され、パルス生成装置１４０から高速パルス系列Ｖｉｎとして出力される（ｉ）。高速パルス系列Ｖｉｎは、パルス駆動方式電圧標準素子１０１に入力されると、アレー内のジョセフソン素子によって量子化された高精度電圧パルスの系列に変換され、素子数に比例した振幅のパルス系列として出力される（ｉｉ）。ジョセフソン素子アレーには実際には出力電圧を取り出すためにケーブル等に接続される。ケーブルの帯域は実際には有限であることから低域通過フィルタすなわち積分回路が接続されているのと等価であり、それによって高精度量子化電圧パルスの系列はパルス密度復調がかけられて、最終的には高精度な電圧波形出力ＶＰＤとして取り出すことができる（ｉｉｉ）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００４−１７２６９２号公報
【特許文献２】特開２００５−３００３１７号公報
【特許文献３】特表２０００−５１４９５７号公報
【特許文献４】特開２００６−１４８２７１号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Ｃ．Ａ．Ｈａｍｉｌｔｏｎ，Ｃ．Ｊ．Ｂｕｒｒｏｕｇｈｓ，ａｎｄ Ｒ．Ｌ．Ｋａｕｔｚ， “Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ Ｄ／Ａ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ａｃｃｕｒａｃｙ” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅａｓｕｅｒｅｍｅｎｔ，ｖｏｌ．４４，ｎｏ．２，ｐｐ．２２３−２２５，Ａｐｒｉｌ １９９５．
【非特許文献２】Ｃ．Ａ．Ｈａｍｉｌｔｏｎ， “Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｆｌｕｘ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｖｏｌ．２，ｎｏ．３，ｐｐ．１３９−１４２，Ｓｅｐ．１９９２．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）に基づく交流ＰＪＶＳは、ジョセフソン素子を多段に接続することによって、１Ｖ以上もの高い電圧値を稼ぐことが容易であるという利点がある一方で、その原理上、合成された電圧波形は真の正弦波形とはならず、階段状の波形により近似された擬似正弦形になってしまう。また、バイアス電流の切り替え時刻において電圧波形は急峻に立ち上がる（または立ち下がる）ため、これに起因する高調波成分が含まれてしまう欠点がある。その高調波成分は出力ケーブルを通して伝送する際に減衰しやすく、電圧誤差の要因になるという問題がある。
【００２０】
一方、高速単一磁束量子方式交流電圧標準は、ＲＳＦＱ回路の持つ電圧パルスの量子性と高速パルス密度変復調機能により、任意の高精度・広帯域電圧波形を高速に合成可能であるという利点があるものの、回路構成が複雑で回路パラメータのばらつきの影響を受けやすい等の理由により、素子数を増やして電圧を稼ぐことが難しく、１０ｍＶ以下程度の低い電圧しか得られない。よって、高速単一磁束量子方式交流電圧標準では、１０ｍＶを超える所望の電圧の振幅のものが得られないという問題がある。
【００２１】
また、パルス駆動方式交流電圧標準は、電圧パルスの量子性と高速パルス密度変復調機能により、任意の高精度・広帯域電圧波形を高速に合成可能であるという利点があるものの、終端抵抗において発生するコモンモードノイズによる不安定性により、素子段数を増やすことが難しく、１００ｍＶ以下程度の低い電圧振幅しか得られないという欠点がある。
【００２２】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、高い振幅を持つ電圧波形を高精度に出力する交流電圧発生回路、交流電圧標準回路及び交流電圧標準装置を実現することを目的とするものである。さらに、本発明は、ジョセフソン素子を用いた回路において、交流ＰＪＶＳの発生する階段状の疑似波形ではなく、より真の正弦波形に近い正弦波形を出力することを目的とし、１Ｖ以上の高い振幅を持つ正弦波電圧を出力することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
そして、本発明は、上記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００２４】
本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路は、ジョセフソン素子を所定数個直列接続してなるセグメントを複数個備え、各セグメントに印加するバイアス電流を制御することにより、階段状の交流電圧を発生する第１の回路と、量子化された電圧パルスを発生するジョセフソン素子からなる第２の回路とからなることを特徴とするものである。また、前記第１の回路として、プログラマブルジョセフソン電圧標準を用いることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第２の回路は、所望の交流電圧波形と階段状の交流電圧波形との差分波形を出力することを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路は、第１の回路と第２の回路を直列に接続して出力電圧の和を出力電圧とすることを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路において、所望の交流電圧波形は、代表的には、正弦波波形であり、第２の回路は、正弦波の交流電圧波形と階段状の疑似正弦波波形との差分波形を出力することを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第２の回路は、量子化された電圧パルスを用いてパルス密度変復調を行うことにより差分波形を合成して出力することを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路は、第２の回路として、高速単一磁束量子方式の回路又はパルス駆動方式の回路を用いることを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路は、１Ｖ以上の高い振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することができる。
【００２７】
本発明の交流電圧発生回路は、交流電圧標準に用いる回路であることを特徴とする。
【００２８】
本発明の交流電圧標準装置は、本発明の交流電圧発生回路を備え、正弦波波形と疑似正弦波波形の差分波形を計算する手段を備えることを特徴とするものである。交流電圧標準装置において、少なくともジョセフソン素子を含む回路部分は超伝導のための低温状態に置かれている。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、ジョセフソン素子を用いた回路において、高い振幅を持つ電圧波形を高精度に出力する交流電圧を発生することができる。また、本発明の交流電圧標準回路や交流電圧標準装置によれば、交流ＰＪＶＳの発生する階段状の疑似波形ではなく、より真の正弦波形に近似されているので、１Ｖ以上の高い振幅を持つ電圧波形を高精度に出力させることができ、滑らかで完全正確な正弦波電圧を合成することができる。また、交流電圧発生回路において、バイアス電流の切り替え時刻において電圧波形に起因する高調波成分が実質的に解消するので、電圧誤差がなくすことができる。また、第１の回路（例えばＰＪＶＳ方式）と第２の回路（例えば、高速単一磁束量子方式の回路又はパルス駆動方式の回路）を組み合わせる形態としては、マルチチップ実装技術を用いてそれぞれの回路のチップを直列に接続することで作成すれば、簡単に作成できまた低コストで作成できる。また、これらのチップを１つのチップ内に集積すれば、より低コスト化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路の第１の実施の形態の回路図。
【図２】本発明を説明するための交流電圧波形を示す図。
【図３】本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路の第２の実施の形態の回路図。
【図４】ジョセフソン素子の模式図。
【図５】ジョセフソン素子におけるバイアス電流Ｉと電圧Ｖの関係を示す図。
【図６】正弦波電圧波形を発生するためのプログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）の回路図。
【図７】セグメントにおけるバイアス電流と発生電圧の電流電圧特性を示す図。
【図８】プログラマブルジョセフソン電圧標準方式により発生させた合成正弦波電圧波形の図。
【図９】高速単一磁束量子方式交流電圧標準の回路図。
【図１０】パルス駆動方式交流電圧標準の回路図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本願発明は、プログラマブルジョセフソン電圧標準方式（ＰＪＶＳ方式）と他の方式とを融合させてなるハイブリッド方式の交流波形出力回路である。
