JP2748167B2 - 光信号検出素子 - Google Patents
光信号検出素子Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超伝導体の磁気特性を利用して、入力信号
を磁気信号に変換し、光信号を検出する光信号検出素子
に関する。
を磁気信号に変換し、光信号を検出する光信号検出素子
に関する。
［従来の技術］ 従来の超伝導体を用いた光信号検出素子としては、ジ
ョセフソン接合を用いたものが知られている［Japanese
Journal of Applied Physics vol.23 L333（198
4）］。この光信号検出素子は、第４図に示すように酸
化物超伝導体BaPb0.7Bi0.303（BPBOと略す）の薄膜でマ
イクロブリッジ型ジョセフソン接合15を形成し、この接
合部に光を照射し、ジョセフソン接合の臨界電流値の変
化を利用して光信号を検出するものである。
ョセフソン接合を用いたものが知られている［Japanese
Journal of Applied Physics vol.23 L333（198
4）］。この光信号検出素子は、第４図に示すように酸
化物超伝導体BaPb0.7Bi0.303（BPBOと略す）の薄膜でマ
イクロブリッジ型ジョセフソン接合15を形成し、この接
合部に光を照射し、ジョセフソン接合の臨界電流値の変
化を利用して光信号を検出するものである。
この検出素子においては、受光部の材料としてBPBOを
用いており、この材料の臨界温度は約13Kと低い。その
ため、検出素子を動作させるには、液体ヘリウム等を使
用しなければならない。さらに、かかる検出器の特性は
ジョセフソン接合の特性によって決定される。
用いており、この材料の臨界温度は約13Kと低い。その
ため、検出素子を動作させるには、液体ヘリウム等を使
用しなければならない。さらに、かかる検出器の特性は
ジョセフソン接合の特性によって決定される。
［発明が解決しようとする課題］ 上記従来例においては、例えばイメージセンサーやラ
インセンサーのように同時に多数の検出素子を使用する
とき、加工のバラツキ等に起因する検出素子間の特性の
バラツキを補正しにくいという問題がある。特に、超伝
導体と直接接触する電極を形成する際、超伝導体と電極
の接触界面の状態が変化すると、かかる界面で発生する
熱により検出素子の動作温度が変化したり、素子内での
温度分布が生じたりするため、素子特性が変化してしま
う。
インセンサーのように同時に多数の検出素子を使用する
とき、加工のバラツキ等に起因する検出素子間の特性の
バラツキを補正しにくいという問題がある。特に、超伝
導体と直接接触する電極を形成する際、超伝導体と電極
の接触界面の状態が変化すると、かかる界面で発生する
熱により検出素子の動作温度が変化したり、素子内での
温度分布が生じたりするため、素子特性が変化してしま
う。
また、検出できる光の波長も超伝導体の分光特性によ
り限定されるため、広範囲の波長帯の信号検出に適して
いないという問題もある。
り限定されるため、広範囲の波長帯の信号検出に適して
いないという問題もある。
さらには、ジョセフソン接合の接合部の面積が10×10
μm2程であるので、この領域に光信号を入射しなければ
ならず、位置合わせの精度を要するという問題もある。
μm2程であるので、この領域に光信号を入射しなければ
ならず、位置合わせの精度を要するという問題もある。
本発明の目的とするところは、超伝導体の磁気特性を
利用することにより、また、素子を構成する電極を超伝
導体材料とすることにより、上述のような問題点を解決
することにある。
利用することにより、また、素子を構成する電極を超伝
導体材料とすることにより、上述のような問題点を解決
することにある。
［課題を解決するための手段］ 本発明の特徴とするところは、光の照射により電流を
発生する光信号入力部と、該電流により発生した磁場で
電気特性を変化させ該変化を検出する超伝導体より成る
信号検出部とを、少なくとも有する光信号検出素子にお
いて、前記光信号入力部に設けた電圧印加要電極及び／
又は前記信号検出部に設けた信号検出用電極が、超伝導
体材料より成る光信号検出素子としている点にある。
発生する光信号入力部と、該電流により発生した磁場で
電気特性を変化させ該変化を検出する超伝導体より成る
信号検出部とを、少なくとも有する光信号検出素子にお
いて、前記光信号入力部に設けた電圧印加要電極及び／
又は前記信号検出部に設けた信号検出用電極が、超伝導
体材料より成る光信号検出素子としている点にある。
また、前記信号検出用電極と信号検出部を成す超伝導
体とが同一の超伝導材料より成る光信号検出素子をも特
