(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導電磁波発振源と超伝導ジョセフソン接合素子とを同一のチップ上に備える光超伝導回路素子を用い、上記超伝導電磁波発振源からマイクロ波帯からテラヘルツ波帯に亘る広帯域な電磁波を発振させると共に、上記超伝導ジョセフソン素子に直流電圧を印加し、この印加電圧を０ボルトから超伝導ギャップ電圧まで順次移動すると共に、この順次移動する各々の印加電圧において、上記電磁波の上記印加電圧に対応する周波数成分の有無を上記超伝導ジョセフソン素子を流れる直流電流の変化として検出することにより、上記超伝導電磁波発振源と上記超伝導ジョセフソン素子との間でマイクロ波帯からテラヘルツ波帯に亘る広帯域な周波数を媒体とした情報を送受することを特徴とする、光超伝導回路素子を用いた情報の送受方法。
【請求項２】
前記印加電圧と対応する周波数は、直流電圧をＶ、周波数をｆ、電子電荷をｅ及びプランクの定数をｈとして、２・ｅ・Ｖ＝ｈ・ｆの関係から定まることを特徴とする、請求項１に記載の光超伝導回路素子を用いた情報の送受方法。
【請求項３】
前記超伝導電磁波発振源と前記超伝導ジョセフソン接合素子は、高温酸化物超伝導体から成る薄膜か又は薄膜単結晶で構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光超伝導回路素子を用いた情報の送受方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は超伝導マイクロオプトエレクトロニクス分野において有用で、超伝導ジョセフソン発振接合及び受信接合によりテラヘルツ帯電磁波の発振・受信動作をする、光超伝導回路素子を用いた情報の送受方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超伝導電磁波検出装置として、ジョセフソン交流効果検出装置が知られている。  電磁波検出について、Ｂ．Ｄ．Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎの提案（非特許文献１参照）は、超伝導接合を有限電圧にバイアスすると、超伝導接合に超高周波の交流電流が流れるが、外部から電磁波がこの超伝導接合に入射すると、電磁波の混合がおこり、２つの周波数のビートに対応した電圧のところに電流ステップが現れ、この電流ステップの信号から入力電磁波の検出ができるというものである。このＪｏｓｅｐｈｓｏｎの提案では検出原理だけを示し、測定方法の詳細については触れられていない。
【０００３】
Ｓ．Ｓｈａｐｉｒｏらは、Ａｌ／ＡｌＯx ／Ｓｎ接合を用いてＪｏｓｅｐｈｓｏｎの提案する検出原理の検証実験を行っており、単一周波数のマイクロ波を照射することにより誘起電流ステップを初めて観測しているが、高感度、テラヘルツ帯にわたるスペクトルの検出技術についてはなんら提案されていない（非特許文献２参照）。
【０００４】
ジョセフソン接合を用いた遠赤外の広帯域にわたる電磁波検出の試みとして、Ｇｒｉｍｅｓらは、ジョセフソン接合を一定電流にバイアスした状態で照射電磁波がオン、オフの場合の接合電圧差を電磁波応答として測定している（非特許文献３参照）。
この測定方法では、ジョセフソン検出器に超伝導ギャップの小さい低温超伝導体を用いているため、テラヘルツ帯の測定は困難であり、また発振源が検出器から遠く離れているため、微弱な発振源を高感度に検出することは難しい。
【０００５】
Ｋａｎｔｅｒ、Ｖｅｒｎｏｎらは、Ｎｂポイントコンタクトジョセフソン接合を用いて、９０ＧＨｚ近傍の電磁波の広帯域な検出を行っている（非特許文献４参照）が、発振源と検出器とはオンチップ構成でなく遠く離れており、またジョセフソン検出接合には低温超伝導体であるＮｂを用いているため、テラヘルツ帯に広くわたった電磁波の検出は不可能である。
【０００６】
またＤｉｖｉｎらは、ジョセフソン交流効果を広帯域インコヒーレントな電磁波のスペクトル検出に応用するための理論解析及び基礎実験を行っている（非特許文献５参照）。そして理論と実験とが一致する妥当な結果を得ており、ジョセフソン接合を用いた広帯域電磁波の検出の基礎が築かれている。