【００３２】
（第１の実施の形態）
本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧波形出力回路の第１の実施の形態について、図１及び図２を参照して以下説明する。図１は、プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）方式とＲＳＦＱ方式交流電圧標準とを直列に接続して、両者のハイブリッド方式を実現した回路図である。図２は、本発明を説明するための交流電圧波形を示す図である。
【００３３】
ＰＪＶＳ方式とＲＳＦＱ方式とを直列に接続し、両者の和電圧として理想的な正弦波電圧波形出力を得る。ＰＪＶＳ方式は、１Ｖ以上の高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形を生成する。そこで、真の正弦波形とその擬似正弦波形との間の差電圧を、連続的・広帯域な任意電圧波形を発生可能なＲＳＦＱ方式により生成する。これによって、ＰＪＶＳ方式とＲＳＦＱ方式の和電圧として、１Ｖ以上の振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することが可能となる。
【００３４】
図１の回路は、プログラマブルジョセフソン電圧標準素子１１と高速単一磁束量子方式交流電圧標準のＳＱＵＩＤアレー１２を直列に接続して構成されている。さらに、図１の回路は、正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置１７を備えていることを特徴とする。
【００３５】
プログラマブルジョセフソン電圧標準素子１１は、多数個のジョセフソン素子（×印）が直列接続されたアレーを、２のべき乗に比例する素子数を持つようなセグメント（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓｎ）に分割し、それらの各セグメントに対してバイアス電流源（Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２・・・Ｉｎ）を接続する構造からなる。さらに、バイアス電流源を制御するために、正弦波電圧波形入力装置１４、疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置１５及びパルスパターン生成装置１６を備えている。正弦波電圧波形入力装置１４は、所望の理想正弦波の電圧振幅・周波数情報を入力するための装置である。疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置１５は、従来例で説明した図８で図示した階段状となってしまう従来の正弦波波形を出力するためのパルスパターン変換装置６５（図６）と同じでよい。これは、正弦波電圧波形入力装置１４から得られた理想正弦波情報をもとに、これを階段状の擬似正弦波形に近似・変換する装置である。パルスパターン生成装置１６は、擬似正弦波形を得るためのバイアス電流供給パターン（ゼロ／マイナス／プラス）を決定し、後段のバイアス電流源へ制御信号を送信するための装置である。この構成は、従来のプログラマブルジョセフソン電圧標準素子回路と同様である。プログラマブルジョセフソン電圧標準素子１１は、高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形ＶＰＪＶＳ （図２（ａ）参照）を出力する。
【００３６】
本発明の正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置１７は、正弦波電圧波形入力装置１４の出力信号に基づく理想的な正弦波波形と、正弦波電圧波形入力装置１４からの出力信号に基づきプログラマブルジョセフソン電圧標準素子１１が出力する疑似正弦波波形との差分の波形を計算する。具体的には、正弦波電圧波形入力装置１４から得られる理想正弦波情報と、擬似正弦波形用パルスパターン変換装置１５から得られる擬似正弦波情報をもとに、それら両者の差分波形を計算する。正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置１７からの差分電圧波形情報に基づき、パルスパターン変換装置１８は差分波形に対してパルス密度変調を行い、波形の振幅情報をパルス列の密度情報へと変換する。パルスパターン生成装置１９は、パルス密度情報を０／１ビット系列へ変換・生成し出力する。パルス生成装置２０は、０／１ビット系列をパルス信号系列へと変換し、Ｖｉｎとして出力する。
【００３７】
ＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３は、Ｎ個の駆動セル（Ｃ１、Ｃ２、・・・ＣＮ）を備えている。パルス生成装置２０からのパルス信号系列Ｖｉｎが同回路内に入力されると、量子化された高精度電圧パルス（ＳＦＱパルス）の系列に変換され、駆動セルＣ１から駆動セルＣＮへと上から下に伝搬していく。一方で各駆動セル（Ｃ１、Ｃ２、・・・ＣＮ）は、対応する各ＳＱＵＩＤセル（ＳＣ１、ＳＣ２、・・・ＳＣＮ）と相互インダクタンスにより結合しており、駆動セルを通過したＳＦＱパルスはこの結合を通してＳＱＵＩＤセルに伝搬する。ＳＱＵＩＤセルにＳＦＱパルスが入ると、ＳＱＵＩＤセルから直ちにＳＦＱパルスが出力される。ＳＦＱパルス系列は最終的にはＮ倍の振幅を持つ高精度量子化電圧パルスの系列に増幅され、ＳＱＵＩＤアレー１２から出力される。実際にはその後段には電圧を取り出すためのケーブルが接続されるが、それの周波数帯域は有限であることから帯域制限がかかり、その積分作用によってパルス密度復調がかけられて振幅情報に戻されて、最終的には高精度な任意電圧波形ＶＲＳＦＱとして出力される。
【００３８】
このように、ＰＪＶＳにより、高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形ＶＰＪＶＳ を生成する。一方、差分波形計算装置により求めた差分を、広帯域任意波形の生成可能なＲＳＦＱ方式電圧標準で生成する（ＶＲＳＦＱ）。そして、ＰＪＶＳ素子の出力ＶＰＪＶＳ とＲＳＦＱ方式電圧標準素子の出力ＶＲＳＦＱ のトータルの電圧（ＶＰＪＶＳ ＋ＶＲＳＦＱ ）として、正確な真の正弦波形を合成することができる。
【００３９】
ここで、図２は、本願発明の原理を説明するための図である。図２（ａ）は、プログラマブルジョセフソン電圧標準回路からの電圧波形を示す。背景技術の説明において図８でも示したように、階段状の擬似的な正弦波の波形を生成する。例えば１Ｖ以上の大きい振幅の波形を生成する。図２（ｂ）は、ＲＳＦＱ方式からの電圧波形を示す。真の正弦波波形と、ＰＪＶＳ方式の生成する擬似正弦波形との間の差電圧を、ＲＳＦＱ方式により生成するものである。ＲＳＦＱ方式によれば、振幅は高くはないが、任意の波形を高速に合成することができる。図２（ｃ）は、ＰＪＶＳ方式とＲＳＦＱ方式の回路を直列に接続することにより、両者の電圧波形の和として、真の正弦波形を合成することを示す図である。ＰＪＶＳ方式とＲＳＦＱ方式との組み合わせによって、滑らかで理想的な正弦波形を合成することができる。
【００４０】
図２（ｂ）の波形を生成するための、図１におけるＲＳＦＱ方式の動作について以下詳しく説明する。図１において、正弦波−擬似正弦波差分波形計算装置１７、パルスパターン変換装置１８、パルスパターン生成装置１９、パルス生成装置２０、ＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３及びＳＱＵＩＤアレー１２が、主に該動作を行う。パルスパターン変換装置１８は、正弦波−擬似正弦波差分波形計算装置１７から得られた差分電圧波形情報に基づき、その差分波形に対してパルス密度変調を行い、差分波形の振幅情報をパルス列の密度情報へと変換する装置である。パルスパターン生成装置１９は、パルス密度情報を０／１ビット系列へ変換・生成し出力する装置である。パルス生成装置２０は、０／１ビット系列をパルス信号へと変換し出力する装置である。ＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３へ入力されたパルス系列Ｖｉｎは、同回路内において直ちに量子化された高精度電圧パルス（ＳＦＱパルス）系列に変換される。ＳＦＱパルスの振幅は微小のため、十分な振幅を得るために増幅する必要があり、ＳＱＵＩＤアレー１２と、それを駆動するためのＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３を用いて量子性を維持したまま増幅する。ＳＦＱパルスへ変換された入力信号Ｖｉｎは、その後ＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３内の駆動セルＣ１から駆動セルＣＮへと順次伝搬していく。各駆動セルはＳＱＵＩＤセルと相互インダクタンスにより結合しており、ＳＦＱパルスが駆動セルを通過した瞬間に対応するＳＱＵＩＤセルに伝搬し、直ちにＳＱＵＩＤセルからＳＦＱパルスとして出力される。このとき、Ｎ段のＳＱＵＩＤセルの直列接続であるＳＱＵＩＤアレー１２からは、ＳＦＱパルスの振幅をＮ倍に増幅した高精度量子化電圧パルスとして出力される。以上、パルス密度変調されたパルス信号系列（ｉ）はＶｉｎとしてＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３へ入力後、ＳＦＱパルスの系列（ｉｉ）に変換され、その後ＳＱＵＩＤアレー１２の直後の出力からＮ倍に増幅された高精度量子化電圧パルスの系列として出力される（ｉｉｉ）。これの後段に接続される低域通過フィルタによってパルス密度復調がかけられ振幅情報に戻されて、高精度な任意電圧波形として出力され、図２（ｂ）の波形が生成される（ｉｖ）。
