JP5263782B2 - プログラマブルジョセフソン電圧標準装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、プログラマブルジョセフソン電圧標準装置の温度変動を抑制するための制御方法及び温度一定で高精度なプログラマブルジョセフソン電圧標準装置に関する。

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、高性能な電圧標準が望まれている。ジョセフソン電圧標準（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔａｎｄａｒｄ：ＪＶＳ）は、超伝導ジョセフソン効果を用いて高精度電圧を発生させる装置であり、多数のジョセフソン素子からなる。ジョセフソン素子の模式図を図６に示す。ジョセフソン素子は、図６に示すように、薄い絶縁体（Ｉ）または常伝導体（Ｎ）２を２つの超伝導体（Ｓ）１で挟んだサンドイッチ構造の素子である。ジョセフソン素子に対してある周波数（ｆ）のマイクロ波３を照射しておき、さらにバイアス電流Ｉを流すと、素子の両端にはマイクロ波の周波数のみで決まる一定の電圧（Ｖ＝ｈｆ／２ｅ）が発生する。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ｅ，ｈは、それぞれ電気素量、プランク定数である。マイクロ波の周波数は非常に高精度に制御可能のため、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、必要な電圧値（１０Ｖ以上）を得るために、ジョセフソン素子を数十万個以上直列に接続したジョセフソンアレーを構成してチップ内に集積し、全体として１０Ｖ以上の高い電圧を得られるようにして用いる。例としてマイクロ波周波数を１６ＧＨｚとすると１素子あたり約３３μＶのため、１０Ｖを出力するためには約３０万もの素子が必要となる。

ジョセフソンアレーから様々な値の電圧を得るために、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器として動作させるための工夫もなされている。これを特にプログラマブルジョセフソン電圧標準（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＪＶＳ： ＰＪＶＳ）という（特許文献１、非特許文献１参照）。ＰＪＶＳの回路図を図７に示す。図７に示すように、ジョセフソンアレーを複数（Ｎ個）のセグメント（Ｓ♯１、Ｓ♯２、・・Ｓ♯Ｎ）に分割し、各セグメントに対してバイアス電流供給のための電流源６を接続する。ジョセフソンアレーに対してマイクロ波発振器７から周波数（ｆ）のマイクロ波を照射しておき、さらにバイアス電流を流すと、電流が供給されたセグメントは一定の高精度電圧を発生する。なお各セグメントの電圧値は、接続されるジョセフソン素子５の数によって決める。ジョセフソン素子５は図中において×印で表されている。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図８に示す。セグメントに電流を流すと、ある電流の範囲内（動作領域８）において定電圧ステップが発生する。この範囲内にバイアス電流値をセットすると、定電圧ステップを得ることができる。具体的には、各セグメントに供給するバイアス電流値Ｉ_ｂｉａｓをプラス、マイナス、ゼロの３値で切り替えることによって、当該セグメントから発生する電圧をそれぞれ＋ｈｆｍ／２ｅ， ０， −ｈｆｍ／２ｅ（ｍはセグメントあたりのジョセフソン素子数）の３状態で切り替えることが可能である。同様の操作を全セグメントに対して個別に行うことによって、アレーから様々な電圧値をプログラマブルに発生させることができる。

ＰＪＶＳは超伝導技術を用いて実現されるため、チップを極低温にまで冷却する必要がある。従来は液体ヘリウムを用いた冷却方式が主流であった。これは、チップを液体ヘリウムに浸すだけでチップ全体を均一に冷却できるので、非常に安定かつ容易に実現可能な優れた冷却技術である。一方で、液体ヘリウムは枯渇資源であり、最近では特に価格が上昇しつつあり、将来的に入手することは困難になる。そこで、より低コスト化を目指して冷凍機を用いた極低温冷却技術の開発が進められている。図９に、冷凍機を用いてチップを冷却する様子を示す。冷凍機を用いた冷却方式では、被冷却物であるＰＪＶＳチップ２１をチップキャリア２４上に載せて、ネジ等２２を用いて冷却ヘッド２０に強固に固定する。チップは、冷却ヘッドと熱的に接触することによって冷却される。チップキャリア２４には、ＰＪＶＳチップ２１と接続するバイアス電流入力／電圧出力端子２５及びマイクロ波入力端子２３が設けられている。なおチップで生じた熱は、冷却ヘッドとの熱的な経路によってのみ排熱されるため、液体ヘリウムによる冷却方式に比べてチップまたはその周辺部において冷却特性・温度の不均一が生じやすい。

