(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導テラヘルツ電磁波発生モジュールにおいて、
（ａ）異なった結晶方位を持つ２つの単結晶を高真空ホットプレス方法により拡散接合で合成したバイクリスタル基板（１０）からなる高温超伝導ジョセフソン接合装置（１，１１）と、
（ｂ）前記バイクリスタル基板（１０）上に形成される高温超伝導薄膜（１８）と、
（ｃ）該高温超伝導薄膜（１８）上に形成される外部接合部（３Ａ，１３Ａ）とプラズマ共振器（３，１３）とを備え、
（ｄ）微弱な高周波信号を励振し、その信号を前記外部接合部（３Ａ，１３Ａ）及びプラズマ共振器（３，１３）中で共振させ、増幅した信号の一部をストリップ線（２０）により高温超伝導ジョセフソン接合装置（１，１１）に伝送し、該高温超伝導ジョセフソン接合装置（１，１１）の電気特性を測定し、その信号の特性をモニターするとともに前記高温超伝導ジョセフソン接合装置（１，１１）及びプラズマ共振器（３，１３）へフィードバックし、その信号を制御可能にすることを特徴とする超伝導テラヘルツ電磁波発生モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導テラヘルツ電磁波発生モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、テラヘルツ帯での発振器としては、主にガス励起型遠赤外レーザやフェムト秒パルスレーザ励振型などのものが利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの装置は大型で、操作が難しく、コントロール性が乏しいなどの欠点を持つ以外に、ガス励起型遠赤外レーザは、出力周波数が離散的となり、任意な周波数を持つ高出力信号を得ることは不可能である。
【０００４】
また、フェムト秒パルスレーザ励振型発振器の出力はパルス信号であり、スペクトル純度の高い連続波信号が要求される応用には不適である。
【０００５】
さらに、精密な計測を実現するには、発振器の周波数やパワーなどの出力情報をモニターすると同時に、そのモニタ情報に基づいたコントロールを行うことも必要である。
【０００６】
そのための計測器としては、マイクロ波帯でよく使われていたヘテロダインミキシング技術があるが、その技術では周波数の上昇に伴い変換効率が急激に減少するため、テラヘルツ帯への応用は難しく、しかも広帯域の連続計測は不可能である。
【０００７】
また、回折や干渉などの光学技術も利用されているが、その複雑な操作や長波長による回折損失の増加などが問題となる。
【０００８】
本発明は、上記問題点を除去し、注入される準粒子や交流ジョセフソン電流の制御により、周波数可変のコヒーレントな連続電磁波発生を可能とし、その連続電磁波発生に伴う出力情報の連続計測が可能な超伝導テラヘルツ電磁波発生モジュールを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超伝導テラヘルツ電磁波発生モジュールにおいて、異なった結晶方位を持つ２つの単結晶を高真空ホットプレス方法により拡散接合で合成したバイクリスタル基板（１０）からなる高温超伝導ジョセフソン接合装置（１，１１）と、前記バイクリスタル基板（１０）上に形成される高温超伝導薄膜（１８）と、この高温超伝導薄膜（１８）上に形成される外部接合部（３Ａ，１３Ａ）とプラズマ共振器（３，１３）とを備え、微弱な高周波信号を励振し、その信号を前記外部接合部（３Ａ，１３Ａ）及びプラズマ共振器（３，１３）中で共振させ、増幅した信号の一部をストリップ線（２０）により高温超伝導ジョセフソン接合装置（１，１１）に伝送し、この高温超伝導ジョセフソン接合装置（１，１１）の電気特性を測定し、その信号の特性をモニターするとともに前記高温超伝導ジョセフソン接合装置（１，１１）及びプラズマ共振器（３，１３）へフィードバックし、その信号を制御可能にするようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施例を示す超伝導テラヘルツ電磁波発生システムの構成図、図２はその超伝導テラヘルツ電磁波発生システムを固体化したモジュールを示す斜視図である。
【００１２】
これらの図において、１０はバイクリスタル基板、１，１１はバイクリスタルＪＪ、２，１２：４は伝送路、３，１３は単結晶のプラズマ共振器（テラヘルツ帯発振器）、３Ａ，１３Ａはその単結晶のプラズマ共振器の外部接合部、５，１５：６，１６は電流・電圧リード線、７，１７は出力端子、１８は高温超伝導薄膜、１９は金属膜、２０はストリップ線、２１は制御装置である。
【００１３】
以下、本発明の実施例を示す超伝導テラヘルツ電磁波発生システムを構成する主要な部分について説明する。
【００１４】
ここで、バイクリスタルＪＪ（１，１１）について説明すると、異なった結晶方位（斜角）を持つ２つの単結晶を高真空ホットプレス方法により拡散接合で合成した基板をバイクリスタル基板と言い、その２つの単結晶の接続界面を粒界と言い、弱い結合をなす。
【００１５】
ジョセフソン接合（ＪＪ）とは、超伝導薄膜やバルク等の材料に超伝導的に弱い結合部分（ブリッジ型接合：くびれた形、トンネリング接合：薄い絶縁層、金属層等を挟んだ形）を作製することにより形成した非線型電気的特性を示す素子である。半導体領域のＰＮ接合のように、ＪＪは超伝導電子デバイスとして最も基本的な素子である。発振器や検出器などの高周波デバイスとして期待されている。
【００１６】