【００４１】
（第２の実施の形態）
本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧波形出力回路の第２の実施の形態について、図３及び図２を参照して以下説明する。図３は、プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ方式）素子とパルス駆動方式交流電圧標準素子とを直列に接続して、両者のハイブリッド方式を実現した回路図である。
【００４２】
プログラマブルジョセフソン電圧標準素子（ＰＪＶＳ方式）とパルス駆動方式交流電圧標準とを直列に接続し、両者の和電圧として理想的な正弦波電圧波形出力を得る。ＰＪＶＳ方式は、１Ｖ以上の高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形ＶＰＪＶＳを生成する。そこで、真の正弦波形と擬似正弦波形ＶＰＪＶＳとの間の差電圧を、連続的・広帯域な任意電圧波形を発生可能なパルス駆動方式電圧標準により生成する。これによって、ＰＪＶＳ方式とパルス駆動方式電圧標準の和電圧として、１Ｖ以上の振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することが可能となる。
【００４３】
図３の回路は、プログラマブルジョセフソン電圧標準素子３１とパルス駆動方式交流電圧標準素子３２を直列に接続して構成されている。さらに、図３の回路は、正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置３７を備えている。
【００４４】
プログラマブルジョセフソン電圧標準素子３１は、多数個のジョセフソン素子（×印）が直列接続されたアレーを、２のべき乗に比例する素子数を持つようなセグメントに分割し、それらの各セグメントに対してバイアス電流源を接続する構造からなる。さらに、バイアス電流源を制御するために、正弦波電圧波形入力装置３４、疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置３５及びパルスパターン生成装置３６を備えている。正弦波電圧波形入力装置３４は、所望の理想的な正弦波の電圧振幅・周波数情報を入力するための装置である。疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置３５は、従来例で説明した図８で図示した階段状となってしまう従来の正弦波波形を出力するためのパルスパターン変換装置６５（図６）と同じでよい。これは、正弦波電圧波形入力装置３４から得られた理想正弦波情報をもとに、これを階段状の擬似正弦波形に近似・変換する装置である。パルスパターン生成装置３６は、擬似正弦波形を得るためのバイアス電流供給パターン（ゼロ／マイナス／プラス）を決定し、後段のバイアス電流源へ制御信号を送信するための装置である。この構成は、従来のプログラマブルジョセフソン電圧標準素子回路と同様である。プログラマブルジョセフソン電圧標準素子３１は、高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形ＶＰＪＶＳ （図２（ａ）参照）を出力する。
【００４５】
本発明の正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置３７は、正弦波電圧波形入力装置３４の出力信号に基づく理想的な正弦波波形と、正弦波電圧波形入力装置３４からの出力信号に基づきプログラマブルジョセフソン電圧標準素子３１が出力する疑似正弦波波形との差分の波形を計算する。具体的には、正弦波電圧波形入力装置３４から得られる理想正弦波情報と、擬似正弦波形用パルスパターン変換装置３５から得られる擬似正弦波情報をもとに、それらの両者の差分波形を計算する。正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置３７からの差分電圧波形情報に基づき、パルスパターン変換装置３８は差分波形に対してパルス密度変調を行い、波形の振幅情報をパルス列の密度情報へと変換する。パルスパターン生成装置３９は、パルス密度情報を０／１ビット系列へ変換・生成し出力する。パルス生成装置４０は、０／１ビット系列をパルス信号へと変換し、Ｖｉｎとして出力する。
【００４６】
パルス生成装置４０によって生成された高速パルス信号系列は、パルス駆動方式電圧標準素子３２へ入力される。これは、多数個（約１００００個）のジョセフソン素子（×印）を直列に接続したジョセフソン素子アレーの回路から構成される。高速パルス信号系列Ｖｉｎが入力されると、ジョセフソン素子アレーの両端ＶＰＤから高精度電圧波形が出力される。以下、その動作の詳細を説明する。図３においてパルス信号系列（ｉ）がジョセフソンアレー３２へＶｉｎとして入力されると、アレー内のそれぞれのジョセフソン素子において量子化された高精度電圧パルス（ＳＦＱパルス）系列に変換される（ｉｉ）。アレーは素子が直列接続されているため、素子の両端からは素子の数だけ増幅された高精度量子化電圧パルスの系列として出力される。実際にはその後段には電圧を取り出すためのケーブルが接続されるが、それの周波数帯域は有限であることから帯域制限がかかり、その積分作用によってパルス密度復調がかけられて振幅情報に戻されて、高精度な任意電圧波形ＶＰＤとして出力され、図２（ｂ）の波形が生成される（ｉｉｉ）。
【００４７】
プログラマブルジョセフソン電圧標準素子３１の電圧波形出力ＶＰＪＶＳ とパルス駆動方式電圧標準素子３２の電圧波形出力ＶＰＤの和として、トータルの電圧（ＶＰＪＶＳ ＋ＶＰＤ ）を得て出力することで、正確な真の正弦波形を合成する。１Ｖ以上の振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することができる。
【００４８】
本発明を実施するにあたっては、第１の実施の形態の例であれば、ＰＪＶＳ方式とＲＳＦＱ方式とを組み合わせる形態としては、ＰＪＶＳチップとＲＳＦＱチップとをマルチチップ実装技術を用いて直列に接続することで作成する。また、第２の実施の形態の例であれば、ＰＪＶＳ方式とパルス駆動方式電圧標準とを組み合わせる形態としては、ＰＪＶＳチップとパルス駆動型電圧標準チップとをマルチチップ実装技術を用いて直列に接続することで作成する。また、これらのチップを１つのチップ内に集積することも考えられ、より低コスト化が達成できる。
【００４９】
ＰＪＶＳ方式と、パルス駆動方式（あるいはＲＳＦＱ方式）とを直列に接続することによって理想的な正弦波電圧波形を合成する例を説明したが、パルス駆動方式の代わりにそれと類似の方式であるジョセフソン任意電圧波形合成方式を用いて差分波形を発生させて、ＰＪＶＳ方式と直列接続することによっても、理想的な交流正弦波波形を合成することができる。
【００５０】
また、本発明の交流電圧標準装置は、第１及び第２の実施の形態で記載したように、正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置１７や３７のような、正弦波波形と疑似正弦波波形の差分波形を計算する手段を備える。ここで、本発明の交流電圧標準装置は、少なくともジョセフソン素子を含む回路部分は超伝導回路であるため低温状態に置かれている。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の交流電圧発生回路は、振幅の高い理想的な滑らかな正弦波波形が得られるので、交流電圧標準として、高精度である。一次標準や二次標準をはじめとし、企業現場の特に品質管理部門等においても有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１、 超伝導体
２、 薄い障壁層
１１、３１、 プログラマブルジョセフソン電圧標準素子
１２、 高速単一磁束量子方式交流電圧標準のＳＱＵＩＤアレー
１３、 ＳＱＵＩＤアレー駆動回路
１４、３４、 正弦波電圧波形入力装置
１５、３５、 疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置
１６、３６、 パルスパターン生成装置
１７、３７、 正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置
１８、３８、 パルスパターン変換装置
１９、３９、 パルスパターン生成装置
２０、４０、 パルス生成装置
３２、 パルス駆動方式電圧標準
６１、 プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子
６４、 正弦波電圧波形入力装置
６５、 パルスパターン変換装置
６６、 パルスパターン生成装置
９４、 電圧波形入力装置
９５、 パルスパターン変換装置
９６、 パルスパターン生成装置