特開２００４−１７２６９２号公報

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．

一般にＰＪＶＳの電圧値は、最小で０Ｖ、最大で２０Ｖ級であり、その間の任意の値を発生させて用いる。バイアス電流値はその動作領域内において固定されるため、チップの消費電力は発生電圧値に比例して上昇し、チップ温度も上昇する。図１０及び図１１は、従来技術における問題点を説明するための図である。アレーの発生する電圧値が異なると、アレーすなわちチップ全体で消費される電力及び温度も異なることを説明する。図１０及び図１１の例は、最大電圧振幅１６Ｖのアレーを１６セグメントに等分割（セグメントあたり１Ｖ）したＰＪＶＳの構成例である。各セグメント内部はブラックボックスとして表示されているが、実際には内部にはジョセフソン素子が多数接続され、バイアス電流源も接続されており、＋１Ｖ，０Ｖ，−１Ｖの３種類の電圧を切り替えて出力することができる。図１０と図１１は、アレーにおいてそれぞれ２Ｖ，１４Ｖの電圧を発生させたときに、チップが発熱し温度が上昇する様子を示した例である。図１０では、２Ｖを出力するために、セグメントＡ，Ｂにおいて＋１Ｖを発生させて、残りのＣ〜Ｐではゼロ電圧状態とする。図１１では、１４Ｖを出力するために、セグメントＡ〜Ｎの１４本において＋１Ｖを発生させて、残りのＯ，Ｐではゼロ電圧状態とする。電圧値が２Ｖから１４Ｖへと上昇すると、チップの消費電力も上昇しチップ温度も上昇する。

図１２は、アレー内の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である。図１２は、チップの温度変化によって素子の特性（動作領域すなわち定電圧ステップの得られるバイアス電流の範囲）が変化する様子を示している。図１２において、例えばチップの温度が低いとき（例えば出力電圧を２Ｖとしたとき）の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細線３０に示し、例えばチップの温度が上昇したとき（例えば出力電圧を１４Ｖとしたとき）の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太線３１に示す。出力電圧が（例えば２Ｖから１４Ｖと）増大しチップ温度が上昇すると、図１２のように、電流電圧特性が細線３０から太線３１に矢印３２で示すようにシフトする。このように、チップ温度が上昇すると、ジョセフソン素子の臨界電流値は下がり、定電圧ステップのバイアス電流動作領域は動作領域８から電流値の低い動作領域９へとシフトしてしまう。すると、ある電圧値（例えば２Ｖ発生させ場合）では、所定のバイアス電流Ｉ_ｂｉａｓで点（ｐ、ｑ）で動作していても、別のより高い電圧値（例えば１４Ｖ発生させる場合）ではチップ温度が上昇して変化し、その結果動作領域が８から９に変化し点（ｐ、ｑ）は動作領域からはずれて、動作しなくなってしまうという問題がある。

チップ温度が変化したときの影響は、動作領域の変化だけではない。図１０及び図１１に示すように、電圧出力端子からは、ジョセフソンアレーで発生した電圧の他に、リード線のプラス・マイナス端子において発生する熱起電力の差（Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}）がオフセット電圧として重畳される。オフセット電圧は一定であればその影響を個別に測定して容易にキャンセルすることができる。しかし、チップの電圧に依存してチップ近傍のリード線の温度が変化すると、熱起電力Ｖ_ＴＥＭＦも変化し、オフセット電圧の変化として現れるという問題がある。オフセット電圧をキャンセルできなくなると、電圧測定の不確かさ（誤差）の増大を招く。以上の問題は、電圧値が高いほどチップの温度は上昇するのでより深刻である。

また、従来の液体ヘリウム冷却方式ではチップを均一に一定温度に保つことが容易であったのに対し、冷凍機冷却では図９に図示するようにチップ２１と冷却ヘッド２０との間の熱伝導に基づく冷却のため、均一な冷却が難しく、チップまたはその周辺部の温度が局所的に上昇しやすく深刻である。既に説明したように、ＰＪＶＳチップの温度が僅かでも変化すると、ジョセフソン素子の臨界電流値は変化しバイアス動作領域も変化し、動作しなくなってしまう。また、チップ周辺部において配線されている電圧出力リード線上に発生する熱起電力も温度によって変化するので、得られる電圧値もその分だけ変化してしまう。冷凍機を用いて実現する場合には、これらの問題が顕著に現れやすい。

