(57)【要約】受動ミリ波撮像装置は、フロントエンド光学器械によって照明された光学液浸レンズ構成と、この液浸レンズ構成の焦点面に配置された直接検波器（１２ａ）から（１２ｄ）とを含む。この検波器は、アンテナ結合高温超電導体弱連結、特にＣ軸クロスオーバー又はステップマイクロブリッジを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集束した地表ミリ波画像を受信し、そこから対応する画像表示信号のピクセル形式の組を形成するためのセンサのアレーであって、該センサが、入射ミリ波放射線を直接検波するアンテナ結合高温超伝導体弱連結であるアレー。
【請求項２】
前記弱連結は、ジョセフソン接合であることを特徴とする請求項１に記載のアレー。
【請求項３】
前記弱連結は、マイクロブリッジであることを特徴とする請求項１に記載のアレー。
【請求項４】
前記マイクロブリッジは、Ｃ軸マイクロブリッジであることを特徴とする請求項３に記載のアレー。
【請求項５】
前記Ｃ軸マイクロブリッジは、クロスオーバーマイクロブリッジであることを特徴とする請求項４に記載のアレー。
【請求項６】
前記Ｃ軸マイクロブリッジは、ステップマイクロブリッジであることを特徴とする請求項４に記載のアレー。
【請求項７】
前記ジョセフソン接合は、障壁を有することを特徴とする請求項２に記載のアレー。
【請求項８】
前記弱連結は、高温超伝導体ＲＢａ2Ｃｕ3ＯX材料（式中、ＲはＹ又は希土類元素である。）から製造されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のアレー。
【請求項９】
前記センサを超伝導臨界温度ＴCよりも実質的に低い温度に維持する手段を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のアレー。
【請求項１０】
エピタキシャル成長及びパターン化の工程によりモノリシックに形成されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のアレー。
【請求項１１】
前記センサに電気的にバイアスを掛ける手段が更に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のアレー。
【請求項１２】
前記センサからの前記信号を電気的に読み取る手段が更に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のアレー。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のアレーと、レンズ又はレンズアレーとを含むセンサ要素であって、センサアレーが該レンズ又はレンズアレーの非常に近くにあるか又はそれに接触し、該レンズ又は複数のレンズが液浸レンズとして作用するセンサ要素。
【請求項１４】
請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のアレーと、ミリ波画像を該アレー上に集束させるための撮像光学器械とを含む撮像装置。
【請求項１５】
前記撮像光学器械は、レンズ又はレンズアレーであるか又はそれを含み、
前記センサアレーは、該レンズ又はレンズアレーの非常に近くに又はそれに接触して配置されるか又は固定され、該レンズ又は複数のレンズが液浸レンズとして作用する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記撮像光学器械は、光学液浸のために前記センサアレーが固定された前記レンズ又はレンズアレーに隣接するがそれから間隔を置いて配置された比較的温かい高屈折力レンズ要素を有するダブレットを含むことを特徴とする請求項１５に記載の撮像装置。
【請求項１７】
接地板が、前記集積アレーの前記液浸レンズから離れた方の側に配置されることを特徴とする請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１８】
前記光学液浸レンズの構成は、検波器アレーから熱的に切り離されることを特徴とする請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地表風景を撮像するのに適するミリ波撮像装置に関し、より詳細には、限定はされないが、受動ミリ波撮像装置に関する。「受動」とは、ミリ波放射線で風景を照明する必要がないことを意味する。
【背景技術】
【０００２】
受動ミリ波撮像は、空港や国境検問所で隠し武器を検出するためなどの保安用途に潜在的に重要な技術である。地表風景の受動ミリ波撮像はまた、航空機やヘリコプターの飛行又は着陸支援として使用される。