９７、 パルス生成装置
１３４、 電圧波形入力装置
１３８、 パルスパターン変換装置
１３９、 パルスパターン生成装置
１４０、 パルス生成装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い振幅を持つ理想的な滑らかな交流波形を発生することができるジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路、交流電圧標準回路及び交流電圧標準装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、交流電圧等の計測器の校正の基準として交流電圧標準が用いられている。近年、電子機器の製造や通信計測などの産業において使用される計測器の測定精度の向上に伴い、高性能な交流電圧標準が望まれている。交流電圧標準とは、理想的な正弦波電圧を発生させる装置であり、より高い振幅及び周波数の電圧を、より高い精度で出力することが望まれている。
【０００３】
超伝導技術分野において、ジョセフソン素子を用いた高性能な回路が開発されている。図４は、ジョセフソン素子の模式図である。ジョセフソン素子は、薄い障壁層２（絶縁体Ｉｎｓｕｌａｔｏｒまたは常伝導体Ｎｏｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を２つの超伝導体（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）１で挟んだサンドイッチ構造を有したトンネル効果を利用する素子である。ジョセフソン素子はジョセフソン接合（ＳＩＳ又はＳＮＳ接合）を備えている。ジョセフソン素子に対してある周波数ｆのマイクロ波を照射しておき、さらに電流を流すと、素子の両端にはマイクロ波の周波数ｆのみで決まる一定の電圧（Ｖ＝ｈｆ／２ｅ）が発生する。ここで、ｅは電気素量、ｈはプランク定数である。また電流を流さなければ、発生電圧は完全にゼロとなる。ここで流す電流をバイアス電流と呼ぶ。図５は、ジョセフソン素子におけるバイアス電流Ｉと電圧Ｖの関係を示す図である。図５に示すように、バイアス電流の値を制御することで、素子の両端にはマイクロ波の周波数ｆによってのみ決まる高精度定電圧ステップ（ｈｆ／２ｅ）が発生する。また、マイクロ波の周波数は非常に高精度で制御可能であるため、ジョセフソン素子の両端で得られる電圧値も非常に高精度に制御できる。しかし一般に、ジョセフソン素子１個あたりの電圧は数十μＶ程度と非常に小さい。そこで、必要な電圧（１Ｖ以上）を得るためには、ジョセフソン素子を数万個以上直列に接続したアレーを構成して、全体として１Ｖが得られるようにして用いている。
【０００４】
現在、ジョセフソン素子を直列に接続したアレーを利用したプログラマブルジョセフソン電圧標準（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔａｎｄａｒｄ： ＰＪＶＳ）方式が、知られている（特許文献１〜３参照）。プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）方式では、任意の直流電圧を発生させることができ、直流電圧標準（直流ＰＪＶＳ）として実用化されている。プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）アレーから任意の電圧を得るために、デジタル−アナログ変換器として動作させるための工夫がなされている。
【０００５】
直流電圧標準として実用化されているプログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）を発展させて、交流電圧標準として、交流電圧を合成するための交流プログラマブルジョセフソン電圧標準（交流ＰＪＶＳ）の研究が進められている（非特許文献１参照）。
【０００６】
プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）は、任意振幅の電圧を発生させるために、デジタル−アナログ変換器として構成される。多数個のジョセフソン素子が直列接続されたアレーを、例えば２のべき乗に比例する素子数を持つようなセグメントに分割し、各セグメントに対してバイアス電流源を接続する構造からなる。バイアス電流が供給されたセグメントからは一定の高精度電圧が出力され、逆にバイアス電流をゼロにするとそのセグメントの電圧は完全にゼロとなる。このようにして各セグメントのバイアス電流のＯＮ／ＯＦＦを制御することによって、アレーから任意の値の電圧をプログラマブルに発生させることができる。
【０００７】
交流プログラマブルジョセフソン電圧標準（交流ＰＪＶＳ）の原理を以下に説明する。交流ＰＪＶＳは、直流ＰＪＶＳと基本的には同じ回路構成である。直流ＰＪＶＳが直流のバイアス電流を供給し直流の高精度電圧を出力するのに対して、交流ＰＪＶＳは、各セグメントに供給するバイアス電流（Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、・・・、Ｉｎ）のＯＮ／ＯＦＦを時間的に制御してアレーからの高精度電圧値ＶＰＪＶＳを時々刻々と変化させて正弦波電圧を合成する。
【０００８】
図６は、交流電圧波形の例として正弦波電圧波形を発生するためのプログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）の回路図である。図６の回路図は、プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子部６１と、バイアス電流源を制御するための手段である、正弦波電圧波形入力装置６４、パルスパターン変換装置６５及びパルスパターン生成装置６６を備えている。
【０００９】
プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子６１は、ジョセフソン素子（×印）が直列に所定数個（例えば２のべき乗個）接続された区間（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２・・・、Ｓｎ。「セグメント」と呼ぶ。）に対してバイアス電流源（Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、・・・、Ｉｎ）を接続し、これらの区間（セグメントＳ０、Ｓ１、Ｓ２・・・、Ｓｎ）を直列に所定数接続する構造を備える。例えば、セグメントＳ０は２の０乗である１個の素子数、セグメントＳ１は、２の１乗である２個の素子数、セグメントＳ２は２の２乗である４個の素子数、セグメントＳ３は２の３乗である８個の素子数、そしてセグメントＳｎは２のｎ乗である２n 個の素子数からなる。
【００１０】
図７は、２のべき乗（２ｉ）の素子数のジョセフソン素子を直列に接続したセグメントＳｉにおけるバイアス電流Ｉｉと発生電圧Ｖｉ の電流電圧特性を示す図である。図７に示すように、バイアス電流を制御することで、各セグメントＳｉの両端には素子数とマイクロ波の周波数ｆによってのみ決まる高精度定電圧ステップＶｉ が発生する。各バイアス電流源をスィッチングして制御すると、対応するセグメントからは３値の電圧値Ｖｉ を得ることができる。各バイアス電流源を例えばゼロ／プラス／マイナスの３値で制御するとよい。
Ｖｉ ＝（ｈｆ／２ｅ）×ａｉ×２ｉ
ただし、ａｉ＝０，＋１，−１
【００１１】
そして、図６に示すように、パルスパターン生成装置６６からの信号によりこれらのバイアス電流源を制御することによって、プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子のアレーから以下の式で表される任意の高精度で高振幅である電圧 Ｖout を得ることができる。プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子の電圧出力をＶＰＪＶＳと表す。
Ｖout ＝（ｈｆ／２ｅ）（ａ0×２0＋ａ1×２1＋・・・ａn×２n）
ただし、ａｉ＝０，＋１，−１
【００１２】
次に交流電圧標準の目的とするところの所望の交流周波数の正弦波電圧を合成した例を説明する。図８は、プログラマブルジョセフソン電圧標準方式により発生させた合成正弦波電圧波形の図である。任意の所望の交流周波数をｆとおくとき、正弦波１周期Ｔ＝１／ｆをＮ分割でサンプリングし、各サンプリング周期Ｔｓ＝１／Ｎｆ毎にバイアス電流を切り替えて、その間プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子のアレーからの電圧が一定となるように動作させている。交流ＰＪＶＳは、ジョセフソン素子を多段に接続することによって、１Ｖ以上もの高い電圧値を稼ぐことが容易であるという利点がある。各サンプリング時間は電圧を一定値に保持する必要性から、合成された電圧波形は真の正弦波形とはならず、階段状の波形により近似された擬似正弦波形になっている。
【００１３】
プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）方式以外の交流電圧標準方式として、高速単一磁束量子（Ｒａｐｉｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕｍ： ＲＳＦＱ）回路に基づく方式（以下、「高速単一磁束量子方式交流電圧標準」または「ＲＳＦＱ方式」）という。）がある（非特許文献２参照）。ＲＳＦＱ方式は、ＰＪＶＳ方式同様ジョセフソン素子を用いているが、ＰＪＶＳ方式とは異なった原理で高精度電圧を発生する。