実験ではＮｂポイントコンタクト接合を用い、６００ＧＨｚ近傍の電磁波の検出に成功しているが、高温超伝導体に比べ、ギャップの小さい低温超伝導体であるＮｂを用いているため、テラヘルツ帯に大きく広がった電磁波の検出は困難である。また、オンチップシステムによって感度を向上させるという考えは全く述べられていない。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｂ．Ｄ．Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ，Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ, Ｖｏｌ. １，２５１−２５３，１９６２
【非特許文献２】
Ｓ．Ｓｈａｐｉｒｏら，Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｍｏｄｅｒｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．３６, ２２３−２２５, １９６４
【非特許文献３】
Ｇｒｉｍｅｓら，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．３９，３９０５−３９１２，１９６８
【非特許文献４】
Ｋａｎｔｅｒ、Ｖｅｒｎｏｎら，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ, Ｖｏｌ．４３，３１７４−３１８３，１９７２
【非特許文献５】
Ｄｉｖｉｎら，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ  Ｖｏｌ．ＭＡＧ−１９, ６１３−６１５，１９８３
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このようにジョセフソン接合を利用した広帯域電磁波の検出原理及び測定方法を電磁波検出器に適用した例はあるが、マイクロ波帯からテラヘルツ波帯までの広帯域にわたり発振・受信動作をする光超伝導回路素子を用いた情報の送受信方法は未だ存在しない。
【０００９】
そこで、この発明は、上記の課題にかんがみ、同一チップ上でマイクロ波帯からテラヘルツ波帯におよぶ広帯域かつ高感度な電磁波の発振・受信動作が可能な光超伝導回路素子を用いた情報の送受方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明にかかる情報の送受方法は、超伝導電磁波発振源と超伝導ジョセフソン接合素子とを同一のチップ上に備える光超伝導回路素子を用い、超伝導電磁波発振源からマイクロ波帯からテラヘルツ波帯に亘る広帯域な電磁波を発振させると共に、上記超伝導ジョセフソン素子に直流電圧を印加し、この印加電圧を０ボルトから超伝導ギャップ電圧まで順次移動すると共に、この順次移動する各々の印加電圧において、電磁波の印加電圧に対応する周波数成分の有無を超伝導ジョセフソン素子を流れる直流電流の変化として検出することにより、超伝導電磁波発振源と超伝導ジョセフソン素子との間でマイクロ波帯からテラヘルツ波帯に亘る広帯域な周波数を媒体とした情報を送受することを特徴とする。
【００１１】
この発明にかかる情報の送受方法にあっては、好ましくは、前記印加電圧と対応する周波数は、直流電圧をＶ、周波数をｆ、電子電荷をｅ及びプランクの定数をｈとして、２・ｅ・Ｖ＝ｈ・ｆの関係から定まる。
【００１２】
この発明にかかる情報の送受方法にあっては、好ましくは、前記超伝導電磁波発振源と超伝導ジョセフソン接合素子は、高温酸化物超伝導体から成る薄膜か又は薄膜単結晶で構成される。
【００１３】
このような構成により、本発明の情報の送受方法では、電磁波が一定電圧にバイアスされたジョセフソン接合に入射すると、ジョセフソン交流効果により生じた高周波電流と電磁波とが混合し、直流電流成分の変化となって現れる。入力電力信号が十分小さい場合、その変化はゼロ次の変化が主な寄与となる。
【００１４】