そのためＰＪＶＳの開発は、特に１０〜２０Ｖ級もの高い電圧を持ち、かつ冷凍機を用いた場合については、以上の問題が顕在化し実用化に困難を極めていた。

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、ＰＪＶＳ装置において、ＰＪＶＳチップの消費電力や温度が発生電圧値に依存しないように一定に保つことを目的とするものである。また、本発明は、得られる電圧値がより高精度であるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を実現することを目的とするものである。

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。

本発明の方法は、複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法であって、各セグメントにおけるバイアス電流源を制御して、ジョセフソンアレー全体が消費する電力を、出力電圧によらず一定に保つように制御することを特徴とする。また、前記ジョセフソンアレー全体が消費する電力を、出力電圧によらず最大電圧を発生させたときと等量の電力となるように制御することを特徴とする。また、具体的には、対をなすセグメントに対して、逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させることにより、当該セグメント対が発生する電圧をゼロとすることを特徴とする。また、具体的には、セグメントを２等分して、それぞれに対して逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させることにより、当該セグメントが発生する電圧をゼロとすることを特徴とする。

本発明の方法は、複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法であって、所望の電圧値を得るために必要なセグメントを選び電流を流して電圧を発生させるとともに、選ばれなかったセグメントが複数本存在しかつそれらの間で素子数が等しい場合、素子数の等しい２本のセグメントを１つのペアとして形成し、ペア内の個々に対して互いに逆極性の電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させて、ペア全体の電圧としてはゼロとすることを特徴とする。また、選ばれなかったセグメントに対して、セグメントを２等分してそれぞれに対して逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させることにより、当該セグメントが発生する電圧をゼロとすることを特徴とする。

本発明の方法は、複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法であって、前記プログラマブルジョセフソン電圧標準装置は、分割された前記セグメントのうちの少なくとも1本がサブセグメントにさらに細かく分割されていることを特徴とする。また、所望の電圧を得るために前記サブセグメントの一部を選び電流を流して電圧を発生させるとともに、選ばれなかった複数のサブセグメントを２つのグループに分け、第１グループのサブセグメントと第２グループのサブセグメントに逆極性の電流を供給することにより、第１及び第２のグループ全体の電圧をゼロとすることを特徴とする。また、前記サブセグメントは、ジョセフソン素子の素子数が、２のべき乗に比例するように分割されていることを特徴とする。また、所望の電圧を得るためにサブセグメントを一部選び電流を流して電圧を発生させるとともに、選ばれなかったサブセグメントそれぞれに対して２等分し、分割された個々に対して逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させて、当該サブセグメントが発生する電圧をゼロとすることを特徴とする。

本発明の装置は、複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置であって、ジョセフソンアレー全体が消費する電力を出力電圧によらず一定に保つように、各セグメントにおけるバイアス電流源を制御する制御手段を、備えることを特徴とする。また、前記制御手段は、対をなすセグメントに対して、逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させることにより、当該セグメント対が発生する電圧をゼロとする制御を行うことを特徴とする。また、前記制御手段は、２等分されたセグメントのそれぞれに対して逆極性のバイアス電流を流して、等量でかつ逆極性の電圧を発生させて、当該セグメントが発生する電圧をゼロとする制御を行うことを特徴とする。

本発明の装置は、分割された前記セグメントのうちの少なくとも1本がサブセグメントにさらに細かく分割されていることを特徴とする。また、本発明の装置の制御手段は、複数のサブセグメントを２つのグループに分け、第１グループのサブセグメントと第２グループのサブセグメントに逆極性の電流を供給することにより、第１及び第２グループを合わせた電圧をゼロとする制御を行うことを特徴とする。また、前記制御手段は、２等分されたサブセグメントのそれぞれに対して逆極性のバイアス電流を流して、等量でかつ逆極性の電圧を発生させて、当該サブセグメントが発生する電圧をゼロとする制御を行うことを特徴とする。

