JPH03120767A

JPH03120767A - 光信号検出素子

Info

Publication number: JPH03120767A
Application number: JP1257646A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Kawasaki; 岳彦川崎; Yasuko Motoi; 泰子元井; Toru Den; 透田; Katsuhiko Shinjo; 克彦新庄; Norio Kaneko; 典夫金子
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-10-04
Filing date: 1989-10-04
Publication date: 1991-05-22
Anticipated expiration: 2013-05-06
Also published as: JP2748167B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、人力信号を
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。

〔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［Ｊａｐａｎ
ｅｓｅ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　ｖｏｌ。

２３　Ｌ３３３（１９８４）］。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ＢａＰｂｏ、　７
Ｂ１０．３０３（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１３にと低い。

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。

し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
。

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。

さらには、ジョセフソン接合の接合部の面積が１０Ｘ　
１０ＩＬｍ２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６本気特性を
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。

［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、前記光信号人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。

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。

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
−０系、Ｂ１−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔｐ−Ｓｒ−
Ｃａ−Ｃｕ０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。

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。

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−３
ｉ、　ＧａＡｓ、　ＣｄＳ、　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。

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
。

本発明は、以上のような物理的現象を利用し、かつ、素
子に使用する電極材料として超伝導（Ａ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、この光電流量に相当する磁場が
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人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、がっ、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。

［実施例コ以下、実施例を用いて本発明をより詳しく説明する。

東上ｄ」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、■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ＹＪａ２ＣｕａＯｔ−Ｘ　（０≦
Ｘ≦０．５）をクラスターイオンビーム蒸着法によりＭ
ｇＯ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３０
００人、幅１０ＩＪ、ｍ、長さ６ｍｍの帯状超伝導体ｌ
と、その両端にＩ　Ｘ　１　ｍｍ”の超伝導電極６を作
製した。次に、この帯状超伝導体ｌの中央部に２　Ｘ　
２　ｍｍ２の大きさで厚さ１０００人のＭｇＯ膜を形成
し、絶縁層２とした。最後に絶縁層２の上に１．５ｘ１
．５ｍｍ２、厚さ３０００人のＣｄＳ膜を形成し、これ
を信号人力部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８３にであるため、かかる検出素子を液体
窒素中に入れて冷却しく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３　ｍ　Ｗ　）を照射した。この際、信号入力部で
あるＣｄｓ　Ｉｆｉ上の電極７にｌ０Ｖ（７）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
０Ｎ−ＯＦＦに対応して変化し、レザー光が照射されて
いるＯＮ状態のときには、レ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、これにより生じた１ｉｆｉ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７７にの間で温度変化させると、超伝導体ｌ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ＪＬｌ肌ｌ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
。

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　Ｘ　１　ｍｍ２であり、かつ
信号人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）のみをタ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５
５〜７０％低下し、光信号を検出することができた。

大Ｊ１江旦受光部（光信号入力部３）にＧｅを用い、検出部にＮｂ
／ＡＦ−Ａｇ３．／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（ＳｉＯ□）２を１０００人成膜し、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Ａｉ）／Ａｊ）０．１０、上部超伝導電極（Ｎｂ）　
１３を形成し、接合面積５　Ｘ　５　ｇｍ２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２０００人）成膜した。

ここで、（し形電極７は、長さ４ｍｍ、電極間距離０．
１　ｍｍ、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８ｐｍの距離に設け、これも（
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１．２ｍ人にて、）Ｉｅ−Ｎｅレーザー光
（波長６３３ｍｍ、　０．１ｍＷ　）を照射したところ
、くし形電極間口加電圧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、光信号の人力により、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
。

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（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。

【図面の簡単な説明】

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、信号人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。ｌ・・・超伝導体１２．１０・・・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捜セフソン接合１６・
・・光ファイバー２

Claims

【特許請求の範囲】

（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。
（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。