JPH07211947A - 超電導光応答素子およびそれを用いた超電導光電気信号変換回路 - Google Patents
超電導光応答素子およびそれを用いた超電導光電気信号変換回路Info
- Publication number
- JPH07211947A JPH07211947A JP6002943A JP294394A JPH07211947A JP H07211947 A JPH07211947 A JP H07211947A JP 6002943 A JP6002943 A JP 6002943A JP 294394 A JP294394 A JP 294394A JP H07211947 A JPH07211947 A JP H07211947A
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- JP
- Japan
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- superconducting
- light guide
- thin film
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- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】電圧出力型および電流出力型の超電導光応答素
子を提供する。 【構成】九十九折状の光応答素子１０１で幅がギンツブ
ルグ−ランダウのコヒーレンス長の４倍より大きく、長
さがロンドンの侵入長λの２乗の２倍を超電導薄膜の膜
厚ｄで割った大きさよりも長い超電導光応答素子。 【効果】長さを２λ2／ｄ より長くするとフリーボルテ
ックスの効果がほとんど無視でき、出力電流，出力電圧
が大きくなる。
子を提供する。 【構成】九十九折状の光応答素子１０１で幅がギンツブ
ルグ−ランダウのコヒーレンス長の４倍より大きく、長
さがロンドンの侵入長λの２乗の２倍を超電導薄膜の膜
厚ｄで割った大きさよりも長い超電導光応答素子。 【効果】長さを２λ2／ｄ より長くするとフリーボルテ
ックスの効果がほとんど無視でき、出力電流，出力電圧
が大きくなる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光信号を電気信号に変換
する光応答素子およびその周辺回路に関する。
する光応答素子およびその周辺回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術で超電導を利用した光応答素子
がヨウイチ エノモト，トシアキ ムラカミ；“オプテ
ィカル ディテクタ ユウジング スーパーコンダクテ
ィングＢａＰｂ0.7Ｂｉ0.3Ｏ3 シン フィルムズ”ジャ
ーナル オブ アプライド フィジックス ５９巻（１
１），１ １９８６年６月号３８０７頁から３８１４頁
まで(Y.Enomoto, and T.Murakami; “Optical detector
using superconductingBaPb0.7Bi0.3O3 thin films,”
J. Appl. Phys. 59(11), 1 pp.3807-3814 June1986）
に詳述されている。これはスパッタ製法で作成したＢａ
Ｐｂ1-XＢｉXＯ3（以後、ＢＰＢと略記する。）の薄膜
に自然にできる結晶粒界を障壁層とする多数のジョセフ
ソン接合で構成される光応答素子である。この素子に電
流を流して光を当てるとその電流電圧特性が変化する。
がヨウイチ エノモト，トシアキ ムラカミ；“オプテ
ィカル ディテクタ ユウジング スーパーコンダクテ
ィングＢａＰｂ0.7Ｂｉ0.3Ｏ3 シン フィルムズ”ジャ
ーナル オブ アプライド フィジックス ５９巻（１
１），１ １９８６年６月号３８０７頁から３８１４頁
まで(Y.Enomoto, and T.Murakami; “Optical detector
using superconductingBaPb0.7Bi0.3O3 thin films,”
J. Appl. Phys. 59(11), 1 pp.3807-3814 June1986）
に詳述されている。これはスパッタ製法で作成したＢａ
Ｐｂ1-XＢｉXＯ3（以後、ＢＰＢと略記する。）の薄膜
に自然にできる結晶粒界を障壁層とする多数のジョセフ
ソン接合で構成される光応答素子である。この素子に電
流を流して光を当てるとその電流電圧特性が変化する。
【０００３】しかし、この公知例の素子は占有面積も大
きく高集積化には不向きであった。高集積化が困難であ
ることは、寄生容量や寄生インダクタンスの抑制が困難
であることを意味し高速化にも不向きであった。一方、
ＮｂＮなどの超電導体をロンドンの侵入長より十分に極
薄膜にすると光に応答することが知られている。これは
超電導薄膜内に自然に電流の渦であるボルテックスが外