【００１４】
高速単一磁束量子（ＲＳＦＱ）方式交流電圧標準の原理を説明する。超伝導現象に関する基本性質の一つとして、磁束の量子化が挙げられる。超伝導体で構成されたリング内では磁束は量子化され、Φ０の整数倍の値のみを取りうる。Φ０とは量子化された磁束の最小単位であり、単一磁束量子（Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕｍ、以下「ＳＦＱ」という）という。このＳＦＱを情報担体とする高速単一磁束量子回路（Ｒａｐｉｄ ＳＦＱ：ＲＳＦＱ回路）とは、数１０ギガヘルツ以上の超高速動作と、低消費電力特性を特徴とする超伝導回路であり、次世代高性能集積回路として研究がなされている。この高速単一磁束量子回路を交流電圧波形生成に応用したものが高速単一磁束量子方式交流電圧標準である。図９は、高速単一磁束量子方式交流電圧標準の回路図である。高速単一磁束量子方式交流電圧標準は、主として、高精度電圧を出力するための超伝導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ： ＳＱＵＩＤ）アレー９２と、それを超高速で駆動するための高速単一磁束量子回路（以後ＳＱＵＩＤアレー駆動回路とよぶ）９３から構成される。超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）アレー９２は、図９のように、２個のジョセフソン素子と２個のインダクタンスから構成されるＳＱＵＩＤセル（ＳＣｉ）がアレー状にＮ個（ＳＣ１、ＳＣ２、・・・・ＳＣＮ）接続されたものである。ＳＱＵＩＤアレー駆動回路も同様にＮ個のセルに分割され（Ｃ１、Ｃ２、・・・ＣＮ：駆動セルとよぶ）、各ＳＱＵＩＤセル（ＳＣ１、ＳＣ２、・・・・ＳＣＮ）とそれぞれ相互インダクタンスにより結合している。所望の電圧波形を電圧波形入力装置９４に入力すると、パルスパターン変換装置９５とパルスパターン生成装置９６とを経由して、電圧波形はパルス密度変調されて０／１ビット系列へと変換される。パルス生成装置９７からパルス系列Ｖｉｎとして高速に出力される（ｉ）。後段のＳＱＵＩＤアレー駆動回路９３とＳＱＵＩＤアレー９２は、パルス系列Ｖｉｎを高精度量子化電圧パルスの系列に変換後、パルス密度復調を行うための回路である。以下その動作について述べる。生成された高速パルス系列ＶｉｎがＳＱＵＩＤアレー駆動回路９３へ入力されると、同回路内にて量子化された電圧パルス（ＳＦＱパルス）の系列へと変換される（ｉｉ）。変換されたＳＦＱパルスは、駆動セルＣ１から駆動セルＣＮへと上から下に伝搬していく。一方で各駆動セルは対応する各ＳＱＵＩＤセルと相互インダクタンスにより結合しており、駆動セルを通過したＳＦＱパルスはこの結合を通してＳＱＵＩＤセルに伝搬する。ＳＱＵＩＤセルにＳＦＱパルスが入ると、ＳＱＵＩＤセルから直ちにＳＦＱパルスが出力され、Ｎ段のＳＱＵＩＤセルによってＮ倍の振幅を持つ高精度量子化パルスに増幅されて出力される（ｉｉｉ）。ＳＱＵＩＤアレーの後段には、実際には出力電圧を取り出すためにケーブル等が接続される。ケーブルの帯域は実際には有限であることから低域通過フィルタすなわち積分回路が接続されているのと等価であり、それによって高精度量子化電圧パルスの系列はパルス密度復調がかけられて、最終的には高精度な電圧波形出力ＶＲＳＦＱとして取り出すことができる（ｉｖ）。
【００１５】
このＲＳＦＱ方式交流電圧標準では、このＳＦＱパルスを担体として用いることで所望の電圧波形を合成する。ＳＦＱパルスとは、量子化されたピコ秒時間幅の電圧パルスであるため、これを必要な個数分発生させて制御することによって非常に高精度な任意電圧を得ることができるという利点がある。またＲＳＦＱ回路の持つ高速パルス密度変復調機能により、任意の高精度・広帯域な電圧波形を生成可能であるという利点がある。
【００１６】
さらに、プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）方式以外の交流電圧標準方式として、パルス駆動（Ｐｕｌｓｅ Ｄｒｉｖｅｎ：ＰＤ）型交流電圧標準方式がある（特許文献４参照）。図１０は、パルス駆動方式交流電圧標準の回路図である。パルス駆動方式交流電圧標準素子１０１は、約１００００のジョセフソン素子を直列に接続したジョセフソン素子アレーの回路から構成され、両端から電圧ＶＰＤを出力する。所望の電圧波形情報を電圧波形入力装置１３４へ入力する。電圧波形入力装置１３４から出力された電圧波形情報は、パルスパターン変換装置１３８によりパルス密度変調が行われ、所定の電圧振幅情報をパルス密度情報へと変換する。この密度情報は、パルスパターン生成装置１３９によって０／１ビット系列に変換され、パルス生成装置１４０から高速パルス系列Ｖｉｎとして出力される（ｉ）。高速パルス系列Ｖｉｎは、パルス駆動方式電圧標準素子１０１に入力されると、アレー内のジョセフソン素子によって量子化された高精度電圧パルスの系列に変換され、素子数に比例した振幅のパルス系列として出力される（ｉｉ）。ジョセフソン素子アレーには実際には出力電圧を取り出すためにケーブル等に接続される。ケーブルの帯域は実際には有限であることから低域通過フィルタすなわち積分回路が接続されているのと等価であり、それによって高精度量子化電圧パルスの系列はパルス密度復調がかけられて、最終的には高精度な電圧波形出力ＶＰＤとして取り出すことができる（ｉｉｉ）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００４−１７２６９２号公報
【特許文献２】特開２００５−３００３１７号公報
【特許文献３】特表２０００−５１４９５７号公報
【特許文献４】特開２００６−１４８２７１号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Ｃ．Ａ．Ｈａｍｉｌｔｏｎ，Ｃ．Ｊ．Ｂｕｒｒｏｕｇｈｓ，ａｎｄ Ｒ．Ｌ．Ｋａｕｔｚ， “Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ Ｄ／Ａ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ａｃｃｕｒａｃｙ” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅａｓｕｅｒｅｍｅｎｔ，ｖｏｌ．４４，ｎｏ．２，ｐｐ．２２３−２２５，Ａｐｒｉｌ １９９５．
【非特許文献２】Ｃ．Ａ．Ｈａｍｉｌｔｏｎ， “Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｆｌｕｘ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｖｏｌ．２，ｎｏ．３，ｐｐ．１３９−１４２，Ｓｅｐ．１９９２．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）に基づく交流ＰＪＶＳは、ジョセフソン素子を多段に接続することによって、１Ｖ以上もの高い電圧値を稼ぐことが容易であるという利点がある一方で、その原理上、合成された電圧波形は真の正弦波形とはならず、階段状の波形により近似された擬似正弦形になってしまう。また、バイアス電流の切り替え時刻において電圧波形は急峻に立ち上がる（または立ち下がる）ため、これに起因する高調波成分が含まれてしまう欠点がある。その高調波成分は出力ケーブルを通して伝送する際に減衰しやすく、電圧誤差の要因になるという問題がある。
【００２０】
一方、高速単一磁束量子方式交流電圧標準は、ＲＳＦＱ回路の持つ電圧パルスの量子性と高速パルス密度変復調機能により、任意の高精度・広帯域電圧波形を高速に合成可能であるという利点があるものの、回路構成が複雑で回路パラメータのばらつきの影響を受けやすい等の理由により、素子数を増やして電圧を稼ぐことが難しく、１０ｍＶ以下程度の低い電圧しか得られない。よって、高速単一磁束量子方式交流電圧標準では、１０ｍＶを超える所望の電圧の振幅のものが得られないという問題がある。
【００２１】
また、パルス駆動方式交流電圧標準は、電圧パルスの量子性と高速パルス密度変復調機能により、任意の高精度・広帯域電圧波形を高速に合成可能であるという利点があるものの、終端抵抗において発生するコモンモードノイズによる不安定性により、素子段数を増やすことが難しく、１００ｍＶ以下程度の低い電圧振幅しか得られないという欠点がある。
【００２２】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、高い振幅を持つ電圧波形を高精度に出力する交流電圧発生回路、交流電圧標準回路及び交流電圧標準装置を実現することを目的とするものである。さらに、本発明は、ジョセフソン素子を用いた回路において、交流ＰＪＶＳの発生する階段状の疑似波形ではなく、より真の正弦波形に近い正弦波形を出力することを目的とし、１Ｖ以上の高い振幅を持つ正弦波電圧を出力することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