本発明のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法では、ＰＪＶＳチップの発生電圧値によらずジョセフソンアレーすなわちチップで消費される電力が一定となるため、チップの温度が安定化する。これによって、バイアス電流動作領域は変動しなくなる。チップ温度が安定化することによってまた、熱起電力（Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}）も変動しなくなる。よって、チップ全体の均一な極低温冷却が難しいとされる冷凍機を用いても、０から２０Ｖ級の高い任意電圧を安定かつ精密に得ることができる。また、本発明のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置は、ＰＪＶＳチップの消費電力を発生電圧値によらず常に一定に保つ制御手段を設けたことによって、チップ温度を一定に保つことができる。チップ温度の変動が抑えられれば、バイアス電流動作領域、熱起電力ともに変動を抑えることができる。冷凍機を用いた場合でも、０から２０Ｖ級の高い任意電圧を安定かつ精密に出力できる。

本発明の第１の実施の形態のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を説明する図。 本発明の第１の実施の形態のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を説明する図。 本発明の第２の実施の形態のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を説明する図。 本発明の第３の実施の形態のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を説明する図。 本発明の第４の実施の形態のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を説明する図。 ジョセフソン素子の模式図。 プログラマブルジョセフソン電圧標準の回路図。 ＰＪＶＳ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。 冷凍機へＰＪＶＳチップを実装して冷却する様子を示す図。 従来技術のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を示す図。 従来技術のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を示す図。 アレー内の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。

本発明では、ＰＪＶＳチップの消費電力を発生電圧値によらず常に一定に保つことによってチップ温度を一定に保つプログラマブルジョセフソン電圧標準装置である。チップ温度の変動が抑えられれば、バイアス電流動作領域、熱起電力ともに変動を抑えることができる。本発明は、プログラマブルジョセフソン電圧標準装置において、複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーに対して、それぞれのセグメントにおけるバイアス電流源を制御することにより、ジョセフソンアレー全体が消費する電力を出力電圧によらず一定に保つものである。以下、実施の形態について述べる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態は、図１０及び図１１に示したものと同様のセグメントを用いて問題を解決するものである。第１の実施の形態では、所望の電圧値を得るために必要なセグメントを選び電流を流して電圧を発生させるとともに、選ばれなかったセグメントすなわち従来では電圧をゼロのままとするセグメントが複数本存在し、かつそれらの間で素子数が等しい場合、素子数の等しい２本のセグメントを１つのペアとして形成し、ペア内の個々に対して互いに逆極性の電流を流して等量・逆極性の電圧を発生させて、ペア全体の電圧としてはゼロとするものである。
第１の実施の形態を図1及び図２を参照して説明する。図１と図２はそれぞれ２Ｖ，１４Ｖの電圧を発生させる例に対する解決手段を示したものである。図１と図２では、最大振幅１６Ｖ，４ビットのＤ／Ａ変換器動作をするＰＪＶＳアレーにおいて、それぞれ２Ｖ，１４Ｖの電圧を発生させつつ、チップ全体で消費される電力は１６Ｖ発生時と等量になるように制御している。

まず、電圧を得るために必要なＰＪＶＳセグメントに電流を流して、所望の電圧を得る。図１のように、２Ｖ発生させる場合はセグメントＡ，Ｂで＋１Ｖを発生させて、図２のように１４Ｖ発生させる場合は、Ａ〜Ｎの１４本のセグメントで＋１Ｖの電圧を発生させる。従来はここまでであるが、図１０及び図１１からわかるようにこのままではチップの消費電力は発生電圧に比例して変化してしまう。そこで次に、ゼロ電圧状態となっているセグメントに対して、２本のセグメントで１つのペアを作って、それぞれに逆極性の電流を流して、逆極性・等量の電圧を発生させる。図１では、例えば（Ｃ，Ｄ），（Ｅ，Ｆ），（Ｇ，Ｈ），（Ｉ，Ｊ），（Ｋ，Ｌ），（Ｍ，Ｎ），（Ｏ，Ｐ）の７組のペアを作成し、各ペア内では（＋１Ｖ，−１Ｖ）または（−１Ｖ，＋１Ｖ）とキャンセルさせて電圧がゼロになるようにしている。図２でも同様に、（Ｏ，Ｐ）をペアとしてキャンセルさせている。これによって、本来電圧はゼロ電圧となり電力消費もゼロとなるセグメントにおいても、発生させる電圧をペアでゼロとしつつ、電圧状態のセグメントと同様に電力を消費させることができる。結果として、発生電圧値に関わらず最大電圧（１６Ｖ）を発生させたときと等量の電力をチップにおいて消費させることができ、チップ温度を一定に保つことが可能になる。

以上の例は、１６本のセグメントに分割されており、かつ１セグメントあたり１Ｖの例であるが、より一般的にＮ本のセグメントに分割され、セグメントあたりの電圧が１Ｖ以外の場合も同様である。