そのような多くの用途で、受動ミリ波撮像装置は、容認できる費用で過度に使いにくい機器を用いることなく、温度分解能が０．５Ｋよりも小さいリアルタイム画像を生成することができるべきである。ノイズを考慮するために、相当な時間に亘って各ピクセルにおいて信号を積分する必要があり、従って、許容可能な性能（例えば、２０Ｈｚのフレーム率で少なくとも１０4ピクセルのフレーム）を達成するためには、多数の独立検波器チャンネルを用いる必要があり、典型的な最先端ミリ波撮像装置では、１００を超える検波器が必要になることになる。画像が電子的又は機械的のいずれで走査されるかに関係なく、有用な温度解像度でリアルタイム画像を得ようとすれば、いずれの撮像アレーからも比較的多数の独立出力を供給する必要があり、このような多数の出力を電子的に走査したアレーから得ることは容易ではない。更に、焦点面アレーにおいてヘテロダイン検波器を用いる場合には、大きなアレーの全ての要素を読み取る手段を設けるべきである。
【０００３】
天文学用受動ミリ波撮像のための検波方式は、低温超伝導トンネル接合準粒子ミキサーによるヘテロダイン検波を用いる。このことは、観測されている天文学的風景からのノイズ信号と混合されて比較的低い中間周波数（ＩＦ）のノイズ出力を生成するローカル発振器信号が各検波器に供給されることを意味する。天文学では、孤立した特定の狭帯域の信号が通常望ましく、その場合は、「ＩＦ」がスペクトル的に解析される。
【０００４】
スペクトル電波天文学及び大気学の用途に適する超伝導受信器アレーの例は、Ｖ．Ｐ．Ｋｏｓｈｅｌｅｔｓらによる論文「集積超伝導受信器」、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｎｏｌ．」、１３（２０００年）、Ｒ５３２−Ｒ６９に説明されている。ヘテロダイン検波に伴う複雑さは、その図１４に示す回路から判断することができる。仮に多くのこのような検波器が用いられるとしたら、大きなＧＨｚの帯域幅を各々が有する多数の信号を読み取ることは実際的でないために、それらの出力は、ほぼ直流に整流されるべきであろう。仮に信号が単純に整流されたとしたら、ローカル発振器の振幅及び位相の両方のノイズが出力に現れるであろうし、磁束フロー発振器の振幅ノイズが、Ｋｏｓｈｅｌｅｔｓらによって研究された位相ノイズよりも遥かに大きくなる可能性が高い。これを消失させるためには、各ピクセルに更に複雑な回路が必要になると考えられる。従って、多数の検波器に地表風景を撮像させるモードでの作動は、Ｋｏｓｈｅｌｅｔｓらが呈示した目的でもなければ、彼らの回路を用いて簡単な方法でそれを達成することができるわけでもない。このような不利な点は、Ｋｏｓｈｅｌｅｔｓらの実施例だけではなく、一般に、ヘテロダイン検波方式に当てはまる。これと対照的に、本発明は、以下に説明するように直接（ビデオ）検波を用いるので、従って、出力は本質的に変動する直流信号である。これにより、大きな検波器アレーの製作及び読み取りが容易になる。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５１０５２００号
【特許文献２】
欧州特許出願番号８２３７３４
【特許文献３】
国際特許出願番号ＷＯ９８／０４００２
【特許文献４】
英国特許出願一連番号ＧＢ２，２８８，０９４
【非特許文献１】
Ｖ．Ｐ．Ｋｏｓｈｅｌｅｔｓら著「集積超伝導受信器」、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｎｏｌ．」、１３、Ｒ５３２−Ｒ６９、２０００年
【非特許文献２】
Ｓ．Ｆ．Ｋａｒｍａｎｅｎｋｏら著「超伝導ＹＢＣＯ薄膜に基づくアンテナ結合マイクロボロメータの製造工程とノイズ特性」、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．」、１３、２７３〜２８６、２０００年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
天文学とは対照的に、地表風景は、当該の狭帯域スペクトル情報を含まず、検波器チャンネルは、低ノイズで比較的大きい帯域幅に亘って信号を積分する必要があるのみである。地表受動ミリ波撮像に関する現行の技術では、最新の半導体技術の一連の高速増幅器を用いて、風景からのノイズ信号を増幅する。次に、半導体整流器を用いて、この信号を直接検波する。必要な増幅器利得は、一般的に６０ｄＢ程度である。９０ＧＨｚ及びそれ以上の周波数でこれを達成するためには多くの利得段が必要であるから、高コスト、電力消耗、及び複雑性をもたらす。更に、現行のミリ波撮像装置に関連して用いられるリアルタイム走査装置の大きさ、コスト、及び複雑性は、大きな欠点である。
アンテナからのビームが同調可能素子により方向付けられるいくつかのフェースドアレーアンテナの概念は公知である。このような概念の例は、Ｋｏｅｐｆにより与えられている（米国特許第５１０５２００号）。このようなアレーは、典型的に、単一出力及び限定された瞬間帯域幅を有し、地表撮像に必要な多数の検波チャンネル及び広い帯域幅を容易には提供することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、集束した地表ミリ波画像を受信し、そこから対応する画像表示信号のピクセル形式の組を形成するためのセンサのアレーを提供し、これらのセンサは、入射ミリ波放射線を直接検波するためのアンテナ結合高温超伝導体弱連結である。センサが協働して作用するフェーズドアレーとは異なり、アレーの各センサは、集束した画像の単一ピクセルに反応して、対応する出力信号をもたらすことができる。実際には、この信号は、例えば積分、増幅、及び他の要件のために、最初に並列チャンネルで処理される傾向があるが、最終的には、並列チャンネル信号が公知の方法で直列信号に変換されることが一般的である。