バイクリスタルＪＪ（１，１１）は、超伝導素子であり、この超伝導素子は、上記したバイクリスタル基板１０上で高温超伝導薄膜１８をエピタキシャル成長させることにより、薄膜に結晶粒界を形成することができ、この粒界上の薄膜をエッチングによって更に細くすることにより、超伝導電流が均一に流れるように構成されている。
【００１７】
また、バイクリスタルＪＪ（１，１１）は、他の高温超伝導ＪＪより作製と特性の再現性がよく、高い動作温度で非常に高い周波数まで動作することが実証されている。ここでは、発振した信号を計測する機能を有する。
【００１８】
次に、伝送路（２，１２）（４）について説明すると、マイクロストリップ線路、誘電体伝送線路、更にテラヘルツ帯では空中伝送や準光学系なども考えられる。図２では、マイクロストリップ線路１２として形成されており、発振した信号を伝達する機能を有する。
【００１９】
次に、単結晶のプラズマ共振器（３，１３）について説明すると、銅酸化物高温超伝導単結晶体では、その層状構造により強い異方性があるため、プラズマ振動という現象が存在する。また、このプラズマ振動の周波数に対応するエネルギーは、高温超伝導体の大きなエネルギーギャップより小さいため、プラズマ周波数（数十ギガヘルツ以上）とエネルギーギャップに対応する周波数（数テラヘルツ）間の周波数を持つ電磁波では高温超伝導単結晶体中で減衰せず伝播することができるという特徴がある。
【００２０】
このプラズマ振動の特徴を持つ単結晶材料を一定な寸法（波長の整数倍或いは整数分の１の大きさ）で作製したものが単結晶のプラズマ共振器（３，１３）になる。その単結晶プラズマ共振器（３，１３）は励振された高周波信号を増幅して出力する機能を有する。つまり、テラヘルツ帯発振器となる。また、この単結晶のプラズマ共振器（３，１３）は外部接合部３Ａ，１３Ａが形成されている。
【００２１】
バイクリスタルＪＪ（１，１１）と単結晶のプラズマ共振器（３，１３）にはそれぞれ電流・電圧リード線５，１５：６，１６を介して電流を流すことにより、バイクリスタルＪＪ（１，１１）と単結晶のプラズマ共振器（３，１３）がバイアスされる。また、電流・電圧リード線５，１５：６，１６を介して、電圧が出力され、その電圧を測定することにより、バイクリスタルＪＪ（１，１１）と単結晶のプラズマ共振器（３，１３）の出力情報を制御装置２１で計測し、この出力情報に基づいて、システムの制御を行うことができる。
【００２２】
特に、図２に示すように、バイクリスタル基板１０上に高温超伝導薄膜１８をエピタキシャル成長させた後、設計した各寸法（ＪＪの接合幅、共振器、伝送路、電極などのサイズ）をエッチングして形成し、絶縁層（高周波エネルギー結合用のキャパシタンスの形成や電気絶縁などに用いる）と金属層１９（電流、電圧電極端子など）を積層することにより、固体化したモジュールができる。
【００２３】
一定寸法を持つ共振器上の外部接合（準粒子注入用のトンネリング型接合或いは交流ジョセフソン効果を利用するジョセフソン接合など）により微弱な高周波信号を励振し、その信号を共振器中で共振させ、増幅した信号の一部がストリップ線２０によりバイクリスタルＪＪ（１１）に伝送され、バイクリスタルＪＪ（１１）の電気特性を測定することにより、その信号の特性（周波数、出力パワー、周波数とパワーの安定性、スペクトル純度など）を制御装置２１でモニターすると、同時にその情報励振動接合部へフィードバックし、信号を制御する。
【００２４】
一方、信号の残る部分は、空中や他の伝送路を経由し、必要なところへ伝送することにより発振器となる。
【００２５】
このように、本発明によれば、高品質な高温超伝導単結晶からなるバイクリスタル基板と高温超伝導薄膜を用いて、ガス励起型遠赤外レーザより遙かに小型で、高効率な超伝導テラヘルツ電磁波発生モジュールを構成することができる。
【００２６】
また、注入される準粒子や交流ジョセフソン電流の制御により、周波数可変のコヒーレントな連続電磁波を発生させることができる。
【００２７】
さらに、これまでは連続計測不可能であったテラヘルツ帯までの広い帯域のスペクトルを計測できるジョセフソン検出器との組み合わせにより、電磁波発生回路を迅速、かつ、的確に制御することができる。
【００２８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００３０】
高品質な高温超伝導単結晶からなるバイクリスタル基板と高温超伝導薄膜を用いて、ガス励起型遠赤外レーザより遙かに小型で、高効率な超伝導テラヘルツ電磁波発生モジュールを構成することができる。
【００３１】
また、注入される準粒子や交流ジョセフソン電流の制御により、周波数可変のコヒーレントな連続電磁波を発生させることができる。
【００３２】
これまでは連続計測不可能であったテラヘルツ帯までの広い帯域のスペクトルを計測できるジョセフソン検出器との組み合わせにより、電磁波発生回路を迅速、かつ的確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す超伝導テラヘルツ電磁波発生システムの構成図である。
【図２】  本発明の実施例を示す超伝導テラヘルツ電磁波発生システムを固体化したモジュールを示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１１    バイクリスタルＪＪ
２，１２：４    伝送路
３，１３    単結晶のプラズマ共振器（テラヘルツ帯発振器）
３Ａ，１３Ａ    外部接合部
５，１５：６，１６    電流・電圧リード線
７，１７    出力端子
１０    バイクリスタル基板
１８    高温超伝導薄膜
１９    金属層
２０    ストリップ線
２１    制御装置
【図１】
0004132193.tif 000002
【図２】
0004132193.tif 000003