電圧出力端子からは、ジョセフソンアレーで発生した電圧の他に、リード線のプラス・マイナス端子において発生する熱起電力の差（Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}）がオフセット電圧として重畳される。図１の例では、電圧出力端子からの出力電圧は、
Ｖ_ＯＵＴ＝２Ｖ＋Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}（Ｔ_１６Ｖ）−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}（Ｔ_１６Ｖ） となる。

また、図２の例では、電圧出力端子からの出力電圧は、実際は、
Ｖ_ＯＵＴ＝１４Ｖ＋Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}（Ｔ_１６Ｖ）−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}（Ｔ_１６Ｖ） となる。このように、図１と図２の場合、熱起電力の差は、いずれの場合もＶ_{ＴＥＭＦ＋}（Ｔ_１６Ｖ）−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}（Ｔ_１６Ｖ）となり、オフセット電圧は同じ（電圧値によらず一定）である。よって、その影響を個別に測定して容易にキャンセルすることができる。

ペアを形成することができないセグメントが生じる場合は、該セグメントにバイアス電流を流さずに電圧をゼロのままにするとよい。そのようなセグメントは高々１つであり、消費電力の差はわずかであるから、従来のものに比べて温度変動がかなり改善される。また、第２から４の実施の形態の方法と組み合わせて用いることが好ましい。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、第１の実施の形態において、ペアが形成されなかった１つのセグメントに対して、それを２等分し、それぞれに対して逆極性のバイアス電流を流して等量・逆極性の電圧を発生させて、そのセグメントで電力を消費させつつ発生する電圧をゼロとするものである。

第２の実施の形態を図３を参照して説明する。図３は、最大振幅１６Ｖ，４ビットのＤ／Ａ変換器動作をするＰＪＶＳアレーにおいて、−１３Ｖの電圧を発生させつつ、チップ全体で消費される電力は１６Ｖ発生時と等量になるように制御する例である。同図に示すように、Ａ〜Ｍの１３本のセグメントで−１Ｖを発生させる。ゼロ電圧のセグメントが３本残るが（Ｎ，Ｏ，Ｐ）、まずどれか２本（Ｏ，Ｐ）を選び、（＋１Ｖ，−１Ｖ）または（−１Ｖ，＋１Ｖ）とキャンセルさせて、ペア全体でゼロ電圧とする。１本（セグメントＮ）が残るが、これについてはさらに２つに分割しバイアス電流源を２台接続し、一方で＋０．５Ｖ発生させつつ他方で−０．５Ｖ発生させることによって、セグメントＮにおいても電力を消費させつつ電圧をゼロとすることができる。これによって、最大電圧（１６Ｖ）を発生させたときと等量の電力をチップにおいて消費させることができ、チップの温度を一定に保つことが可能になる。以上の例は、１６本のセグメントに分割されており、かつ１セグメントあたり１Ｖの例であるが、より一般的にＮ本のセグメントに分割され、セグメントあたりの電圧が１Ｖ以外の場合も同様である。

電圧出力端子からは、ジョセフソンアレーで発生した電圧の他に、リード線のプラス・マイナス端子において発生する熱起電力の差（Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}）がオフセット電圧として重畳される。図３の例では、電圧出力端子からの出力電圧は、実際は、
Ｖ_ＯＵＴ＝−１３Ｖ＋Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}（Ｔ_１６Ｖ）−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}（Ｔ_１６Ｖ） となる。このように、図３の場合、熱起電力の差は、Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}（Ｔ_１６Ｖ）−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}（Ｔ_１６Ｖ）となり、オフセット電圧は、第１の実施の形態の場合と同様に電圧値によらず一定である。よって、その影響を個別に測定して容易にキャンセルすることができる。

（第３の実施の形態）
ＰＪＶＳは高精度Ｄ／Ａ変換器として使用されるため、より高い電圧分解能が要求される。第３の実施の形態は、分解能を高めたＰＪＶＳにおいて、特に適する。第３の実施の形態では、ＰＪＶＳは、分割されたセグメントのうちの少なくとも1本がサブセグメントにさらに細かく分割されている構成にする。前記構成のＰＪＶＳにおいて、所望の電圧を得るためにそれらサブセグメントの一部が電圧状態となり、ゼロ電圧状態のサブセグメントが存在する場合について、ゼロ電圧状態のサブセグメントの中から適当にグループを形成して、それらに供給する電流源の極性を適当に設定することによって、グループ内の個々からは電圧を発生させつつ、グループ全体の電圧としてはゼロとするものである。第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態と合わせて用いることができる。サブセグメントは、セグメントを、素子数が２のべき乗に比例するように分割することが好ましい。例えば、サブセグメントの素子数が、２の０乗、２の０乗、２の１乗、２の２乗・・・２の（ｍ−１）乗（計 ２のｍ乗）に比例するようにする。

