(57)【要約】【課題】ＳＦＱ論理回路との間での接続・集積化が容易な光インターフェイスを実現することが可能な光入力素子を提供する。【解決手段】高温超伝導体により構成される制御電流線１００と、制御電流線１００を流れるパルス電流により発生する磁束が侵入し、かつパルス光が照射されるジョセフソン接合１２０を有し、高温超伝導体により構成されるバイアス電流線１１０と、ジョセフソン接合１２０に開口部２００ａを有し、バイアス電流線１１０を覆う第１遮光膜２００と、制御電流線１００を覆う第２遮光膜２１０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導体により構成される第１電流線と、
前記第１電流線を流れる電流により発生する磁束が侵入し、かつ光が照射されるジョセフソン接合を有し、超伝導体により構成される第２電流線とを備える
ことを特徴とする光入力素子。
【請求項２】
前記光入力素子は、さらに、前記ジョセフソン接合に光を入射させるための開口部を有し、前記第１電流線及び第２電流線を覆う遮光膜を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光入力素子。
【請求項３】
前記第１電流線は、光が照射されるジョセフソン接合を有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光入力素子。
【請求項４】
前記第１電流線には、パルス電流が印加される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光入力素子。
【請求項５】
前記第２電流線は、電気的に並列接続された複数の前記ジョセフソン接合を有する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光入力素子。
【請求項６】
請求項３記載の光入力素子を用いて信号の演算を行う方法であって、
前記第２電流線のジョセフソン接合に第１信号としてパルス光を照射する第１照射ステップと、
前記第１電流線のジョセフソン接合に第２信号としてパルス光を照射する第２照射ステップと、
前記照射により前記第２電流線に誘起された電圧を検出することにより前記第１信号及び第２信号の演算結果を算出する算出ステップとを含む
ことを特徴とする信号演算方法。
【請求項７】
請求項４記載の光入力素子を用いて信号の演算を行う方法であって、
前記第２電流線のジョセフソン接合に第１信号としてパルス光を照射する照射ステップと、
前記第１電流線に第２信号としてパルス電流を印加する印加ステップと、
前記照射及び印加により前記第２電流線に誘起された電圧を検出することにより前記第１信号及び第２信号の演算結果を算出する算出ステップとを含む
ことを特徴とする信号演算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光入力素子に関し、特にジョセフソン接合を有する超伝導光入力素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号を電気信号に変換する光電変換素子としては、半導体のＰＮ接合を用いたフォトダイオードや半導体を用いた光スイッチが一般的である。このような光電変換素子は、光ピックアップや光空間伝送等に幅広く利用されている。フォトダイオードによる光電変換は、半導体中に形成されたＰＮ接合に逆バイアス電圧を印加し、その逆バイアス電圧によって形成された空乏層及びその近傍に光を照射することによって行われる（例えば、特許文献１参照）。光の照射によって半導体中にキャリア（光キャリア）が生成され、生成された光キャリアが拡散層に生じる電位勾配に従って移動して空乏層まで到達することによって、光起電力（光電流）が発生する。
【特許文献１】特開平７−２４０５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、超伝導を用いた超高速・超低消費電力回路技術として、単一磁束量子（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｆｌｕｘ  Ｑｕａｎｔｕｍ、以下ＳＦＱと記す）を用いたＳＦＱ論理回路がある。ＳＦＱ論理回路は、高速性や低消費電力性に優れた特性を有しているため、従来の半導体素子では困難な高速信号処理を可能にする。しかしながら、ＳＦＱ論理回路は、１００ＧＨｚを超える高い周波数で動作をすることが可能な論理回路であるが、このような高い周波数では、電気信号を用いた信号の入力は困難である。従って、ＳＦＱ論理回路への信号入力方式として光信号を用いたものが考えられる。光信号を用いた信号入力方式を用いることで、ＳＦＱ論理回路に信号を容易に入力することができる。しかしながら、フォトダイオードや光スイッチを用いて光信号を入力する場合には、ＳＦＱ論理回路との間での接続・集積化が困難となる。
【０００４】