【０００８】
Ｓ．Ｆ．Ｋａｒｍａｎｅｎｋｏらは、「超伝導ＹＢＣＯ薄膜に基づくアンテナ結合マイクロボロメータの製造工程とノイズ特性」、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．」、１３（２０００年）、２７３〜２８６にマイクロボロメータのアレーを説明している。本発明の実施形態と表面的には構成上の類似が見られ、同様の材料が用いられているが、これらの装置の電流は、どこでも結晶ｃ軸と垂直である。
【０００９】
更に、マイクロボロメータは、入射ミリ波放射線を直接検波するためのアンテナ結合高温超伝導体弱連結としては作動せず、超伝導材料のインピーダンス、特に抵抗を変えるのに放射線により引き起こされる温度変化に依存し、超伝導材料は、全ての有意なインピーダンスの変化が明示されるように、必然的に超伝導臨界温度Ｔｃ近くに維持される。これとは対照的に、アンテナ結合高温超伝導体弱連結は、Ｔｃよりも相当に低い温度（例えば、少なくとも５℃、更に好ましくは、少なくとも１０℃）に維持されるのが望ましい。直接検波器及びボロメータの作動モードは、ボロメータが電流／電圧特性の１次導関数にほぼ比例して応答するのに対し、直列検波器が電流／電圧特性の２次導関数にほぼ比例するという点ではっきりと区別される。
【００１０】
本発明の実施形態では、センサとしてｃ軸マイクロブリッジ（ＣＡＭ）接合を用いるが、これらは、一般的にステップ「ＣＡＭ」接合又はクロスオーバー「ＣＡＭ」接合として作られる。１００ＧＨｚ放射線に対するステップ「ＣＡＭ」接合の応答は、バイアスの関数として図１０に示され、マグニチュードが測定データにほぼ対応するようにスケーリングされて電流電圧特性の１次及び２次導関数と比較されている。２次導関数曲線との類似が明らかである。アンテナインピーダンスとの整合がバイアス条件で変化すると予想されるために、曲線間の正確な一致は期待できない。明らかに、ステップ「ＣＡＭ」接合は、直接検波器として作動する。
【００１１】
可能性のある代替の検波素子は、多重接合を組み合わせて放射線の単一エミッタ／検波器を提供することを考えた欧州特許出願番号８２３７３４（Ｄｏｒｎｉｅｒ）及び国際特許出願番号ＷＯ９８／０４００２（Ｄｏｒｎｉｅｒ）に開示されている。接合間の位相固定が、これらの概念の長所の中心である。接合間の位相固定は、十分な放射線出力が存在する時にのみ起こる非線形現象である。すなわち、位相固定は、ミリ波放射線のエミッタの製造、又はヘテロダイン検波方式において有利に用いることができるが、高感度での地表ミリ波撮像に十分に適する唯一の手法である直接検波においてはそうではない。
【００１２】
アンテナ結合高温超伝導体弱連結は、高速及び非線形であるために、潜在的に直接検波器として用いることによく適合する。しかし、ジョセフソンミキサーが準粒子ミキサーよりもノイズ性能が遥かに劣ることが公知であるために、このことを真剣に検討するのは、本出願が始めてである。しかし、このノイズは、地表撮像に対する周囲温度状況からのノイズに匹敵した状態のままであり、従って、直接検波方式の性能は、地表の用途に関しては、準粒子ミキサーよりもわずかに劣るだけである。また、直接検波を用いることにより、走査アレーに多数の検波器を用いることができ、それによってリアルタイム撮像装置において高い温度解像度（＜＜１Ｋ）を達成することができる。
地表という用語は、本明細書では、撮像装置が天を見るのと反対に地表風景を見るように設計されていることを示すのに用いる。このような撮像装置は、例えば可能な着陸地点を撮像するための飛行機及びヘリコプターの着陸支援として用いることができる。
【００１３】
弱連結には、ジョセフソン接合、特に「ＨＴＳ」ジョセフソントンネル接合を含むことができる。マイクロブリッジは、クロスオーバーマイクロブリッジ又はステップマイクロブリッジとすることができる。ジョセフソン接合を含むマイクロブリッジ接合を作るために本明細書で参照する技術の一部は、性質及び機構に未だ議論の余地がある障壁を生成する可能性があることに注意すべきである。簡単にするために、本明細書では、これらを全てマイクロブリッジと呼ぶ。
好ましくは、弱連結は、高温超伝導材料、例えばＲＢａ2Ｃｕ3Ｏx材料で作られ、ここで、Ｒは、Ｙ又は希土類元素である。
【００１４】
アレーは、例えば地表風景を撮像するために、撮像光学器械から集束した画像を受け取るように意図される。撮像光学器械は、センサアレーとフロントエンド光学器械との間の光学液浸レンズ（optical immersion lens）構成を含むことができる。