部磁場がなくとも存在し、低い温度では互いに電流の向
きが逆のボルテックスがお互いに引き合いペアとなって
存在し、光を照射するとそのペアが乖離するからであ
る。しかし、NbNの薄膜の素子は出力が低いことが問題
となっていた。
きく高集積化には不向きであった。高集積化が困難であ
ることは、寄生容量や寄生インダクタンスの抑制が困難
であることを意味し高速化にも不向きであった。一方、
ＮｂＮなどの超電導体をロンドンの侵入長より十分に極
薄膜にすると光に応答することが知られている。これは
超電導薄膜内に自然に電流の渦であるボルテックスが外
部磁場がなくとも存在し、低い温度では互いに電流の向
きが逆のボルテックスがお互いに引き合いペアとなって
存在し、光を照射するとそのペアが乖離するからであ
る。しかし、NbNの薄膜の素子は出力が低いことが問題
となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高感
度でかつ高速の超電導光応答素子を提供することにあ
る。特に、出力電圧および出力電流が大きな素子を提供
することにある。
度でかつ高速の超電導光応答素子を提供することにあ
る。特に、出力電圧および出力電流が大きな素子を提供
することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、ＮｂＮ
極薄膜や高温超電導極薄膜を使った超電導光応答素子に
おいて、その素子寸法を最適にすること、すなわち、薄
膜の素子の幅がギンツブルグ−ランダウのコヒーレンス
長の４倍より大きく、長さがロンドンの侵入長λの２乗
の２倍を超電導薄膜の膜厚ｄで割った値よりも長い値を
選ぶことにより望むならばロンドンの侵入長λの２乗の
１.５ 倍を超電導薄膜の膜厚ｄで割った値よりも長い値
を選ぶことにより達成される。
極薄膜や高温超電導極薄膜を使った超電導光応答素子に
おいて、その素子寸法を最適にすること、すなわち、薄
膜の素子の幅がギンツブルグ−ランダウのコヒーレンス
長の４倍より大きく、長さがロンドンの侵入長λの２乗
の２倍を超電導薄膜の膜厚ｄで割った値よりも長い値を
選ぶことにより望むならばロンドンの侵入長λの２乗の
１.５ 倍を超電導薄膜の膜厚ｄで割った値よりも長い値
を選ぶことにより達成される。
【０００６】
【作用】超電導体を薄膜にするとそこには自然に電流の
渦であるボルテックスが外部磁場がなくとも存在し、低
い温度では互いに電流の向きが逆のボルテックスがお互
いに引き合いペアとなって存在している。よってボルテ
ックスのペアが存在するためには最低でも超電導薄膜の
大きさは二つのボルテックスが存在する大きさより大き
くなければならない。ボルテックスの半径は一般にギン
ツブルグ−ランダウのコヒーレンス長ξであるので、超
電導薄膜の幅は４ξ以上の大きさを必要とする。
渦であるボルテックスが外部磁場がなくとも存在し、低
い温度では互いに電流の向きが逆のボルテックスがお互
いに引き合いペアとなって存在している。よってボルテ
ックスのペアが存在するためには最低でも超電導薄膜の
大きさは二つのボルテックスが存在する大きさより大き
くなければならない。ボルテックスの半径は一般にギン
ツブルグ−ランダウのコヒーレンス長ξであるので、超
電導薄膜の幅は４ξ以上の大きさを必要とする。
【０００７】このようにボルテックスペアが存在してい
るときの薄膜の電気特性は薄膜の面積が十分大きい場合
には数１で表わすことができる。
るときの薄膜の電気特性は薄膜の面積が十分大きい場合
には数１で表わすことができる。
【０００８】
【数１】
【０００９】ここでＥは電界、ｊは電流密度，αは温度
の関数，ρnはノーマル抵抗、ｊ0は膜の臨界電流密度で
ある。これはボルテックスのペアが電流によるローレン
ツ力で乖離し、膜内を移動するために電圧が発生すると
いうモデルに基づくものである。このような特性を持つ
超電導薄膜に光を照射すると主にαが光の強さに反比例
して小さくなる。
の関数，ρnはノーマル抵抗、ｊ0は膜の臨界電流密度で
ある。これはボルテックスのペアが電流によるローレン
ツ力で乖離し、膜内を移動するために電圧が発生すると
いうモデルに基づくものである。このような特性を持つ
超電導薄膜に光を照射すると主にαが光の強さに反比例
して小さくなる。
【００１０】超電導薄膜の大きさが小さい場合、具体的
にはボルテックスのペアが引き合う最大の距離であるス
クリーン長２λ2／ｄ より小さい場合にはペアがみつか
らずにフリーボルテックスとなるものが存在する。ここ
でλはロンドンの侵入長、ｄは超電導薄膜の膜厚であ
る。フリーボルテックスの数が多くなるとその効果が電
流電圧特性に現われる。これは数１にさらに電流に線形
な項が入り、数２で表わされる電流電圧特性となる。
にはボルテックスのペアが引き合う最大の距離であるス
クリーン長２λ2／ｄ より小さい場合にはペアがみつか
らずにフリーボルテックスとなるものが存在する。ここ