また通常、フォトダイオードのバイアス電圧は数百ミリボルト程度であり、光スイッチのバイアス電圧は数ボルト程度であるため、フォトダイオードや光スイッチの消費電力は大きい。例えば、パルス幅１ｐｓ、ピーク電流１ｍＡ、周波数１００ＧＨｚの光源で動作させた場合には、光スイッチの消費電力は１００μＷとなり、フォトダイオードの消費電力は数十μＷとなる。
【０００５】
さらに、フォトダイオードや光スイッチは、バンドギャップ以下のフォトンエネルギーを持つ光に対しては感度が著しく悪化するため、現在光通信に主に使用されている波長１．５μｍ程度のレーザ光に対しては使用できる材料が限定される。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、ＳＦＱ論理回路との間での接続・集積化が容易な光インターフェイスを実現することが可能な高速光入力素子を提供することを第１の目的とする。
【０００７】
また、消費電力が小さな光入力素子を提供することを第２の目的とする。
さらに、使用される光の波長による制限を受けない光入力素子を提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の光入力素子は、超伝導体により構成される第１電流線と、前記第１電流線を流れる電流により発生する磁束が侵入し、かつ光が照射されるジョセフソン接合を有し、超伝導体により構成される第２電流線とを備えることを特徴とする。
【０００９】
これによって、本発明の光入力素子は超伝導体により構成されるため、容易にＳＦＱ論理回路と接続・集積化することができる。そして、本発明の光入力素子をＳＦＱ論理回路と接続・集積化し、ジョセフソン接合に入力する光により第２電流線に誘起される電圧を信号として出力させることで、ＳＦＱ論理回路の光インターフェイスとして機能させることができる。よって、ＳＦＱ論理回路との間での接続・集積化が容易な光インターフェイスを実現することができる。
【００１０】
また、本発明の光入力素子は超伝導体により構成されるため、使用される光に応じた制限を受けない、消費電力が小さな光入力素子を実現することができる。
【００１１】
ここで、前記光入力素子は、さらに、前記ジョセフソン接合に光を入射させるための開口部を有し、前記第１電流線及び第２電流線を覆う遮光膜を備えてもよい。
【００１２】
これによって、ジョセフソン接合以外の電流線に光が入射することにより生じる第１電流線及び第２電流線の電圧変動を防止することができる。その結果、高精度に光信号を入力することが可能な光インターフェイスを実現することができる。
【００１３】
また、前記第１電流線は、光が照射されるジョセフソン接合を有してもよい。
これによって、光入力素子において、第２電流線に誘起される電圧は、第２電流線のジョセフソン接合に外部から照射される光、及び第１電流線のジョセフソン接合に外部から照射される光により変化する。よって、光入力素子を光演算素子として機能させて、外部から入力される２つの光信号の論理演算（ＡＮＤ演算やＯＲ演算等）を行うことができる。
【００１４】
また、前記第１電流線には、パルス電流が印加されてもよい。
これによって、光入力素子において、第２電流線に誘起される電圧は、ジョセフソン接合に外部から照射される光、及び第１電流線に外部から印加される電流により変化する。よって、光入力素子を光演算素子として機能させて、外部から入力される光信号と第１電流線に入力される電気信号との論理演算を行うことができる。
【００１５】
また、前記第２電流線は、電気的に並列接続された複数の前記ジョセフソン接合を有してもよい。
【００１６】
これによって、複数のジョセフソン接合により超伝導ループが形成され、第２電流線の複数のジョセフソン接合それぞれに個別に光を照射することにより、所定の超伝導ループを流れるループ電流を隣の超伝導ループに移動させることができる。よって、ループ電流を情報としたメモリ素子として光入力素子を機能させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＳＦＱ論理回路との間での接続・集積化が容易な光インターフェイスを実現することができる。また、超伝導ギャップは約２０ｍｅＶ程度と半導体のエネルギーギャップに比べ１００分の１程度であるため長波長の光にも応答可能であり、使用される光の波長による制限を受けない。また、消費電力が小さな光入力素子を実現することができる。さらに、インターフェイスレベルでの信号のスイッチ・乗算等の機能付加が可能な光入力素子を実現することができる。さらにまた、光入力素子をメモリ素子として機能させることができる。
【００１８】
よって、本発明により、高性能な光入力素子を提供することが可能となり、現在の光通信の速度・容量を飛躍的に向上させることができ、実用的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態における超伝導光入力素子について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は本実施の形態の超伝導光入力素子の構造を示す斜視図であり、図２は同超伝導光入力素子の構造を示す平面図である。なお、図２（ａ）は第１遮光膜２００及び第２遮光膜２１０でコーティングされていない状態の超伝導光入力素子を示し、図２（ｂ）は第１遮光膜２００及び第２遮光膜２１０でコーティングされた状態の超伝導光入力素子を示している。