光学液浸レンズ構成は、単一の液浸レンズ（又は、液浸レンズアレー、例えばセンサ１つにレンズ１つ）を含むことができる。センサアレーは、隣接する撮像光学器械の液浸レンズに非常に近接するか又は接触して配置又は固定されるべきであり、両方の間のいかなる隙間も０．０１波長よりも小さいことが好ましい。代替的に、液浸レンズ構成を冷却する時間を減少させるために、光学液浸レンズは、第１の暖かい高屈折力レンズ要素と、液浸機能をもたらすための第２の冷たいレンズ要素とを有するダブレットを含むことができる。この場合、液浸機能をもたらすレンズのみを冷却する必要がある。
【００１５】
液浸レンズ構成に対する冷却要件を低減する別の方法は、光学液浸レンズ構成を検波器アレーから熱的に切り離すことによる。レンズとアレーとの間の狭い隙間は、レンズと検波器アレーとの間の熱的接触を大幅に減少させるように設計することができ、同時に、依然としてミリ波放射線が隙間を通り抜けることを可能にする。次に、液浸レンズ構成と検波器アレーとの間に温度差が存在することができ、それによって、検波器を冷却する必要がある低温までレンズ構成を冷却させる必要がなくなる。１つよりも多いこのような熱遮断を用いて、熱的切り離しを強化することもできるであろう。
【００１６】
本発明による撮像装置は、１つよりも多い液浸レンズ／検波器アレーアセンブリを含むことができ、例えば、異なるアセンブリが、異なる周波数又は偏光で作動することができる。代替的に、１つよりも多いこのようなアセンブリを用いて、撮像装置の視野を広くすることもできる。
接地板（ground plane）は、アンテナの主前方ローブの出力を向上させるために、集積アレーの液浸レンズから離れた側に位置することができる。
アンテナの集積アレー、及び関連するアンテナ結合高温超電導体弱連結は、エピタキシャル成長及びパターン化工程により、コスト効率よくモノリシックに形成される。
ここで、本発明を単に例示的に添付の図面を参照して以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１に示すミリ波撮像装置には、単一液浸レンズ（２）の前面を照明するために、例えば酸化マグネシウムセラミック（ＭｇＯ）又はアルミナセラミックで作られたフロントエンド光学器械（図示せず）が含まれる。液浸レンズは、フロントエンド光学器械により照明されるその表面に反射防止コーティング（６）を有する。導電発泡材のような吸収材料（７）がレンズ（２）側に配置され、レンズ（２）の内側に繰り返し伝搬する放射線の量を最小限にするために、レンズの内側に反射又は散乱した放射線の多くを吸収する。
【００１８】
コスト効率の良い生産のためには、１つの液浸レンズを用いる方が複数のそのようなレンズよりも好ましい。液浸媒体内の波長の減少は、基板の所定の区域上により多くの検波器を詰め込むことができることを意味する。これはまた、単一基板上に数百の検波器を作ることができるように、液浸レンズ（２）の焦点面に配置された直接検波器（４）のアレーを物理学的法則が許す限り（おそらく、約一作動波長間隔）緊密に詰め込むことができることを意味する。単一液浸レンズ（２）を用いることの欠点は、レンズ全体を冷却する必要があることであり、このために、数時間程度の比較的長い時間冷却しないと撮像装置が使用可能にならない。代替方法としては、液浸レンズのダブレットを用いて冷却時間を減少させることもできるであろう。
【００１９】
レンズ及び検波器構成は、真空ジャケット（５）内の２段「Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ（ＧＭ）」冷却装置（５）に収容する。液浸レンズ（２）は、真空ジャケットの窓（９）を通してフロントエンド光学器械により照明される。この窓は、望ましい放射線を透過させて同時に帯域外放射線を反射する要素を用いて有利にパターン化することができる。「ＧＭ」冷却装置は、レンズ（２）を冷却するための第１の冷却段（１）と、検波器アレー（４）を冷却するための第２の冷却段（３）とを有する。レンズ（２）は、レンズ支持体（１１）により支持され、このレンズ支持体はまた、レンズを冷却する第１冷却段の一部を形成すると共に放射線シールドとして形成される。
【００２０】
レンズ（２）と検波器アレー（４）との間には、例えば図７に示すような種類の熱遮断（１３）を設けることができる。この例では、熱遮断（１３）には、誘電定数がレンズ（２）及び検波器基板（４）と同様であり、所々にスペーサ（１５）がパターン化されたミリ波長を透過するガラス板（同じく複数のガラス板を含むこともできるであろうが）が含まれる。
フロントエンド光学器械及び液浸レンズ（２）の組み合わせにより、検波器アレー（４）において地表風景の画像が生成される。検波器アレー（４）は、ＭｇＯ基板上に形成されるが、高屈折率材料を用いて、アンテナインピーダンスを更に減少させると共に検波器の密度を増大させることもできるであろう。
【００２１】