第３の実施の形態を図４を参照して説明する。図１〜３は４ビットＤ／Ａ変換器としての構成であるが、図４は最大振幅は１６Ｖのままとして、１０ビットにまで分解能を高めた構成例である。図４では、１３．５Ｖの電圧を発生させつつ、チップ全体で消費される電力は１６Ｖ発生時と等量になるように制御する例を説明する。ＰＪＶＳのセグメントＡをさらに細かく、素子数が２のべき乗に比例するようにサブセグメントに分割する。図４のように、サブセグメントＡ１〜Ａ７のように７分割する。サブセグメントＡ１〜Ａ７は、各セグメント素子数が、２の０乗、２の０乗、２の１乗、２の２乗、２の３乗、２の４乗、２の５乗（全部足し合わせると２の６乗）に比例する素子数を持つ。先に説明した上記ｍに具体的な数値としてｍ＝６を与えたときの例に相当する。この構成において、１３．５Ｖを発生させる場合の例を示す。Ｂ〜Ｎの１３セグメントにおいて＋１Ｖを発生させて、７分割されたサブセグメント（Ａ１〜Ａ７）については、Ａ１において＋０．５Ｖを発生させる。以上で１３．５Ｖが出力される。残りのセグメント（Ｏ，Ｐ）についてはペアを作成し、（＋１Ｖ，−１Ｖ）または（−１Ｖ，＋１Ｖ）とキャンセルさせてゼロ電圧とする。また、残りのサブセグメント（Ａ２〜Ａ７）についてはこれらでグループを構成し、バイアス電流を設定して（Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７）＝（＋０．２５Ｖ，−０．１２５Ｖ，−０．０６２５Ｖ，−０．０３１２５Ｖ，−０．０１５６２５Ｖ，−０．０１５６２５Ｖ）となるようにする。Ａ２〜Ａ７の電圧の総和はゼロとなる。このように、第１のグループ（Ａ２）と第２のグループ（Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７）に対して、逆極性のバイアス電流を流して等量・逆極性の電圧を発生させて、グループ内の個々からは電圧を発生させつつ、第１及び第２のグループを合わせた全体の電圧としてはゼロとするものである。以上の方法によって、より分解能の高い電圧である１３．５Ｖを発生させつつ、最大電圧（１６Ｖ）を発生させたときと等量の電力をチップにおいて消費させることができ、チップの温度を一定に保つことが可能になる。

電圧出力端子からは、ジョセフソンアレーで発生した電圧の他に、リード線のプラス・マイナス端子において発生する熱起電力の差（Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}）がオフセット電圧として重畳される。図４の例では、電圧出力端子からの出力電圧は、実際は、
Ｖ_ＯＵＴ＝−１３．５Ｖ＋Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}（Ｔ_１６Ｖ）−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}（Ｔ_１６Ｖ） となる。このように、第３の実施の形態の例では、熱起電力の差は、Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}（Ｔ_１６Ｖ）−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}（Ｔ_１６Ｖ）となり、オフセット電圧は、第１、第２の実施の形態の場合と同様一定である。よって、その影響を個別に測定して容易にキャンセルすることができる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では、ＰＪＶＳは、分割されたセグメントのうちの少なくとも1本がサブセグメントにさらに細かく分割されている構成となっている。前記構成のＰＪＶＳにおいて、所望の電圧を得るためにそれらサブセグメントの一部が電圧状態となり、ゼロ電圧状態のサブセグメントが存在する場合について、ゼロ電圧とするサブセグメントそれぞれに対して2等分し、分割された個々に対して逆極性のバイアス電流を流して等量・逆極性の電圧を発生させて、そのサブセグメントが発生する電圧をゼロとするものである。第４の実施の形態は、第１及び第２の実施の形態と組み合わせて用いることができる。