【００２１】
この超伝導光入力素子は、ジョセフソン磁束量子フロートランジスタ（ＪＶＦＴ）構造を持ち、制御電流線１００、バイアス電流線１１０、第１遮光膜２００及び第２遮光膜２１０から構成される。
【００２２】
制御電流線１００は、複数のジョセフソン接合１２０を囲むように配置され、各ジョセフソン接合１２０に侵入（フロー）する磁束を発生させる。制御電流線１００には、パルス電流が印加される。
【００２３】
バイアス電流線１１０は、電気的に並列に接続された複数のジョセフソン接合１２０を有する。バイアス電流線１１０には、複数のジョセフソン接合１２０により複数の超伝導ループが形成される。各ジョセフソン接合１２０には、制御電流線１００からの磁束が侵入すると共に、外部から光が照射される。
【００２４】
第１遮光膜２００は、バイアス電流線１１０を覆うように配置され、バイアス電流線１１０のジョセフソン接合１２０以外の部分に入射する光を遮断する。第１遮光膜２００には、ジョセフソン接合１２０上方に位置し、外部からの光をジョセフソン接合１２０に導くように開口部２００ａが設けられている。
【００２５】
第２遮光膜２１０は、制御電流線１００を覆うように配置され、制御電流線１００に入射する光を遮断する。
【００２６】
ここで、制御電流線１００及びバイアス電流線１１０は、例えばＹＢＣＯ薄膜等の高温超伝導体から構成され、第１遮光膜２００及び第２遮光膜２１０は、例えばＡｕ薄膜等の金属膜から構成される。
【００２７】
また、制御電流線１００及びバイアス電流線１１０は、例えばそれぞれ１５μｍの幅を持ち、５μｍの間隔をおいて配置される。複数のジョセフソン接合１２０は、例えばそれぞれ３μｍの幅を持つ。複数の超伝導ループは、例えばそれぞれ１０×８μｍ2のループ面積を持つ。このとき、ジョセフソン接合１２０には約１ｍＡの電流が印加され、制御電流線１００には例えば約１０ｍＡの電流が印加される。
【００２８】
上記構造を有する超伝導光入力素子では、ジョセフソン接合１２０に光を照射すると、超伝導電子対が励起されて超伝導電子対密度が減少し、超伝導電流が瞬間的に減少するため、バイアス電流線１１０に電圧Ｖfが誘起される。また、制御電流線１００を流れるコントロール電流Ｉcoを増加させると、ジョセフソン接合１２０に侵入する磁束が増加するため、バイアス電流線１１０に電圧Ｖfが誘起される。よって、ジョセフソン接合１２０に光を照射し、また制御電流線１００を流れる電流を変調させることにより、バイアス電流線１１０からの出力電圧を変調することができる。
【００２９】
また、上記構造を有する超伝導光入力素子では、複数の超伝導ループにより図３に示されるような回路が形成される。よって、制御電流線１００に電流を印加して所定の超伝導ループにループ電流を発生させた後、その所定の超伝導ループに隣接して位置する超伝導ループのジョセフソン接合１２０に個別に光を照射することにより、所定の超伝導ループに隣接して位置する超伝導ループにループ電流を移動させることができる。
【００３０】
図４は、上記構造を有する超伝導光入力素子の出力特性の評価結果を示す図である。なお、出力特性の評価は、図５に示される計測システムを用いて行われた。すなわち、温度１７Ｋのクライオスタット３００内で、光チョッパー３３０により１ｋＨｚの強度変調を与えて光源３１０から超伝導光入力素子３２０（ジョセフソン接合１２０）に約８ｍＷのフェムト秒パルスレーザを照射し、かつ電流源３４０により超伝導光入力素子３２０（制御電流線１００）にパルス幅が２ｍｓあるいは４ｍｓのパルス電流を印加した状態で、超伝導光入力素子３２０（バイアス電流線１１０）からの出力電圧をアンプ３５０で増幅してオシロスコープ３６０で測定することにより行われた。
【００３１】
図４において、超伝導光入力素子３２０からの出力電圧は、パルス電流に対する応答にレーザ照射による出力変調が加算された形になっており、制御電流線１００及びジョセフソン接合１２０への光信号及び電気信号の２系統の入力信号のＯＮ／ＯＦＦによって矢印で示される４段階の電圧状態をとることがわかる。すなわち、同出力電圧は、制御電流線１００にハイレベルのパルスが印加され、かつジョセフソン接合１２０に光が照射された状態での電圧出力（図４のＡ）、制御電流線１００にローレベルのパルスが印加され、かつジョセフソン接合１２０に光が照射された状態での電圧出力（図４のＢ）、制御電流線１００にハイレベルのパルスが印加され、かつジョセフソン接合１２０に光が照射されない状態での電圧出力（図４のＣ）、及び制御電流線１００にローレベルのパルスが印加され、かつジョセフソン接合１２０に光が照射されない状態での電圧出力（図４のＤ）をとることがわかる。