接地板（８）は、検波器（４）のアレーの背部に配置することができる。接地板（８）は、厚さが撮像装置の作動波長の４分の１にほぼ等しく、検波器から離れたその表面を金（Ａｕ）でコーティングされたＭｇＯ又はアルミナの板とすることができる。作動周波数が１００ＧＨｚで誘電定数が９．６の場合には、接地板（８）の厚さは、例えば２５０μｍ又はその範囲になるであろう。接地板（８）を用いると、アンテナインピーダンスを減少させると共に、アンテナの主前方ローブの幅を減少させる効果がある。
【００２２】
レンズ及び検波器構成の装着を図８に更に詳細に示す。このより単純な構成では、レンズは、検波器を冷却するのと同じ冷却段で直接冷却される。液浸レンズ（２）は、円筒形冷却スリーブ（１７）により支持され、レンズクランプ（１９）で定位置に締め付けられる。検波器のアレーは、基板（４）のレンズ（２）に向く面上に形成され、レンズ（２）と検波器アレーとは、熱遮断（１３）により分離される。接地板（８）は、検波器アレーの背部に配置される。レンズアセンブリは、「ＧＭ」冷却装置の第２段の冷却ヘッドである銅冷却板（２３）上に支持される。可撓性の銅ブレード（２５）を用いて、検波器アレーを冷却すると共に検波器構成を上向きに付勢してレンズ（２）に接触させる。
【００２３】
検波器アレー（４）に使用するのに適する４つの検波素子のアレーの回路レイアウトを図２に示す。実際には、１平方インチの基板上に２０×２０程度の検波素子のアレーが用いられるであろう。アレーの各検波素子は、アンテナ（１０ａ〜１０ｄ）と、アンテナ結合「ＨＴＳ」クロスオーバー「ＣＡＭ」ジョセフソン接合（１２ａ〜１２ｄ）とを含む。図２のレイアウトでは、アンテナ（１０ａ〜１０ｄ）は、Ｈ−アンテナであり、その各々は、適切なインピーダンス及び長さの線によって結合され最大で作動波長の約半分まで離れた２つのダイポールアンテナ（１４ａ，１４ｂ）を含む。「ＣＡＭ」接合（１２ａ〜１２ｄ）は、その中心でこの線を横切って交差接続されている。検波素子への超伝導バイアス及び読取りリード線（１６ａ〜１６ｈ）は、比較的インピーダンスが低い箇所でアンテナ（１０ａ〜１０ｄ）に接続される。リード線（１６ａ〜１６ｈ）は、アンテナ（１０ａ〜１０ｄ）において高インピーダンスを呈するように、作動波長の半分の間隔で交替する高及び低インピーダンス部分から成る低域フィルタを含む。バイアスリード線（１６ａ〜１６ｈ）は、アンテナ（１０ａ〜１０ｄ）の放射線パターンの摂動を最小限にするために、アンテナ（１０ａ〜１０ｄ）と垂直に位置合わせされる。
【００２４】
図２に示す構成では、各検波素子に対して２つのリード線（１６ａ〜１６ｈ）が必要である。代替的に、図５の構成では、単一の比較的高い値のオーバーラップコンデンサが、アンテナから作動波長の約半分の位置に配置されて（液浸媒体中に）検波素子を互いに及びその周囲から隔離し、共通の電極を用いることを可能にして、従ってスペースを節約する。
検波素子に用いられる「ＨＴＳ」クロスオーバー「ＣＡＭ」ジョセフソン接合（１２）を図３に詳細に示す。この接合（１２）は、高い基準状態抵抗（ＲN）と、十分に高い臨界電流とを有するべきである（それにより、その作動温度Ｔにおいて、臨界電流ＩC＞＞ｋＴ／φ0であり、ここで、ｋはボルツマン定数、φ0は、２．１０-15Ｗｂにほぼ等しい磁束量子である）。接合の固有周波数ＦC＝ＩCＲN／φ0は、検出している周波数よりも相当に大きくあるべきであり、好ましくは、検出している周波数の少なくとも３倍である。トンネル接合では、「マッカンバー」パラメータβCが１よりも大幅に小さくなるように、静電容量を低くする必要がある。「マッカンバー」パラメータは、以下のように与えられる。
βC＝２πＩCＲN2Ｃ／φ0
ここで、
ＩC＝臨界電流、
ＲN＝接合基準抵抗、
Ｃ＝静電容量、及び
φ0＝磁束量子
であり、従って、ＲNが大でなければならないので、Ｃは小であるべきである。
【００２５】
シミュレーションにより、小さな静電容量の必要性が、障壁を有する弱連結に対して特に重要であることが示された。障壁自体が静電容量を導入するために、障壁のない弱連結にとっては、低静電容量はそれほど重要な問題ではない。障壁のある弱連結の断面積は、本明細書に説明する種類の撮像装置で良好に作動するためには、約０．０５μｍ2よりも小さいことが必要であると推定されている。マイクロブリッジ弱連結の断面はまた、静電容量を低く保つためではなく、むしろ抵抗を大きくするために小さくする必要がある。
【００２６】
これらの特性（低静電容量及び高ＲN）は、ｃ軸マイクロブリッジ（ＣＡＭ）ジョセフソン接合に見られるものであり、用いた特定の種類の「ＣＡＭ」は、図３に示すクロスオーバー「ＣＡＭ」である。この種類のクロスオーバー「ＣＡＭ」及びこのようなクロスオーバー「ＣＡＭ」の製造は、本出願者の英国特許出願一連番号ＧＢ２，２８８，０９４において特にその図５に関連してより詳細に説明されている。
【００２７】