そして、本発明は、上記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００２４】
本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路は、ジョセフソン素子を所定数個直列接続してなるセグメントを複数個備え、各セグメントに印加するバイアス電流を制御することにより、階段状の交流電圧を発生する第１の回路と、量子化された電圧パルスを発生するジョセフソン素子からなる第２の回路とからなることを特徴とするものである。また、前記第１の回路として、プログラマブルジョセフソン電圧標準を用いることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第２の回路は、所望の交流電圧波形と階段状の交流電圧波形との差分波形を出力することを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路は、第１の回路と第２の回路を直列に接続して出力電圧の和を出力電圧とすることを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路において、所望の交流電圧波形は、代表的には、正弦波波形であり、第２の回路は、正弦波の交流電圧波形と階段状の疑似正弦波波形との差分波形を出力することを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第２の回路は、量子化された電圧パルスを用いてパルス密度変復調を行うことにより差分波形を合成して出力することを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路は、第２の回路として、高速単一磁束量子方式の回路又はパルス駆動方式の回路を用いることを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路は、１Ｖ以上の高い振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することができる。
【００２７】
本発明の交流電圧発生回路は、交流電圧標準に用いる回路であることを特徴とする。
【００２８】
本発明の交流電圧標準装置は、本発明の交流電圧発生回路を備え、正弦波波形と疑似正弦波波形の差分波形を計算する手段を備えることを特徴とするものである。交流電圧標準装置において、少なくともジョセフソン素子を含む回路部分は超伝導のための低温状態に置かれている。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、ジョセフソン素子を用いた回路において、高い振幅を持つ電圧波形を高精度に出力する交流電圧を発生することができる。また、本発明の交流電圧標準回路や交流電圧標準装置によれば、交流ＰＪＶＳの発生する階段状の疑似波形ではなく、より真の正弦波形に近似されているので、１Ｖ以上の高い振幅を持つ電圧波形を高精度に出力させることができ、滑らかで完全正確な正弦波電圧を合成することができる。また、交流電圧発生回路において、バイアス電流の切り替え時刻において電圧波形に起因する高調波成分が実質的に解消するので、電圧誤差がなくすことができる。また、第１の回路（例えばＰＪＶＳ方式）と第２の回路（例えば、高速単一磁束量子方式の回路又はパルス駆動方式の回路）を組み合わせる形態としては、マルチチップ実装技術を用いてそれぞれの回路のチップを直列に接続することで作成すれば、簡単に作成できまた低コストで作成できる。また、これらのチップを１つのチップ内に集積すれば、より低コスト化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路の第１の実施の形態の回路図。
【図２】本発明を説明するための交流電圧波形を示す図。
【図３】本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路の第２の実施の形態の回路図。
【図４】ジョセフソン素子の模式図。
【図５】ジョセフソン素子におけるバイアス電流Ｉと電圧Ｖの関係を示す図。
【図６】正弦波電圧波形を発生するためのプログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）の回路図。
【図７】セグメントにおけるバイアス電流と発生電圧の電流電圧特性を示す図。
【図８】プログラマブルジョセフソン電圧標準方式により発生させた合成正弦波電圧波形の図。
【図９】高速単一磁束量子方式交流電圧標準の回路図。
【図１０】パルス駆動方式交流電圧標準の回路図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本願発明は、プログラマブルジョセフソン電圧標準方式（ＰＪＶＳ方式）と他の方式とを融合させてなるハイブリッド方式の交流波形出力回路である。
【００３２】
（第１の実施の形態）
本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧波形出力回路の第１の実施の形態について、図１及び図２を参照して以下説明する。図１は、プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）方式とＲＳＦＱ方式交流電圧標準とを直列に接続して、両者のハイブリッド方式を実現した回路図である。図２は、本発明を説明するための交流電圧波形を示す図である。
【００３３】
ＰＪＶＳ方式とＲＳＦＱ方式とを直列に接続し、両者の和電圧として理想的な正弦波電圧波形出力を得る。ＰＪＶＳ方式は、１Ｖ以上の高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形を生成する。そこで、真の正弦波形とその擬似正弦波形との間の差電圧を、連続的・広帯域な任意電圧波形を発生可能なＲＳＦＱ方式により生成する。これによって、ＰＪＶＳ方式とＲＳＦＱ方式の和電圧として、１Ｖ以上の振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することが可能となる。
【００３４】
図１の回路は、プログラマブルジョセフソン電圧標準素子１１と高速単一磁束量子方式交流電圧標準のＳＱＵＩＤアレー１２を直列に接続して構成されている。さらに、図１の回路は、正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置１７を備えていることを特徴とする。
【００３５】
プログラマブルジョセフソン電圧標準素子１１は、多数個のジョセフソン素子（×印）が直列接続されたアレーを、２のべき乗に比例する素子数を持つようなセグメント（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓｎ）に分割し、それらの各セグメントに対してバイアス電流源（Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２・・・Ｉｎ）を接続する構造からなる。さらに、バイアス電流源を制御するために、正弦波電圧波形入力装置１４、疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置１５及びパルスパターン生成装置１６を備えている。正弦波電圧波形入力装置１４は、所望の理想正弦波の電圧振幅・周波数情報を入力するための装置である。疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置１５は、従来例で説明した図８で図示した階段状となってしまう従来の正弦波波形を出力するためのパルスパターン変換装置６５（図６）と同じでよい。これは、正弦波電圧波形入力装置１４から得られた理想正弦波情報をもとに、これを階段状の擬似正弦波形に近似・変換する装置である。パルスパターン生成装置１６は、擬似正弦波形を得るためのバイアス電流供給パターン（ゼロ／マイナス／プラス）を決定し、後段のバイアス電流源へ制御信号を送信するための装置である。この構成は、従来のプログラマブルジョセフソン電圧標準素子回路と同様である。プログラマブルジョセフソン電圧標準素子１１は、高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形ＶＰＪＶＳ （図２（ａ）参照）を出力する。
【００３６】
本発明の正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置１７は、正弦波電圧波形入力装置１４の出力信号に基づく理想的な正弦波波形と、正弦波電圧波形入力装置１４からの出力信号に基づきプログラマブルジョセフソン電圧標準素子１１が出力する疑似正弦波波形との差分の波形を計算する。具体的には、正弦波電圧波形入力装置１４から得られる理想正弦波情報と、擬似正弦波形用パルスパターン変換装置１５から得られる擬似正弦波情報をもとに、それら両者の差分波形を計算する。正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置１７からの差分電圧波形情報に基づき、パルスパターン変換装置１８は差分波形に対してパルス密度変調を行い、波形の振幅情報をパルス列の密度情報へと変換する。パルスパターン生成装置１９は、パルス密度情報を０／１ビット系列へ変換・生成し出力する。パルス生成装置２０は、０／１ビット系列をパルス信号系列へと変換し、Ｖｉｎとして出力する。