【００３２】
上記構造を有する超伝導光入力素子は、２４°のバイクリスタルＭｇＯ（１００）基板等の基板上に高温超伝導体を堆積した後、高温超伝導体をフォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いてパターニングし、金属で被覆することにより形成される。
【００３３】
以上のように、本実施の形態に係る超伝導光入力素子は、超伝導体により構成されるため、半導体から構成されるフォトダイオードやａ−Ｇｅ光スイッチよりも容易にＳＦＱ論理回路と接続・集積化することができる。また、超伝導光入力素子をＳＦＱ論理回路と接続・集積化し、ジョセフソン接合１２０に照射する光によりバイアス電流線１１０に誘起される電圧を信号として出力させることで、ＳＦＱ論理回路の光インターフェイスとして機能させることができる。よって、ＳＦＱ論理回路との間での接続・集積化が容易な光インターフェイスを実現することができる。
【００３４】
また、本実施の形態に係る超伝導光入力素子は、超伝導体により構成されるため、使用される光に応じた制限を受けず、消費電力がフォトダイオードやａ−Ｇｅ光スイッチよりも小さな光入力素子を実現することができる。例えば、パルス幅１ｐｓ、ピーク電流１ｍＡ、周波数１００ＧＨｚの光源で動作させた場合には、消費電力は数百ｎＷとなる。
【００３５】
また、ＹＢＣＯの電磁波放射測定結果である図６に示されるように、超伝導体はフォトダイオードよりも高くＵＴＣ−ＰＤやａ−Ｇｅ光スイッチと同等の光応答速度（図６においては約１．１ｐｓ）を示す。つまり、高い動作周波数（図６においては約１ＴＨｚ）を示す。よって、超伝導光入力素子は、超伝導体により構成されるため、高速動作が可能な光入力素子を実現することができる。
【００３６】
例えば、Ｎをジョセフソン接合１２０の数とし、ＲNJをジョセフソン接合１２０の抵抗とし、ＣJをジョセフソン接合１２０の容量とし、ＩCJをジョセフソン接合１２０の臨界電流とし、
【００３７】
【数１】
2008053373.tif 000003
として、超伝導光入力素子のスイッチング速度τuppは
【００３８】
【数２】
2008053373.tif 000004
【００３９】
【数３】
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の式により概算され、Ｎを１とし、βLを１とし、ＩCJＲNJを５ｍＶとしたときに、その数値は約０．１２ｐｓとなる。つまり、超伝導光入力素子がテラヘルツ周波数帯で動作することが導出される。
【００４０】
また、本実施の形態に係る超伝導光入力素子によれば、ジョセフソン接合１２０に照射されるパルス光を光信号とし、制御電流線１００に印加されるパルス電流を電気信号として、光信号及び電気信号の２系統の入力信号のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによってバイアス電流線１１０に異なる４種類の電圧が誘起される。よって、超伝導光入力素子に所定の閾値以上の電圧が出力されたか否かを検出する回路を接続し、バイアス電流線１１０に誘起された電圧に基づいて光信号及び電気信号の演算結果を算出することにより、超伝導光入力素子を光信号及び電気信号の２系統の入力信号の演算を行う光演算素子として機能させることができる。さらに、出力電圧はジョセフソン接合１２０に照射される光、あるいは制御電流線１００を流れる電流の量に応じて変化するので、多値回路としても機能させることができる。その結果、インターフェイスレベルでの信号の乗算等の機能付加が可能な光入力素子を実現することができる。
【００４１】
例えば、制御電流線１００にハイレベルのパルスが印加され、かつジョセフソン接合１２０に光が照射された状態で出力される電圧以上の電圧が出力されたか否かを検出する回路を接続することにより、光信号及び電気信号のＡＮＤ演算を行う光演算素子として超伝導光入力素子を機能させることができる。この場合には、図７（ａ）に示されるような電気信号と図７（ｂ）に示されるような光信号が入力され、図７（ｃ）に示されるような出力が得られた場合には、図７（ｃ）のＡを閾値として図７（ｄ）に示されるような演算結果が得られる。
【００４２】
また、制御電流線１００にローレベルのパルスが印加され、かつジョセフソン接合１２０に光が照射された状態で出力される電圧、及び制御電流線１００にハイレベルのパルスが印加され、かつジョセフソン接合１２０に光が照射されない状態で出力される電圧のいずれか低い方の電圧以上の電圧が出力されたか否かを検出する回路を接続することにより、光信号及び電気信号のＯＲ演算を行う光演算素子として超伝導光入力素子を機能させることができる。この場合には、図７（ａ）に示されるような電気信号と図７（ｂ）に示されるような光信号が入力され、図７（ｃ）に示されるような出力が得られた場合には、図７（ｃ）のＢを閾値として図７（ｅ）に示されるような演算結果が得られる。