図３では、超伝導体素子「ＹＢＣＯ」の組成は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7（１８、２０、及び２２の部分）であり、比較的高抵抗の材料「ＰＢＣＯ」の組成は、ＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7（２６の部分）である。代替的に、他の超伝導体及び絶縁体を用いることもでき、特に、新しく発見されたＭｇＢ2超伝導体を用いることもできるであろう。図３の構成は、２つの「ＹＢＣＯ」電極（１８、２０）を接合する連続ａ−ｂ平面（図３に挿入したａ−ｂ−ｃ軸を参照）がないように接合（１２）の幾何学的形状を変更した点で、英国特許出願一連番号ＧＢ２，２８８，０９４の図５の構成を改良したものである。これは、上部電極（１８）がパターン化されて（以下に説明）、ｃ軸方向に電流の全てが流れる必要があるマイクロブリッジを形成する「ＹＢＣＯ」材料（２２）の短い部分をもたらす時に、いくらか過剰摩砕することにより達成することができる。このように作られた場合、図３に示す接合は、インタフェース改変接合である。
【００２８】
図３の接合を形成するために、ＭｇＯ基板（２８）上にＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のエピタキシャル層（２４）、続いてＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のエピタキシャル層（２０）を堆積させる。次に、図４ａ（断面図）及び図４ｂ（平面図）に示すように、層（２０）及び（２４）をパターン化してトラックを作る。エピタキシャルＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の層（２６）は、図４ｃに示すようにトラック（２０）を覆って堆積させ、その後、図４ｄに示すように、トラック（２０）が露出するように平坦化する。次の層を成長させる前のこの表面処理は、改変接合を形成する際の重要な段階である。第２の層であるエピタキシャルＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7（１８）は、層（２６）を覆って堆積され、その後、図４ｅに示すようにパターン化されて、図４ｆの平面図に示すようにトラック（２０）を横切る第２のトラック（１８）を形成する。上部層（１８）は、フォトリソグラフィ及びイオンビーム摩砕を用いてパターン化される。ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7層（１８）の下を過剰に摩砕することは、層間の結合が改変インタフェースを通る電流が主にｃ方向になるような結合であることを保証する。
【００２９】
直接検波器としてのジョセフソン接合の性能をシミュレートすることにより、例外的に低い静電容量と共に、高い基準抵抗（ＲN）と臨海電流−基準抵抗の積（ＩCＲN）とが必要であることが示される。トンネル接合を用いる場合、この低い静電容量の要件は、非常に小さな接合面積、及び、非常に小さな寄生容量を用いる接合技術を示唆する。図４の方法により作られた図３に示す幾何学形状は、インタフェース改変接合をもたらす。図４の方法を用いて、０．０１から０．０４μｍ2程度の接合を作ることができる。
【００３０】
基部電極（２０）及び上部電極（１８）は、０．１〜０．２μｍの寸法して小さくする必要がある。このような寸法は、硬いマスク材料（例えば炭素）及び電子ビームリソグラフィを用いて都合よく達成することができる。必要な層の厚さは、最初の基部層（２４）に対しては、おそらく僅か約０．１μｍ、もしくは０．２μｍである。処理の最後での不完全な酸化（焼なましにより達成可能）は、臨界電流ＩCを減少させるという代償を払って基準抵抗ＲNを増大するのに役立つことになる。「ＰＢＣＯ」の基部層（２４）は、「ＹＢＣＯ」内に伝搬することができると思われる粒界の形成を抑制する。これは、基板がＭｇＯの場合には必要であるが、他の基板では必要でないこともある。
【００３１】
アンテナ結合高温超伝導体マイクロブリッジジョセフソン接合による高感度直接検波に対する要件は２つある。最も重要な要件は、接合が高い基準抵抗（ＲN）を有するべきであることであり、これは、大雑把に言えば、アンテナインピーダンス（典型的には数十オーム）に適合する必要性を反映している。第２の要件は、接合の固有周波数（ｆC）を撮像装置の目標とする作動周波数よりも遥かに大きくするための大きな臨界電流（ＩC）−基準抵抗（ＲN）の積ＩCＲNに関するものである。作動周波数が固有周波数（ｆC）よりも遥かに小さい場合には、ジョセフソン接合は、非線形抵抗器とみなすことができる。入射信号は、次に、接合のＩＶ特性の曲率ｄ2Ｖ／ｄＩ2と信号振幅の二乗とに比例する出力信号を発生するようにジョセフソン接合によって整流される。接合が冷却すると、臨界電流ＩCが増加し、従って臨界周波数ｆCが増加する。すなわち、低温では、二乗検波による検波が、接合における主要な結果である。
【００３２】