徴とするものである。
体とが同一の超伝導材料より成る光信号検出素子をも特
徴とするものである。
ここで、信号検出部に用いる超伝導材料は、単結晶ま
たは多結晶、あるいはアモルファスから成る超伝導特性
を有する材料である。検出部の形状は、細線状，各種ジ
ョセフソン接合であることが好ましい。
たは多結晶、あるいはアモルファスから成る超伝導特性
を有する材料である。検出部の形状は、細線状，各種ジ
ョセフソン接合であることが好ましい。
また、検出素子をより高い温度で動作させるには、臨
界温度の高い材料が適しており、この点でＹ−Ba−Cu−
Ｏ系、Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系、Tl−Sr−Ca−Cu−Ｏ系の
ような液体窒素の沸点（77K）より高い臨界温度を持つ
物質が好ましい。
界温度の高い材料が適しており、この点でＹ−Ba−Cu−
Ｏ系、Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系、Tl−Sr−Ca−Cu−Ｏ系の
ような液体窒素の沸点（77K）より高い臨界温度を持つ
物質が好ましい。
尚、検出素子の動作温度は、使用する超伝導体の臨界
温度より低い温度であれば良い。
温度より低い温度であれば良い。
さらに、本発明の光信号検出素子を構成する電極は、
超伝導性を示す材料であれば特に制限はないが、検出部
に使用する電極は、検出部と同じ材料である方がより好
ましい。これは、検出部を成す超伝導体と同じ材料を電
極に使うことにより、電極と超伝導体の界面が事実上な
くなり、界面での接触抵抗等が生じなくなるからであ
る。
超伝導性を示す材料であれば特に制限はないが、検出部
に使用する電極は、検出部と同じ材料である方がより好
ましい。これは、検出部を成す超伝導体と同じ材料を電
極に使うことにより、電極と超伝導体の界面が事実上な
くなり、界面での接触抵抗等が生じなくなるからであ
る。
また、信号入力部に用いる材料は、赤外，可視，紫外
光のような光信号に対応できる光導電性材料が好まし
く、特に大きな光電流を生ずるInSb,Si,a−Si,GaAs,Cd
S,CdSe,Ge等が好ましい。この他、光電流を発生させる
のに光信号倍増管、光起電力効果，デンバー効果等を用
いても良い。
光のような光信号に対応できる光導電性材料が好まし
く、特に大きな光電流を生ずるInSb,Si,a−Si,GaAs,Cd
S,CdSe,Ge等が好ましい。この他、光電流を発生させる
のに光信号倍増管、光起電力効果，デンバー効果等を用
いても良い。
［作 用］ 例えば、光導電性材料より成る信号入力部に光を照射
すると、価電子帯の電子は励起され伝導帯に遷移する。
この伝導体中において、励起された電子は外部より印加
された電場によって移動し、この結果光電流が生ずる。
すると、価電子帯の電子は励起され伝導帯に遷移する。
この伝導体中において、励起された電子は外部より印加
された電場によって移動し、この結果光電流が生ずる。
一方、物質中に電流が流れると、この電流により磁場
が発生することは、物理の基本法則として良く知られて
いる。
が発生することは、物理の基本法則として良く知られて
いる。
本発明は、以上のような物理適現象を利用し、かつ、
素子に使用する電極材料として超伝導材料を用いること
により、従来の素子とは異なる動作原理の光信号検出素
子を得ることができる。
素子に使用する電極材料として超伝導材料を用いること
により、従来の素子とは異なる動作原理の光信号検出素
子を得ることができる。
すなわち、超伝導体上に絶縁層を介して設けた光導電
性材料に光を照射することにより、発生したキャリアが
励起されて、伝導帯に遷移する。この伝導帯中で励起さ
れた電子は、外部より印加された電場により移動し、光
電流が生じる。その結果、この光電流料に相当する磁場
が発生し、この磁場により超伝導体の電気特性が変化す
る。この変化としては、超伝導体中を流れる電流値が低
下する、あるいは超伝導状態が磁場により破壊され電気
抵抗が発生する、というようなことが考えられるが、利
用可能な超伝導特性の変化であれば何でも良い。かかる
変化を検出することで入力信号を検出するものである。
性材料に光を照射することにより、発生したキャリアが
励起されて、伝導帯に遷移する。この伝導帯中で励起さ
れた電子は、外部より印加された電場により移動し、光
電流が生じる。その結果、この光電流料に相当する磁場
が発生し、この磁場により超伝導体の電気特性が変化す
る。この変化としては、超伝導体中を流れる電流値が低
下する、あるいは超伝導状態が磁場により破壊され電気
抵抗が発生する、というようなことが考えられるが、利