【００４３】
また、本実施の形態に係る超伝導光入力素子によれば、複数のジョセフソン接合１２０により超伝導ループが形成され、ジョセフソン接合１２０それぞれに個別に光を入力することにより、ループ電流を移動させることができる。よって、ループ電流を情報としたメモリ素子として超伝導光入力素子を機能させることができる。
【００４４】
以上、本発明の光入力素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００４５】
例えば、上記実施の形態の超伝導光入力素子では、制御電流線１００に印加するパルス電流により信号を入力するとしたが、制御電流線１００にジョセフソン接合を設け、ジョセフソン接合に照射するパルス光により信号を入力してもよい。すなわち、超伝導光入力素子は、図８の超伝導光入力素子の斜視図、及び図９の超伝導光入力素子の平面図に示されるように、制御電流線１００にジョセフソン接合４００が形成された構造を有してもよい。なお、図９（ａ）は第１遮光膜２００及び第２遮光膜２１０でコーティングされていない状態の超伝導光入力素子を示し、図９（ｂ）は第１遮光膜２００及び第２遮光膜２１０でコーティングされた状態の超伝導光入力素子を示している。この場合には、ジョセフソン接合４００上方に位置し、外部からの光をジョセフソン接合１２０に導く開口部２１０ａが第２遮光膜２１０に設けられる。
【００４６】
この場合には、ジョセフソン接合１２０、４００に照射される各パルス光を光信号として、２つの光信号の２系統の入力信号のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによってバイアス電流線１１０に異なる４種類の電圧が誘起される。よって、超伝導光入力素子に所定の閾値以上の電圧が出力されたか否かを検出する回路を接続し、バイアス電流線１１０に誘起された電圧に基づいて２つの光信号の演算結果を算出することにより、超伝導光入力素子を２つの光信号の演算を行う光演算素子として機能させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、光入力素子に利用でき、特にＳＦＱ論理回路の光インターフェイス等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態の超伝導光入力素子の構造を示す斜視図である。
【図２】（ａ）同実施の形態の超伝導光入力素子の第１遮光膜及び第２遮光膜でコーティングされていない状態での構造を示す断面図である。（ｂ）同実施の形態の超伝導光入力素子の第１遮光膜及び第２遮光膜でコーティングされた状態での構造を示す断面図である。
【図３】複数の超伝導ループにより形成される回路を示す図である。
【図４】同実施の形態の超伝導光入力素子の出力特性の評価結果を示す図である。
【図５】同実施の形態の超伝導光入力素子の出力特性の計測システムの構成を示す図である。
【図６】ＹＢＣＯの電磁波放射測定結果を示す図である。
【図７】（ａ）同超伝導光入力素子への入力信号の一例を示す図である。（ｂ）同超伝導光入力素子への入力信号の一例を示す図である。（ｃ）同超伝導光入力素子からの出力の一例を示す図である。（ｄ）同超伝導光入力素子を光演算素子として機能させた場合の出力特性の評価結果を示す図である。（ｅ）同超伝導光入力素子を光演算素子として機能させた場合の出力特性の評価結果を示す図である。
【図８】同実施の形態の超伝導光入力素子の変形例の構造を示す斜視図である。
【図９】（ａ）同実施の形態の超伝導光入力素子の変形例の第１遮光膜及び第２遮光膜でコーティングされていない状態での構造を示す断面図である。（ｂ）同実施の形態の超伝導光入力素子の変形例の第１遮光膜及び第２遮光膜でコーティングされた状態での構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００    制御電流線
１１０    バイアス電流線
１２０、４００    ジョセフソン接合
２００    第１遮光膜
２００ａ、２１０ａ    開口部
２１０    第２遮光膜
３００    クライオスタット
３１０    光源
３２０    超伝導光入力素子
３３０    光チョッパー
３４０    電流源
３５０    アンプ
３６０    オシロスコープ
【図１】
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【図２】
2008053373.tif 000007
【図３】
2008053373.tif 000008
【図４】
2008053373.tif 000009
【図５】
2008053373.tif 000010
【図６】
2008053373.tif 000011
【図７】
2008053373.tif 000012
【図８】
2008053373.tif 000013
【図９】
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