各接合は、一定の電流供給によりバイアスが掛けられ、電圧が低ノイズ増幅器により読み取られる。低速フィードバック回路を用いて、多くのフレームに亘って平均された電圧がその最適値に設定されるようにバイアス電流の設定点を調節すると有利である。これにより、個々の検波器の特性の変動が大幅に補正されることになる。いくつかの用途では、アレーは、周期的に較正されることになり、作動点は、較正サイクルの一部として設定することができるであろう。検波器アレーは、図９ａ及び図９ｂに示すように、ボンドワイヤ（３０）の構成とポリマー基板（２９）上に形成された薄膜金属トラック（２７）とを経由して、電流供給装置及び低ノイズ増幅器と電気的に接続される。
ミリ波撮像装置は、最初のアレーとして構成することができるが、コンパクトディザ走査装置を用いると、空間解像度、及び任意選択的に偏光又は周波数の多様性の向上をもたらすことができるであろう。
【００３３】
図８に関して上述したミリ波撮像装置構成は、その作動温度まで冷却されるのに数時間を要することになる。この問題は、検波器をその作動温度まで冷却することができると同時に液浸レンズ（２）を依然として冷却するように、液浸レンズ（２）が検波器アレー（４）から熱的に切り離された図１及び図７に示す構成で最小限になる。レンズ（２）は、比較的大きな冷却能力を有する「ＧＭ」冷却装置の第１段に装着し、「ＧＭ」冷却装置の第２段には検波器を装着することができる。検波器アレー（４）とレンズ（２）との間に数ミクロン程度の狭い隙間があれば、観測可能な光学損失を引き起こすことなく熱的に切り離すのに十分であろう。
検波器アレー（４）の縁部に配置されたアンテナ（１０）は、主ビームがアレー平面の垂線に対して外向きに僅かに傾いた角度で向けられるように構成することができる。Ｈアンテナに関しては、これは、接合（１２）の位置をＨの中点から離してオフセットすることによりＨ平面内で達成することができる。
【００３４】
アンテナ（４４ａ〜４４ｈ）に結合されて、図１のミリ波画像装置の直接検波素子として用いるのに適する８つの「ＨＴＳ」ステップ「ＣＡＭ」（４２ａ〜４２ｈ）のアレーの代替の集積回路レイアウトを図５に示す。実際には、２０×２０の検波素子のアレーが用いられるであろう。アレーの各検波素子は、アンテナ（４４ａ〜４４ｈ）、及びアンテナ結合「ＨＴＳ」ステップ「ＣＡＭ」（４２ａ〜４２ｈ）を含む。図５のレイアウトでは、これらのアンテナ（４４ａ〜４４ｄ）は、Ｈアンテナであり、その各々は、最大で作動波長の約半分だけ離れて、適切なインピーダンスのラインで結合された２つのダイポールアンテナを含む。ステップ接合（４２ａ〜４２ｄ）は、このラインを横切ってその中心に形成される。検波素子への超伝導バイアス及び読取りリード線（４６ａ〜４６ｊ）は、比較的インピーダンスが低い点でアンテナ（４４ａ〜４４ｄ）に接続される。アンテナを隔離すると共にアンテナ（４４ａ〜４４ｄ）で高インピーダンスを呈するために、作動波長の約半分だけアンテナから離してオーバーラップコンデンサ（例えば、４８ａ）が回路内に設けられる。バイアスリード線（４６ａ〜４６ｉ）のレイアウトは、アレーの半分を検波器アレー（４）の一方の側に引き出し、他の半分を検波器アレーの他方の側に引き出してスペースを節約する。
【００３５】
図５の構成では、アンテナから液浸作動波長の約半分だけ離れた単一の比較的高い値のオーバーラップコンデンサ（例えば、４８ａ）を用いて、互いに及びその周囲から検波素子を隔離し、共通の電極を用いることを可能して、従ってスペースを節約する。このようなオーバーラップコンデンサは、例えば、スパンオンポリイミド絶縁体の薄い層によりバイアスリード線から分離された、上部電極としての金の薄膜を用いて作ることができる。
【００３６】
ステップ「ＣＡＭ」の構造を図６に更に詳細に示す。この種類の「ＣＡＭ」は、図３に示すクロスオーバー「ＣＡＭ」よりも製造が遥かに容易である。図６に示すステップ「ＣＡＭ」（４２）を作るために、ＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のエピタキシャル層（３４）をＭｇＯ基板（３８）上に堆積する。高さが３００ｎｍよりも小さいｃ軸方向（図６のｃ軸方向を参照）のステップは、炭素３層マスク工程及びイオン摩砕を用いて、この緩衝層（３４）においてパターン化される。緩衝層（３４）を覆ってエピタキシャルＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の更に別の層（３６）を堆積し、その後、エピタキシャルＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の層（３２）の超伝導体、及びエピタキシャルＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の第２の層（４０）を堆積する。３つの層（３６、３２、４０）を、好ましくはウェーハを雰囲気に露出することなく、次から次に成長させる。超伝導体層（３２）の下の抵抗ＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7層（３４、３６）は、等構造緩衝層として働き、超伝導体（３２）上方の抵抗ＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7層（４０）は、キャッピング層として働く。現在用いられている超伝導体層（３２）は、厚さが６０ｎｍであるが、これは最適でない場合があり、ある範囲の異なる厚さ、少なくとも２０ｎｍまでの薄さが可能である。有効なステップの高さは、パターン化されたステップの高さと超伝導体薄膜の厚さとの差である。例えば、１００ｎｍにパターン化されたステップの高さ、及び６０ｎｍの超伝導薄膜の厚さは、４０ｎｍの有効ステップ高さをもたらす。