第４の実施の形態を図５を参照して説明する。図５は、最大振幅１６Ｖ，１０ビットのＤ／Ａ変換器動作をするＰＪＶＳアレーにおいて、１３．０３１２５Ｖの電圧を発生させつつ、チップ全体で消費される電力は１６Ｖ発生時と等量になるように制御した例である。

上記第３の実施の形態で説明したと同様の構成例を用いて、１３．０３１２５Ｖを発生させる例を説明する。Ｂ〜Ｎの１３セグメントにおいて＋１Ｖを発生させて、７分割されたサブセグメント（Ａ１〜Ａ７）については、Ａ５において＋０．０３１２５Ｖを発生させる。以上で１３．０３１２５Ｖが出力される。残りのセグメント（Ｏ，Ｐ）についてはペアを作成し、（＋１Ｖ，−１Ｖ）または（−１Ｖ，＋１Ｖ）とキャンセルさせてゼロ電圧とする。また、残りのサブセグメント（Ａ１〜４，６，７）については、それぞれのサブセグメントを２等分し、バイアス電流源を２台接続し、一方で半分の電圧（プラス極性）を発生させつつ、他方で残り半分の電圧（マイナス極性）を発生させる。これによって、１３．０３１２５Ｖを発生させつつ、最大電圧（１６Ｖ）を発生させたときと等量の電力をチップにおいて消費させることができ、チップの温度を一定に保つことが可能になる。

電圧出力端子からは、ジョセフソンアレーで発生した電圧の他に、リード線のプラス・マイナス端子において発生する熱起電力の差（Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}）がオフセット電圧として重畳される。図５の例では、電圧出力端子からの出力電圧は、
Ｖ_ＯＵＴ＝１３．０３１２５Ｖ＋Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}（Ｔ_１６Ｖ）−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}（Ｔ_１６Ｖ） となる。このように、第４の実施の形態の場合、熱起電力の差は、Ｖ_{ＴＥＭＦ＋}（Ｔ_１６Ｖ）−Ｖ_{ＴＥＭＦ−}（Ｔ_１６Ｖ）となり、オフセット電圧は、第１、第２、第３の実施の形態の場合と同様一定である。よって、その影響を個別に測定して容易にキャンセルすることができる。

本発明を実施するにあたっては、第１、第２、第３及び第４の実施の形態を適宜組み合わせることができる。本発明のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置では、所望の電圧を得て、かつジョセフソンアレー全体が消費する電力を、出力電圧によらず最大電圧を発生させたときと等量又はほぼ等量の電力となるように制御することができる。

上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。

チップ発熱の問題は、電圧値が高い場合（例えば１０Ｖ以上）において深刻化する。ＰＪＶＳの用途はゼナーダイオードの校正、電圧計の校正、交流電圧標準などあるが、いずれも要求される電圧は年々上昇しているので、本発明の装置及び方法は有用である。また、冷凍機を用いた冷却方式では、チップの冷却温度に不均一性が生じやすいという問題を抱えているが、液体ヘリウム冷却方式の代替技術として重要性が増しており、本発明を適用することは有用である。

１、 超伝導体（Ｓ）
２、 薄い絶縁体（Ｉ）または常伝導体（Ｎ）
３、 周波数（ｆ）のマイクロ波
５、 ジョセフソン素子
６、 電流源
７、 マイクロ波発振器
８、 ＰＪＶＳセグメントの動作領域（バイアス電流供給の可能な範囲）
９、 温度上昇によりシフトした動作領域
２０、 冷却ヘッド
２１、 ＰＪＶＳチップ
２２、 ネジ等
２３、 マイクロ波入力端子
２４、 チップキャリア
２５、 バイアス電流入力／電圧出力端子
３０、 ＰＪＶＳセグメントの電流電圧特性
３１、 温度上昇により変化した電流電圧特性

Claims (12)

1. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法であって、
   各セグメントにおけるバイアス電流源を制御して、ジョセフソンアレー全体が消費する電力を、出力電圧によらず一定に保つように制御する方法であり、
   対をなすセグメントに対して、逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させることにより、当該セグメント対が発生する電圧をゼロとすることを特徴とする制御方法。
2. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法であって、
   各セグメントにおけるバイアス電流源を制御して、ジョセフソンアレー全体が消費する電力を、出力電圧によらず一定に保つように制御する方法であり、
   セグメントを２等分して、それぞれに対して逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させることにより、当該セグメントが発生する電圧をゼロとすることを特徴とする制御方法。
3. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法であって、
   所望の電圧値を得るために必要なセグメントを選び電流を流して電圧を発生させるとともに、選ばれなかったセグメントが複数本存在しかつそれらの間で素子数が等しい場合、素子数の等しい２本のセグメントを１つのペアとして形成し、ペア内の個々に対して互いに逆極性の電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させて、ペア全体の電圧としてはゼロとすることを特徴とする制御方法。
4. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法であって、
   所望の電圧値を得るために必要なセグメントを選び電流を流して電圧を発生させるとともに、選ばれなかったセグメントに対して、セグメントを２等分してそれぞれに対して逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させることにより、当該セグメントが発生する電圧をゼロとすることを特徴とする制御方法。
5. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法であって、
   所望の電圧値を得るために必要なセグメントを選び電流を流して電圧を発生させるとともに、選ばれなかったセグメントが複数本存在しかつそれらの間で素子数が等しい場合、素子数の等しい２本のセグメントを１つのペアとして形成し、ペア内の個々に対して互いに逆極性の電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させて、ペア全体の電圧としてはゼロとするとともに、
   ペアを形成しなかったセグメントに対して、セグメントを２等分してそれぞれに対して逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させて、当該セグメントが発生する電圧をゼロとすることを特徴とする制御方法。
6. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法であって、
   前記プログラマブルジョセフソン電圧標準装置は、分割された前記セグメントのうちの少なくとも１本がサブセグメントにさらに細かく分割され、
   所望の電圧を得るために前記サブセグメントの一部を選び電流を流して電圧を発生させるとともに、選ばれなかった複数のサブセグメントを２つのグループに分け、第１グループのサブセグメントと第２グループのサブセグメントに逆極性の電流を供給することにより、第１及び第２のグループ全体の電圧をゼロとすることを特徴とする制御方法。
7. 前記サブセグメントは、ジョセフソン素子の素子数が、２のべき乗に比例するように分割されていることを特徴とする請求項６記載の制御方法。
8. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の制御方法であって、
   前記プログラマブルジョセフソン電圧標準装置は、分割された前記セグメントのうちの少なくとも１本がサブセグメントにさらに細かく分割され、
   所望の電圧を得るためにサブセグメントを一部選び電流を流して電圧を発生させるとともに、
   選ばれなかったサブセグメントそれぞれに対して２等分し、分割された個々に対して逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させて、当該サブセグメントが発生する電圧をゼロとすることを特徴とする制御方法。
9. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置であって、
   ジョセフソンアレー全体が消費する電力を出力電圧によらず一定に保つように、各セグメントにおけるバイアス電流源を制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、対をなすセグメントに対して、逆極性のバイアス電流を流して等量でかつ逆極性の電圧を発生させることにより、当該セグメント対が発生する電圧をゼロとする制御を行うことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置。
10. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置であって、
    ジョセフソンアレー全体が消費する電力を出力電圧によらず一定に保つように、各セグメントにおけるバイアス電流源を制御する制御手段を備え、
    前記制御手段は、２等分されたセグメントのそれぞれに対して逆極性のバイアス電流を流して、等量でかつ逆極性の電圧を発生させて、当該セグメントが発生する電圧をゼロとする制御を行うことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置。
11. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置であって、
    ジョセフソンアレー全体が消費する電力を出力電圧によらず一定に保つように、各セグメントにおけるバイアス電流源を制御する制御手段を備え、
    前記プログラマブルジョセフソン電圧標準装置は、分割された前記セグメントのうちの少なくとも１本がサブセグメントにさらに細かく分割され、
    前記制御手段は、複数のサブセグメントを２つのグループに分け、第１グループのサブセグメントと第２グループのサブセグメントに逆極性の電流を供給することにより、第１及び第２グループを合わせた電圧をゼロとする制御を行うことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置。
12. 複数のセグメントに分割されたジョセフソンアレーを備えるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置であって、
    ジョセフソンアレー全体が消費する電力を出力電圧によらず一定に保つように、各セグメントにおけるバイアス電流源を制御する制御手段を備え、
    前記プログラマブルジョセフソン電圧標準装置は、分割された前記セグメントのうちの少なくとも１本がサブセグメントにさらに細かく分割され、
    前記制御手段は、２等分されたサブセグメントのそれぞれに対して逆極性のバイアス電流を流して、等量でかつ逆極性の電圧を発生させて、当該サブセグメントが発生する電圧をゼロとする制御を行うことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置。

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