ジョセフソン交流効果による検出は、ジョセフソン電圧−周波数関係によって規定される条件を満たすので、狭帯域の電磁波入力にはその周波数に対応した電圧のところに鋭い応答が出現するが、微弱広帯域の入力に対しては広い電圧範囲にわたる連続スペクトルとして現れる。
【００１５】
本発明では電磁波発振源が電磁波検出器としての超伝導ジョセフソン接合素子と同一チップ上に構成され、その発振源と電磁波検出器との距離も、例えば、１ｍｍ程度以内に設定でき、ジョセフソン接合の検出原理により微弱な電力信号の高感度かつ広帯域な受振を可能にするものである。
検出可能な周波数は検出器に用いる高温超伝導体のエネルギーギャップによって決まり、原理的には１０ＴＨｚ程度以上にまで及ぶ。
【００１６】
本発明では、このように、高感度な超伝導電磁波検出器と発振源とを至近距離に組み合わせることにより、現在までにない高感度かつ広帯域な発振・受信が可能な光超伝導回路素子を用いた情報の送受方法を実現することができる。
【００１７】
本発明の情報の送受方法では、光超伝導回路素子を用い、超伝導ジョセフソン発振接合及び受信接合により、同一チップ上でマイクロ波帯からテラヘルツ波帯におよぶ広帯域かつ高感度な電磁波の発振・受信動作を行うことができ、超伝導マイクロオプトエレクトロニクス分野において極めて有用である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、第１図〜第６図に基づき、この発明による情報の送受方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明にあたり、実質的に同一又は対応する部材には同一符号を用いた。
第１図は冷却手段として冷凍機を用いた場合の本発明に係る情報の送受方法に用いる装置構成概略図であり、第２図は冷却手段に寒剤として液体ヘリウムを用いた場合の本発明に用いる光超伝導回路素子の構成概略図である。
【００１９】
第１図を参照すると、この発明に用いる光超伝導回路素子１０は、真空排気が可能であって超伝導体を転移温度Ｔc 以下に冷却するための冷却手段であるチャンバー１内に配設された冷凍機のコールドヘッド２に熱接触良好に配設されている。
【００２０】
この光超伝導回路素子１０は、チップ３と、このチップ３上に作製された超伝導体薄膜を用いた超伝導電磁波発振源５或いはチップ３上に作製された超伝導体薄膜単結晶膜を用いた超伝導電磁波発振源５と、チップ３上に近接して超伝導電磁波発振源５からの電磁波を検出する高温酸化物超伝導体を用いた超伝導ジョセフソン接合素子４とを有し、超伝導電磁波発振源５及び超伝導ジョセフソン接合素子４に別々に定電流バイアス源（図示せず）から電流を供給するようになっている。
【００２１】
冷却手段に液体ヘリウムを用いる場合は、第２図に示すように、超伝導体を転移温度Ｔc 以下に冷却するための冷却手段である液体ヘリウム６を満たした冷却装置７の試料室８内で、液体ヘリウムと熱的接触を良好に保って設けられた銅ブロック９上に、本発明に係る光超伝導回路素子１０が熱接触良好に配設される。
【００２２】
次に、本発明に用いる光超伝導回路素子の詳細について説明する。
第３図は、チップ３上に超伝導体薄膜を用いた超伝導電磁波発振源１６と高温酸化物超伝導体を用いた超伝導ジョセフソン接合素子１４とを作製した、本発明に用いる光超伝導回路素子の概略外観図である。また第４図は、チップ３上に超伝導体薄膜単結晶膜を用いた超伝導電磁波発振源２０と高温酸化物超伝導体を用いた超伝導ジョセフソン接合素子１４とを作製した、本発明に用いる光超伝導回路素子の概略外観図である。なお、チップ３は結晶基板上に作製した光超伝導回路素子を一単位として取り出したものである。
【００２３】
第３図及び第４図を参照すると、光超伝導回路素子１０は、結晶基板として２つの単結晶基板を互いに異なった角度で張り合わせたバイクリスタル基板を使用したチップ３と、このチップ３上に作製された超伝導体薄膜を用いた超伝導電磁波発振源１６、超伝導体薄膜単結晶を用いた超伝導電磁波発振源２０のいずれかと、中央部にくびれ１２を有するとともにジョセフソン接合１５が形成された電磁波検出用の高温酸化物超伝導体を用いた超伝導ジョセフソン接合素子１４とを有している。