用可能な超伝導特性の変化であれば何でも良い。かかる
変化を検出することで入力信号を検出するものである。
また、信号を検出する際、信号検出用電極として超伝
導材料を用いることにより、特に検出部と同じ材料を用
いることにより、検出部と電極の接続界面での接触抵抗
等が発生せず、信号入力による電気特性の変化を効率よ
く検出でき、かつ、不要な熱の発生による素子特性の変
動を防止できる。
導材料を用いることにより、特に検出部と同じ材料を用
いることにより、検出部と電極の接続界面での接触抵抗
等が発生せず、信号入力による電気特性の変化を効率よ
く検出でき、かつ、不要な熱の発生による素子特性の変
動を防止できる。
さらには、信号入力部に、超伝導材料から成る電極を
外部より電場を印加する際に用いることで、より効率良
く印加できるる。
外部より電場を印加する際に用いることで、より効率良
く印加できるる。
［実施例］ 以下、実施例を用いて本発明をより詳しく説明する。
実施例１ 第１図に、本発明による光検出素子の概念図を示す。
図中、１は信号を検出する超伝導体（信号検出部）、３
は光信号入力部、２は前記信号検出部１と信号入力部３
とを電気的に絶縁するための絶縁層、６は超伝導体より
成る検出用電極、７は信号入力部３に外部より電場を印
加するための電圧印加用電極である。
図中、１は信号を検出する超伝導体（信号検出部）、３
は光信号入力部、２は前記信号検出部１と信号入力部３
とを電気的に絶縁するための絶縁層、６は超伝導体より
成る検出用電極、７は信号入力部３に外部より電場を印
加するための電圧印加用電極である。
先ず、酸化物超伝導体Y1Ba2Cu3O7-X（Ｏ≦Ｘ≦0.5）
をクラスターイオンビーム蒸着法によりMgO基板（不図
示）上に形成し、フォトリソグラフィー技術等により薄
膜を加工する。本実施例では、厚さ3000Å、幅10μｍ、
長さ6mmの帯状超伝導体１と、その両端に１×1mm2の超
伝導電極６を作製した。次に、この帯状超伝導体１の中
央部に２×2mm2の大きさで厚さ1000ÅのMgO膜を形成
し、絶縁層２とした。最後に絶縁層２の上に1.5×1.5mm
2、厚さ3000ÅのCdS膜を形成し、これを信号入力部３と
した。
をクラスターイオンビーム蒸着法によりMgO基板（不図
示）上に形成し、フォトリソグラフィー技術等により薄
膜を加工する。本実施例では、厚さ3000Å、幅10μｍ、
長さ6mmの帯状超伝導体１と、その両端に１×1mm2の超
伝導電極６を作製した。次に、この帯状超伝導体１の中
央部に２×2mm2の大きさで厚さ1000ÅのMgO膜を形成
し、絶縁層２とした。最後に絶縁層２の上に1.5×1.5mm
2、厚さ3000ÅのCdS膜を形成し、これを信号入力部３と
した。
このような構成の検出素子において、酸化物超伝導体
１は臨界温度が83Kであるため、かかる検出素子を液体
窒素中に入れて冷却し（77K）、CdS膜より成る信号入力
部３にAr+レーザー光（波長514.5mm,出力3mW）を照射し
た。この際、信号入力部であるCdS膜上の電極７に10Vの
電圧を印加しておくと、超伝導体１を流れる電流はレー
ザー光のON−OFFに対応して変化し、レーザー光が照射
されているON状態のときには、レーザー光が照射されて
いないOFF状態のときに比べ、電流値が50％低下した。
これは、Ar+レーザー光によりCdS膜に光電流が発生し、
こにより生じた磁場を超伝導体１が検出したことを意味
する。
１は臨界温度が83Kであるため、かかる検出素子を液体
窒素中に入れて冷却し（77K）、CdS膜より成る信号入力
部３にAr+レーザー光（波長514.5mm,出力3mW）を照射し
た。この際、信号入力部であるCdS膜上の電極７に10Vの
電圧を印加しておくと、超伝導体１を流れる電流はレー
ザー光のON−OFFに対応して変化し、レーザー光が照射
されているON状態のときには、レーザー光が照射されて
いないOFF状態のときに比べ、電流値が50％低下した。
これは、Ar+レーザー光によりCdS膜に光電流が発生し、
こにより生じた磁場を超伝導体１が検出したことを意味
する。
一方、電極６として、超伝導体に替えて、イオンビー
ムスパッタ法にて形成した金電極を用いた場合、レーザ
ー光ON状態での電流低下は約10％であった。このこと
は、検出効率が低下したことを意味する。また、素子を
室温と77Kの間で温度変化させると、超伝導体１と金電
極６の熱膨張率の違いにより、電極が剥れてしまうこと
が多くなる。
ムスパッタ法にて形成した金電極を用いた場合、レーザ
ー光ON状態での電流低下は約10％であった。このこと
は、検出効率が低下したことを意味する。また、素子を
室温と77Kの間で温度変化させると、超伝導体１と金電