【００３７】
図６に関して本明細書に説明した方法は、ｃ軸マイクロブリッジを作る簡単な方法である。薄膜（好ましくは、０．００５と０．３μｍとの間の厚さ）の超伝導体を、その薄膜の厚さに匹敵するか又はそれ以上の高さを有するステップを覆って成長させる。この薄膜は、ステップを含め、どこでも同じ結晶配向を有する。図６に関して説明した方法では、ステップでの粒界の形成は、等構造材料のＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7にステップを形成することにより抑制される。この超伝導体は、３次元であるが異方性の超伝導体であり、その最も弱い超電導方向は、基板に垂直である。狭いトラックがステップに亘ってパターン化され、トラックがステップを横切る場所にｃ軸マイクロブリッジが形成される。このようなマイクロブリッジは、トンネル接合が機能する方法と異なる機構で、ブリッジに亘る渦の運動によって作動する。
【００３８】
層（３４）から（４０）が成長した後に、トラック（幅が２μｍよりも小さい）は、トラックがステップを横切り、ｃ軸マイクロブリッジがステップで形成されるように、超電導層（３２）においてパターン化される。これらのトラックは、伝送ラインの２つの導電体を互いに接続するように配置される。この伝送ラインは、次に、Ｈアンテナのアームに接続される。用いるリソグラフィ技術があまり厳しい接合幅を要求しなければ、全てのこのような構造（トラック、伝送ライン、アンテナ）は、単一工程でパターン化することができる。狭いステップの「ＣＡＭ」は、幅の広いものよりも良好な性能を生み出すことになり、例えば電子ビームリソグラフィを用いて、別のリソグラフィ段階で狭いトラックをパターン化することが有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるミリ波撮像装置を示す概略図である。
【図２】図１のミリ波撮像装置における直接検波器として使用するのに適するアンテナに結合された４つの「ＨＴＳ」クロスオーバーｃ軸マイクロブリッジ（ＣＡＭ）ジョセフソン接合のアレーの集積回路レイアウトの第１の実施形態を示す概略図である。
【図３】図２の回路レイアウトに使用するのに適するクロスオーバー「ＣＡＭ」の構造を示す概略図である。
【図４ａ】図３の「ＣＡＭ」の製造工程を表す概略図である。
【図４ｂ】図３の「ＣＡＭ」の製造工程を表す概略図である。
【図４ｃ】図３の「ＣＡＭ」の製造工程を表す概略図である。
【図４ｄ】図３の「ＣＡＭ」の製造工程を表す概略図である。
【図４ｅ】図３の「ＣＡＭ」の製造工程を表す概略図である。
【図４ｆ】図３の「ＣＡＭ」の製造工程を表す概略図である。
【図５】図１のミリ波撮像装置における直接検波器として使用するのに適するアンテナに結合された８つの「ＨＴＳ」ステップ「ＣＡＭ」のアレーの集積回路レイアウトの第２の実施形態を示す図である。
【図６】図５の回路レイアウトに使用するのに適する「ＣＡＭ」の構造を示す概略図である。
【図７】図１に示す撮像装置に使用するのに適する種類の熱遮断を示す概略図である。
【図８】図１の撮像装置におけるレンズ及び検波器構成の装着を示す概略図である。
【図９ａ】図１の撮像装置に使用する電流供給装置及び低ノイズ増幅器に対するアレーの検波器の電気的接続を示す図である。
【図９ｂ】図１の撮像装置に使用する電流供給装置及び低ノイズ増幅器に対するアレーの検波器の電気的接続を示す図である。
【図１０】１００ＧＨｚ放射線に対するステップ「ＣＡＭ」接合の応答を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  アンテナ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  アンテナ結合「ＨＴＳ」クロスオーバー「ＣＡＭ」ジョセフソン接合
１４ａ、１４ｂ  ダイポールアンテナ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ  超伝導バイアス及び読取りリード線
【図４ｆ】
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【図６】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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