【００２４】
この超伝導ジョセフソン接合素子１４は、張り合わせたバイクリスタル基板上に高温酸化物超伝導体薄膜を成長させることによって結晶界面に自然に形成される。バイクリスタル基板でない通常の単結晶基板を用いる場合は、薄膜積層型のジョセフソン接合を形成する。
【００２５】
超伝導電磁波発振源１６と超伝導ジョセフソン接合素子１４との距離は、電磁波の周波数帯にもよるが、微弱信号の高感度受信等を考えて大体１ｍｍ程度以内が望ましい。なお、超伝導体薄膜単結晶を用いた超伝導電磁波発振源２０についても同様である。
【００２６】
超伝導電磁波発振源１６は、例えば金属電極のＡｕと高温酸化物超伝導体のＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-y との間の絶縁障壁層でトンネル接合して形成されたものである。電磁波検出に用いる超伝導ジョセフソン接合素子１４の超伝導体は超伝導エネルギーギャップの大きいものがよい。例えば高温酸化物超伝導体のＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-y を用いるのがよい。低温超伝導体ではエネルギーギャップが数ｍｅＶ程度であるが、高温酸化物超伝導体では数十ｍｅＶ程度と一桁以上大きい。
なお、超伝導体は常伝導体よりエネルギー的に低い状態が実現しているが、電子レベルでのこのエネルギー差を超伝導エネルギーギャップとよぶ。
【００２７】
超伝導体材料としては、Ｌａ2-X ＳｒX ＣｕＯ4 ，転移温度Ｔc が８０Ｋの  Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy （以下、「ＢＳＣＣＯ」と記す），転移温度Ｔc が１１０ＫのＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏy 又は転移温度Ｔc が８０〜９０Ｋの  ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-Y （以下、「ＹＢＣＯ」と記す）等の酸化物高温超伝導体を用いるのが好ましいが、これらに限らず結晶性のよい超伝導体であれば利用可能である。
【００２８】
ＹＢＣＯはＹを他の遷移元素で置き換えたものもあり、例えばＥｒＢａ2 Ｃｕ8 Ｏ7-y 、ＮｄＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-y などである。高温超伝導体の場合は転移温度が液体窒素温度より高いため寒剤として液体ヘリウムに代えて液体窒素を用いることが可能である。なお、添え字のｘ及びｙは０を含む。
【００２９】
次に、本発明の情報の送受信方法に用いる光超伝導回路素子の作用について説明する。  第３図に示すように、定電流バイアス源（図示せず）からＪ3 ，Ｊ4 を通じ、超伝導体薄膜を用いた超伝導電磁波発振源１６に電流を供給し、電磁波発振を起こさせる。この電磁波を定電流源からＪ1 ，Ｊ2 を通じて電流を供給された高温酸化物超伝導体を用いた超伝導ジョセフソン接合素子１４に入射させる。この電磁波が一定電圧にバイアスされたジョセフソン接合１５に入射すると、ジョセフソン交流効果により生じた高周波電流と電磁波が結合し、直流電流成分の変化となって現れる。入力電力信号が十分に小さい場合、その変化はゼロ次の変化が主な寄与となる。この直流電流成分の変化はジョセフソン接合１５への電磁波照射の有無による電圧変化として検出でき、光超伝導回路素子１０が発振・受信動作をする。
【００３０】
第４図に示す光超伝導回路素子では、同様にして定電流バイアス源から超伝導体薄膜単結晶膜を用いた超伝導電磁波発振源２０にＪ3 ，Ｊ4 を通じて電流を供給し、電磁波発振を起こさせる。そしてこの電磁波をやはり定電流源からＪ1 ，Ｊ2 を通じ電流を供給された高温酸化物超伝導体を用いた超伝導ジョセフソン素子１４に入射させ、上述した同様の作用により光超伝導回路素子が発振・受信動作をする。