【００３７】
ＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３は、Ｎ個の駆動セル（Ｃ１、Ｃ２、・・・ＣＮ）を備えている。パルス生成装置２０からのパルス信号系列Ｖｉｎが同回路内に入力されると、量子化された高精度電圧パルス（ＳＦＱパルス）の系列に変換され、駆動セルＣ１から駆動セルＣＮへと上から下に伝搬していく。一方で各駆動セル（Ｃ１、Ｃ２、・・・ＣＮ）は、対応する各ＳＱＵＩＤセル（ＳＣ１、ＳＣ２、・・・ＳＣＮ）と相互インダクタンスにより結合しており、駆動セルを通過したＳＦＱパルスはこの結合を通してＳＱＵＩＤセルに伝搬する。ＳＱＵＩＤセルにＳＦＱパルスが入ると、ＳＱＵＩＤセルから直ちにＳＦＱパルスが出力される。ＳＦＱパルス系列は最終的にはＮ倍の振幅を持つ高精度量子化電圧パルスの系列に増幅され、ＳＱＵＩＤアレー１２から出力される。実際にはその後段には電圧を取り出すためのケーブルが接続されるが、それの周波数帯域は有限であることから帯域制限がかかり、その積分作用によってパルス密度復調がかけられて振幅情報に戻されて、最終的には高精度な任意電圧波形ＶＲＳＦＱとして出力される。
【００３８】
このように、ＰＪＶＳにより、高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形ＶＰＪＶＳ を生成する。一方、差分波形計算装置により求めた差分を、広帯域任意波形の生成可能なＲＳＦＱ方式電圧標準で生成する（ＶＲＳＦＱ）。そして、ＰＪＶＳ素子の出力ＶＰＪＶＳ とＲＳＦＱ方式電圧標準素子の出力ＶＲＳＦＱ のトータルの電圧（ＶＰＪＶＳ ＋ＶＲＳＦＱ ）として、正確な真の正弦波形を合成することができる。
【００３９】
ここで、図２は、本願発明の原理を説明するための図である。図２（ａ）は、プログラマブルジョセフソン電圧標準回路からの電圧波形を示す。背景技術の説明において図８でも示したように、階段状の擬似的な正弦波の波形を生成する。例えば１Ｖ以上の大きい振幅の波形を生成する。図２（ｂ）は、ＲＳＦＱ方式からの電圧波形を示す。真の正弦波波形と、ＰＪＶＳ方式の生成する擬似正弦波形との間の差電圧を、ＲＳＦＱ方式により生成するものである。ＲＳＦＱ方式によれば、振幅は高くはないが、任意の波形を高速に合成することができる。図２（ｃ）は、ＰＪＶＳ方式とＲＳＦＱ方式の回路を直列に接続することにより、両者の電圧波形の和として、真の正弦波形を合成することを示す図である。ＰＪＶＳ方式とＲＳＦＱ方式との組み合わせによって、滑らかで理想的な正弦波形を合成することができる。
【００４０】
図２（ｂ）の波形を生成するための、図１におけるＲＳＦＱ方式の動作について以下詳しく説明する。図１において、正弦波−擬似正弦波差分波形計算装置１７、パルスパターン変換装置１８、パルスパターン生成装置１９、パルス生成装置２０、ＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３及びＳＱＵＩＤアレー１２が、主に該動作を行う。パルスパターン変換装置１８は、正弦波−擬似正弦波差分波形計算装置１７から得られた差分電圧波形情報に基づき、その差分波形に対してパルス密度変調を行い、差分波形の振幅情報をパルス列の密度情報へと変換する装置である。パルスパターン生成装置１９は、パルス密度情報を０／１ビット系列へ変換・生成し出力する装置である。パルス生成装置２０は、０／１ビット系列をパルス信号へと変換し出力する装置である。ＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３へ入力されたパルス系列Ｖｉｎは、同回路内において直ちに量子化された高精度電圧パルス（ＳＦＱパルス）系列に変換される。ＳＦＱパルスの振幅は微小のため、十分な振幅を得るために増幅する必要があり、ＳＱＵＩＤアレー１２と、それを駆動するためのＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３を用いて量子性を維持したまま増幅する。ＳＦＱパルスへ変換された入力信号Ｖｉｎは、その後ＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３内の駆動セルＣ１から駆動セルＣＮへと順次伝搬していく。各駆動セルはＳＱＵＩＤセルと相互インダクタンスにより結合しており、ＳＦＱパルスが駆動セルを通過した瞬間に対応するＳＱＵＩＤセルに伝搬し、直ちにＳＱＵＩＤセルからＳＦＱパルスとして出力される。このとき、Ｎ段のＳＱＵＩＤセルの直列接続であるＳＱＵＩＤアレー１２からは、ＳＦＱパルスの振幅をＮ倍に増幅した高精度量子化電圧パルスとして出力される。以上、パルス密度変調されたパルス信号系列（ｉ）はＶｉｎとしてＳＱＵＩＤアレー駆動回路１３へ入力後、ＳＦＱパルスの系列（ｉｉ）に変換され、その後ＳＱＵＩＤアレー１２の直後の出力からＮ倍に増幅された高精度量子化電圧パルスの系列として出力される（ｉｉｉ）。これの後段に接続される低域通過フィルタによってパルス密度復調がかけられ振幅情報に戻されて、高精度な任意電圧波形として出力され、図２（ｂ）の波形が生成される（ｉｖ）。
【００４１】
（第２の実施の形態）
本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧波形出力回路の第２の実施の形態について、図３及び図２を参照して以下説明する。図３は、プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ方式）素子とパルス駆動方式交流電圧標準素子とを直列に接続して、両者のハイブリッド方式を実現した回路図である。
【００４２】
プログラマブルジョセフソン電圧標準素子（ＰＪＶＳ方式）とパルス駆動方式交流電圧標準とを直列に接続し、両者の和電圧として理想的な正弦波電圧波形出力を得る。ＰＪＶＳ方式は、１Ｖ以上の高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形ＶＰＪＶＳを生成する。そこで、真の正弦波形と擬似正弦波形ＶＰＪＶＳとの間の差電圧を、連続的・広帯域な任意電圧波形を発生可能なパルス駆動方式電圧標準により生成する。これによって、ＰＪＶＳ方式とパルス駆動方式電圧標準の和電圧として、１Ｖ以上の振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することが可能となる。
【００４３】
図３の回路は、プログラマブルジョセフソン電圧標準素子３１とパルス駆動方式交流電圧標準素子３２を直列に接続して構成されている。さらに、図３の回路は、正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置３７を備えている。
【００４４】
プログラマブルジョセフソン電圧標準素子３１は、多数個のジョセフソン素子（×印）が直列接続されたアレーを、２のべき乗に比例する素子数を持つようなセグメントに分割し、それらの各セグメントに対してバイアス電流源を接続する構造からなる。さらに、バイアス電流源を制御するために、正弦波電圧波形入力装置３４、疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置３５及びパルスパターン生成装置３６を備えている。正弦波電圧波形入力装置３４は、所望の理想的な正弦波の電圧振幅・周波数情報を入力するための装置である。疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置３５は、従来例で説明した図８で図示した階段状となってしまう従来の正弦波波形を出力するためのパルスパターン変換装置６５（図６）と同じでよい。これは、正弦波電圧波形入力装置３４から得られた理想正弦波情報をもとに、これを階段状の擬似正弦波形に近似・変換する装置である。パルスパターン生成装置３６は、擬似正弦波形を得るためのバイアス電流供給パターン（ゼロ／マイナス／プラス）を決定し、後段のバイアス電流源へ制御信号を送信するための装置である。この構成は、従来のプログラマブルジョセフソン電圧標準素子回路と同様である。プログラマブルジョセフソン電圧標準素子３１は、高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形ＶＰＪＶＳ （図２（ａ）参照）を出力する。
【００４５】
本発明の正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置３７は、正弦波電圧波形入力装置３４の出力信号に基づく理想的な正弦波波形と、正弦波電圧波形入力装置３４からの出力信号に基づきプログラマブルジョセフソン電圧標準素子３１が出力する疑似正弦波波形との差分の波形を計算する。具体的には、正弦波電圧波形入力装置３４から得られる理想正弦波情報と、擬似正弦波形用パルスパターン変換装置３５から得られる擬似正弦波情報をもとに、それらの両者の差分波形を計算する。正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置３７からの差分電圧波形情報に基づき、パルスパターン変換装置３８は差分波形に対してパルス密度変調を行い、波形の振幅情報をパルス列の密度情報へと変換する。パルスパターン生成装置３９は、パルス密度情報を０／１ビット系列へ変換・生成し出力する。パルス生成装置４０は、０／１ビット系列をパルス信号へと変換し、Ｖｉｎとして出力する。