極６の熱膨張率の違いにより、電極が剥れてしまうこと
が多くなる。
実施例２ 第２図に本発明の第２の実施例を示した。
検出素子の構成は、信号入力部と検出部を分離してあ
り、実施例１同様電極６は超伝導材料より形成されてい
る。
り、実施例１同様電極６は超伝導材料より形成されてい
る。
作製方法は、実施例とほぼ同じであるが、本実施例で
は、絶縁層２の大きさが２×1mm2であり、かつ信号入力
部の電極として上部に透明電極８を用い、下部に金属電
極９を用いた。また、第２図中、点線の内部（冷却部
５）のみをクライオスタットで冷却し、信号入力部は室
温とした。
は、絶縁層２の大きさが２×1mm2であり、かつ信号入力
部の電極として上部に透明電極８を用い、下部に金属電
極９を用いた。また、第２図中、点線の内部（冷却部
５）のみをクライオスタットで冷却し、信号入力部は室
温とした。
実施例１と同様に、77Kに検出部を冷却して実施例１
同様のレーザー光を照射すると、レーザー光照射時（O
N）の電流は、照射しない場合（OFF）に比べて55〜70％
低下し、光信号を検出することができた。
同様のレーザー光を照射すると、レーザー光照射時（O
N）の電流は、照射しない場合（OFF）に比べて55〜70％
低下し、光信号を検出することができた。
実施例３ 受光部（光信号入力部３）にGeを用い、検出部にNb/A
l−AlOx/Nbの積層構造を有するSIS素子11を用いた場合
の素子構成図を第３図に示す。
l−AlOx/Nbの積層構造を有するSIS素子11を用いた場合
の素子構成図を第３図に示す。
先ず、ノンドープのGeウェハー基板３上に、半分だけ
絶縁膜（SiO2）２を1000Å成膜し、該絶縁膜上に公知の
方法により下部超伝導電極（Nb）12、絶縁層Al/AlOx1
0、上部超伝導電極（Nb）13を形成し、接合面積５×５
μm2のSIS素子11を作製した。次に、Ge基板上で絶縁層
のない部分に、くし形電極（Nb）７をメタルマスクを用
いて図中に示すような形状に（厚さ2000Å）成膜した。
ここで、くし形電極７は、長さ4mm、電極間距離0.1mm、
受光面積0.05cm2である。
絶縁膜（SiO2）２を1000Å成膜し、該絶縁膜上に公知の
方法により下部超伝導電極（Nb）12、絶縁層Al/AlOx1
0、上部超伝導電極（Nb）13を形成し、接合面積５×５
μm2のSIS素子11を作製した。次に、Ge基板上で絶縁層
のない部分に、くし形電極（Nb）７をメタルマスクを用
いて図中に示すような形状に（厚さ2000Å）成膜した。
ここで、くし形電極７は、長さ4mm、電極間距離0.1mm、
受光面積0.05cm2である。
また、入力部で発生した光電流の流れる電流線路部14
は、SIS素子11と８μｍの距離に設け、これもくし形電
極７と同様、Nbにて作製した。
は、SIS素子11と８μｍの距離に設け、これもくし形電
極７と同様、Nbにて作製した。
以上のような構成から成る素子を、4.2Kに冷却し、バ
イアス電流1.2mÅにて、He−Neレーザー光（波長633mm,
0.1mW）を照射したところ、くし形電極間印加電圧10Vで
SIS素子11のスイッチングが確認され、光信号を検出す
ることができた。
イアス電流1.2mÅにて、He−Neレーザー光（波長633mm,
0.1mW）を照射したところ、くし形電極間印加電圧10Vで
SIS素子11のスイッチングが確認され、光信号を検出す
ることができた。
［発明の効果］ 以上のべたように、光信号の入力により、その入力部
で生じた電流によって発生する磁場を、超伝導体あるい
はその加工品の電気特性の変化として検出することによ
り、従来に比べて、光信号と検出素子の位置合わせが容
易になり、かつ、信号の入力部の大きさを任意にするこ
とが可能である。また、光信号入力部の材料を選択する
ことにより、従来より幅広い波長の信号検出が可能とな
る。
で生じた電流によって発生する磁場を、超伝導体あるい
はその加工品の電気特性の変化として検出することによ
り、従来に比べて、光信号と検出素子の位置合わせが容
易になり、かつ、信号の入力部の大きさを任意にするこ
とが可能である。また、光信号入力部の材料を選択する
ことにより、従来より幅広い波長の信号検出が可能とな
る。
さらに、素子に使用する電極として、超伝導材料を用
いることで、電流の損失がなくなり、この結果信号の検
出効率を向上させることができる。
いることで、電流の損失がなくなり、この結果信号の検
出効率を向上させることができる。
第１図は、本発明の光信号検出素子の構成を概略的に示
した平面図である。 第２図は、本発明の光信号検出素子を成す別の実施例を
示す平面図であり、信号入力部と検出部を分離したもの