このように、本発明に用いる光超伝導回路素子では、超伝導電磁波発振源１６又は２０と超伝導ジョセフソン素子１４とが、同一チップ上で１ｍｍ程度以内に配設されており、かつ、超伝導電磁波発振源１６，２０及び超伝導ジョセフソン素子１４は超伝導エネルギーギャップの大きい高温酸化物超伝導体を用いているから、マイクロ波帯からテラヘルツ帯におよぶ広帯域かつ高感度な電磁波の発振・受信動作が可能になる。
【００３１】
【実施例】
次に、光超伝導回路素子を用いた情報の送受方法の実施例を説明する。
第５図は高温酸化物超伝導体薄膜としてＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-y を用いた超伝導ジョセフソン接合素子１４の電流−電圧特性及びその微分特性を示す図である。第６図は、高温酸化物超伝導体薄膜としてＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-y を用い、Ａｕ／Ｉ／ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-y （Ｉは絶縁障壁層を示す）で構成した超伝導電磁波発振源１６に種々の電流値（Ｉinj ）をバイアスし、テラヘルツ波帯の電磁波を発振させ、これを０．７ｍｍ程度離れたところに設置した、第５図に示した超伝導ジョセフソン接合素子１４によって測定した結果である。
【００３２】
第６図の測定では、超伝導電磁波発振源１６を一定の電流値（Ｉinj ）にバイアスして電磁波を発振させ、超伝導ジョセフソン接合素子１４のジョセフソン接合１５に印加する電圧（Ｖ）を０〜６ｍＶの間で順次移動させ、それぞれの電圧（Ｖ）において、超伝導電磁波発振源１６のバイアス電流（Ｉinj ）をオン・オフし、この時のジョセフソン接合１５に流れる電流変化を電圧変化ΔＶとして測定し、超伝導電磁波発振源１６の発振する電磁波の連続的なスペクトル情報を得ている。
【００３３】
第６図において、縦軸は上記の電圧変化ΔＶを示し、横軸は上記のジョセフソン接合１５に印加する電圧（Ｖ）を示す。ジョセフソン接合１５に電圧（Ｖ）を印加すると、ジョセフソン交流効果によって、ジョセフソン接合１５に、２ｅＶ＝ｈｆ（ｅ：電子の電荷、ｈ：プランクの定数）の関係によって定まる周波数ｆの交流電流が流れるから、この周波数を、第６図の上側の横軸に示している。第６図の実施例では高周波数側は２ＴＨｚのレベルになっているが、同一超伝導体材料で薄膜作製条件を調整することによって、接合バイアス電圧２０ｍＶで、約１０ＴＨｚまで検出している。すなわち、超伝導材料の選択、薄膜作製条件の最適化で、更なる広帯域化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  冷却手段として冷凍機を用いた場合の本発明にかかる情報の送受方法に用いる光超伝導回路素子の装置構成概略である。
【図２】  冷却手段に寒剤として液体ヘリウムを用いた場合の光超伝導回路素子構成概略図である。
【図３】  チップ上に超伝導体薄膜を用いて超伝導電磁波発振源を作製した光超伝導回路素子の概略外観図である。
【図４】  チップ上に超伝導体薄膜単結晶膜を用いて超伝導電磁波発振源を作製した光超伝導回路素子の概略外観図である。
【図５】  本発明において高温酸化物超伝導体を用いた超伝導ジョセフソン接合素子の電流−電圧特性及び微分抵抗特性の測定例である。
【図６】  本発明に用いる光超伝導回路素子の特性の測定例であり、（ａ）は測定温度が６．４Ｋの測定結果、（ｂ）は測定温度が２０Ｋでの測定結果である。
【符号の説明】
１  チャンバー
３  チップ
４  超伝導ジョセフソン接合素子
５  超伝導電磁波発振源
６  液体ヘリウム
７  冷却装置
８  試料室
９  銅ブロック
１０  光超伝導回路素子
１４  超伝導ジョセフソン接合素子
１５  ジョセフソン接合
１６  超伝導体薄膜を用いた超伝導電磁波発振源
２０  超伝導体薄膜単結晶膜を用いた超伝導電磁波発振源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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