【００４６】
パルス生成装置４０によって生成された高速パルス信号系列は、パルス駆動方式電圧標準素子３２へ入力される。これは、多数個（約１００００個）のジョセフソン素子（×印）を直列に接続したジョセフソン素子アレーの回路から構成される。高速パルス信号系列Ｖｉｎが入力されると、ジョセフソン素子アレーの両端ＶＰＤから高精度電圧波形が出力される。以下、その動作の詳細を説明する。図３においてパルス信号系列（ｉ）がジョセフソンアレー３２へＶｉｎとして入力されると、アレー内のそれぞれのジョセフソン素子において量子化された高精度電圧パルス（ＳＦＱパルス）系列に変換される（ｉｉ）。アレーは素子が直列接続されているため、素子の両端からは素子の数だけ増幅された高精度量子化電圧パルスの系列として出力される。実際にはその後段には電圧を取り出すためのケーブルが接続されるが、それの周波数帯域は有限であることから帯域制限がかかり、その積分作用によってパルス密度復調がかけられて振幅情報に戻されて、高精度な任意電圧波形ＶＰＤとして出力され、図２（ｂ）の波形が生成される（ｉｉｉ）。
【００４７】
プログラマブルジョセフソン電圧標準素子３１の電圧波形出力ＶＰＪＶＳ とパルス駆動方式電圧標準素子３２の電圧波形出力ＶＰＤの和として、トータルの電圧（ＶＰＪＶＳ ＋ＶＰＤ ）を得て出力することで、正確な真の正弦波形を合成する。１Ｖ以上の振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することができる。
【００４８】
本発明を実施するにあたっては、第１の実施の形態の例であれば、ＰＪＶＳ方式とＲＳＦＱ方式とを組み合わせる形態としては、ＰＪＶＳチップとＲＳＦＱチップとをマルチチップ実装技術を用いて直列に接続することで作成する。また、第２の実施の形態の例であれば、ＰＪＶＳ方式とパルス駆動方式電圧標準とを組み合わせる形態としては、ＰＪＶＳチップとパルス駆動型電圧標準チップとをマルチチップ実装技術を用いて直列に接続することで作成する。また、これらのチップを１つのチップ内に集積することも考えられ、より低コスト化が達成できる。
【００４９】
ＰＪＶＳ方式と、パルス駆動方式（あるいはＲＳＦＱ方式）とを直列に接続することによって理想的な正弦波電圧波形を合成する例を説明したが、パルス駆動方式の代わりにそれと類似の方式であるジョセフソン任意電圧波形合成方式を用いて差分波形を発生させて、ＰＪＶＳ方式と直列接続することによっても、理想的な交流正弦波波形を合成することができる。
【００５０】
また、本発明の交流電圧標準装置は、第１及び第２の実施の形態で記載したように、正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置１７や３７のような、正弦波波形と疑似正弦波波形の差分波形を計算する手段を備える。ここで、本発明の交流電圧標準装置は、少なくともジョセフソン素子を含む回路部分は超伝導回路であるため低温状態に置かれている。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の交流電圧発生回路は、振幅の高い理想的な滑らかな正弦波波形が得られるので、交流電圧標準として、高精度である。一次標準や二次標準をはじめとし、企業現場の特に品質管理部門等においても有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１、 超伝導体
２、 薄い障壁層
１１、３１、 プログラマブルジョセフソン電圧標準素子
１２、 高速単一磁束量子方式交流電圧標準のＳＱＵＩＤアレー
１３、 ＳＱＵＩＤアレー駆動回路
１４、３４、 正弦波電圧波形入力装置
１５、３５、 疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置
１６、３６、 パルスパターン生成装置
１７、３７、 正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置
１８、３８、 パルスパターン変換装置
１９、３９、 パルスパターン生成装置
２０、４０、 パルス生成装置
３２、 パルス駆動方式電圧標準
６１、 プログラマブルジョセフソン電圧標準（ＰＪＶＳ）素子
６４、 正弦波電圧波形入力装置
６５、 パルスパターン変換装置
６６、 パルスパターン生成装置
９４、 電圧波形入力装置
９５、 パルスパターン変換装置
９６、 パルスパターン生成装置
９７、 パルス生成装置
１３４、 電圧波形入力装置
１３８、 パルスパターン変換装置
１３９、 パルスパターン生成装置
１４０、 パルス生成装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路であって、
ジョセフソン素子を所定数個直列接続してなるセグメントを複数個備え、各セグメントに印加するバイアス電流を制御することにより、階段状の交流電圧を発生する第１の回路と、
量子化された電圧パルスを発生するジョセフソン素子からなる第２の回路とからなり、
前記第２の回路は、所望の交流電圧波形と前記階段状の交流電圧波形との差分波形を出力する回路であり、
前記第１の回路と前記第２の回路を直列に接続して出力電圧の和を出力電圧とすることを特徴とする交流電圧発生回路。
【請求項２】
前記所望の交流電圧波形は、正弦波波形であり、前記第２の回路は、正弦波の交流電圧波形と前記階段状の疑似正弦波波形との差分波形を出力することを特徴とする、請求項１記載の交流電圧発生回路。
【請求項３】
前記第２の回路は、量子化された電圧パルスを用いてパルス密度変復調を行うことにより前記差分波形を合成して出力することを特徴とする請求項１又は２記載の交流電圧発生回路。
【請求項４】
前記第２の回路は、高速単一磁束量子方式の回路を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の交流電圧発生回路。
【請求項５】
前記第２の回路は、パルス駆動方式の回路を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の交流電圧発生回路。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の交流電圧発生回路を用いた交流電圧標準回路。
【請求項７】
正弦波波形と疑似正弦波波形の差分波形を計算する手段を備えた、請求項２乃至５のいずれか１項記載の交流電圧発生回路を用いた交流電圧標準装置。
【請求項１】
ジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路であって、
ジョセフソン素子を所定数個直列接続してなるセグメントを複数個備え、各セグメントに印加するバイアス電流を制御することにより、階段状の交流電圧を発生する第１の回路と、
量子化された電圧パルスを発生するジョセフソン素子からなる第２の回路とからなり、
前記第２の回路は、所望の交流電圧波形と前記階段状の交流電圧波形との差分波形を出力する回路であり、
前記第１の回路と前記第２の回路を直列に接続して出力電圧の和を出力電圧とすることを特徴とする交流電圧発生回路。
【請求項２】
前記所望の交流電圧波形は、正弦波波形であり、前記第２の回路は、正弦波の交流電圧波形と前記階段状の疑似正弦波波形との差分波形を出力することを特徴とする、請求項１記載の交流電圧発生回路。
【請求項３】
前記第２の回路は、量子化された電圧パルスを用いてパルス密度変復調を行うことにより前記差分波形を合成して出力することを特徴とする請求項１又は２記載の交流電圧発生回路。
【請求項４】
前記第２の回路は、高速単一磁束量子方式の回路を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の交流電圧発生回路。
【請求項５】
前記第２の回路は、パルス駆動方式の回路を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の交流電圧発生回路。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の交流電圧発生回路を用いた交流電圧標準回路。
【請求項７】
正弦波波形と疑似正弦波波形の差分波形を計算する手段を備えた、請求項２乃至５のいずれか１項記載の交流電圧発生回路を用いた交流電圧標準装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１９９３４３（Ｐ２０１０−１９９３４３Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４３２７６（Ｐ２００９−４３２７６）
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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