を示す。 第３図は、SIS素子の構成を有する本発明の実施例を示
した平面図である。 第４図は、従来の信号検出素子を示した概略構成斜視図
である。 １……超伝導体 2,10……絶縁膜 ３……信号入力部 ５……冷却部 ６……信号検出用電極 ７……電圧印加用電極 ８……透明電極 ９……金属電極 11……SIS素子 12……下部超伝導電極 13……上部超伝導電極 14……電流線路部 15……マイクロブリッジ型ジョセフソン接合 16……光ファイバー
した平面図である。 第２図は、本発明の光信号検出素子を成す別の実施例を
示す平面図であり、信号入力部と検出部を分離したもの
を示す。 第３図は、SIS素子の構成を有する本発明の実施例を示
した平面図である。 第４図は、従来の信号検出素子を示した概略構成斜視図
である。 １……超伝導体 2,10……絶縁膜 ３……信号入力部 ５……冷却部 ６……信号検出用電極 ７……電圧印加用電極 ８……透明電極 ９……金属電極 11……SIS素子 12……下部超伝導電極 13……上部超伝導電極 14……電流線路部 15……マイクロブリッジ型ジョセフソン接合 16……光ファイバー
フロントページの続き (72)発明者 新庄 克彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 金子 典夫 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−38618（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−239886（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−11376（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−37528（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】光の照射により電流を発生する光信号入力
部と、該電流により発生した磁場で電気特性を変化させ
該変化を検出する超伝導体より成る信号検出部とを、少
なくとも有する光信号検出素子において、前記光信号入
力部に設けた電圧印加用電極及び／又は前記信号検出部
に設けた信号検出用電極が、超伝導体材料より成ること
を特徴とする光信号検出素子。 - 【請求項２】前記信号検出用電極と信号検出部を成す超
伝導体とが同一の超伝導材料より成ることを特徴とする
請求項１記載の光信号検出素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1257646A JP2748167B2 (ja) | 1989-10-04 | 1989-10-04 | 光信号検出素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1257646A JP2748167B2 (ja) | 1989-10-04 | 1989-10-04 | 光信号検出素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03120767A JPH03120767A (ja) | 1991-05-22 |
| JP2748167B2 true JP2748167B2 (ja) | 1998-05-06 |
Family
ID=17309137
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1257646A Expired - Fee Related JP2748167B2 (ja) | 1989-10-04 | 1989-10-04 | 光信号検出素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2748167B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5158920B2 (ja) * | 2003-06-06 | 2013-03-06 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 光−磁束変換型入力インターフェース回路 |
-
1989
- 1989-10-04 JP JP1257646A patent/JP2748167B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03120767A (ja) | 1991-05-22 |
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