でλはロンドンの侵入長、ｄは超電導薄膜の膜厚であ
る。フリーボルテックスの数が多くなるとその効果が電
流電圧特性に現われる。これは数１にさらに電流に線形
な項が入り、数２で表わされる電流電圧特性となる。
【００１１】
【数２】
【００１２】超電導薄膜内にフリーボルテックスが存在
する場合としない場合では図７のように電気特性が違っ
てくる。図７において、７０１はフリーボルテックスが
存在しない超電導薄膜で光が照射されていないときの電
流密度電界特性で、７０２はフリーボルテックスが存在
する超電導薄膜で光が照射されていないときの特性であ
る。７０３は光が照射されたときの特性で素子の大きさ
にほとんど依存せず、７０１の特性でも７０２の特性で
も光照射で７０３へと変化する。７０４は抵抗負荷の負
荷直線である。７０１の特性ではＪ1 の出力電流密度を
得ることができるが、７０２の特性ではＪ2 の出力電流
密度しか得ることができない。また出力電界でも７０１
の特性ではＥ1 の出力電界を得ることができるが、７０
２の特性ではＥ2の出力電界しか得ることができない。
する場合としない場合では図７のように電気特性が違っ
てくる。図７において、７０１はフリーボルテックスが
存在しない超電導薄膜で光が照射されていないときの電
流密度電界特性で、７０２はフリーボルテックスが存在
する超電導薄膜で光が照射されていないときの特性であ
る。７０３は光が照射されたときの特性で素子の大きさ
にほとんど依存せず、７０１の特性でも７０２の特性で
も光照射で７０３へと変化する。７０４は抵抗負荷の負
荷直線である。７０１の特性ではＪ1 の出力電流密度を
得ることができるが、７０２の特性ではＪ2 の出力電流
密度しか得ることができない。また出力電界でも７０１
の特性ではＥ1 の出力電界を得ることができるが、７０
２の特性ではＥ2の出力電界しか得ることができない。
【００１３】フリーボルテックスによる出力の低下を防
ぐためには超電導薄膜面内にボルテックスのペアが見つ
かるように超電導薄膜の長さＬをボルテックスのペアが
引き合う最大の距離であるスクリーン長２λ2／ｄ より
大きくすれば出力は低下しない。ペアが見つかればよい
ので幅は必ずしも余分に大きくする必要はなく、前述の
ように４ξより大きければよい。
ぐためには超電導薄膜面内にボルテックスのペアが見つ
かるように超電導薄膜の長さＬをボルテックスのペアが
引き合う最大の距離であるスクリーン長２λ2／ｄ より
大きくすれば出力は低下しない。ペアが見つかればよい
ので幅は必ずしも余分に大きくする必要はなく、前述の
ように４ξより大きければよい。
【００１４】図９には長さと出力電圧の関係図を示し
た。図９から２λ2／ｄ 以上で出力電圧は最大となる。
２λ2／ｄ 以下では徐々に出力電圧は低下する。しか
し、長さＬが１.５λ2／ｄでは２λ2／ｄの約０.９５倍
の出力電圧が得られるので光応答素子としては使用可能
である。よって超電導薄膜の幅が４ξよりも大きくかつ
長さが１.５λ2／ｄより大きい超電導光応答素子におい
ても大きな出力を得ることができる。
た。図９から２λ2／ｄ 以上で出力電圧は最大となる。
２λ2／ｄ 以下では徐々に出力電圧は低下する。しか
し、長さＬが１.５λ2／ｄでは２λ2／ｄの約０.９５倍
の出力電圧が得られるので光応答素子としては使用可能
である。よって超電導薄膜の幅が４ξよりも大きくかつ
長さが１.５λ2／ｄより大きい超電導光応答素子におい
ても大きな出力を得ることができる。
【００１５】
【実施例】本発明による第一の実施例を図１に示す。厚
さ１０ｎｍのＮｂＮ薄膜を加工した電圧出力型超電導光
応答素子である。外形の寸法Ｌは３００μｍ×３００μ
ｍの正方形で一本の線を九十九折状に加工したものであ
る。ラインアンドスペースδは１.３μｍ／１.３μｍ
で、今回使用した加工製造機の最小加工寸法である。線
の幅は４ξより広いという下限のもとで可能な限り小さ
くしたほうが、また線間のスペースは可能な限り小さく
したほうが同じ素子面積内での線の全長が長くなる。こ
の素子の全長は約３５mmとなった。この素子に使用した
超電導薄膜のロンドンの侵入長λは約６μｍであった。
スクリーン長は７.２mm となり、フリーボルテックスの
効果はほとんど無視できる。この素子に波長１.３μｍ
のレーザを当てたところ図２のように変化し、１０μＡ
の定電流負荷の場合出力電圧0.25ｍＶが得られた。
さ１０ｎｍのＮｂＮ薄膜を加工した電圧出力型超電導光
応答素子である。外形の寸法Ｌは３００μｍ×３００μ
ｍの正方形で一本の線を九十九折状に加工したものであ
る。ラインアンドスペースδは１.３μｍ／１.３μｍ
で、今回使用した加工製造機の最小加工寸法である。線
の幅は４ξより広いという下限のもとで可能な限り小さ
くしたほうが、また線間のスペースは可能な限り小さく
したほうが同じ素子面積内での線の全長が長くなる。こ
の素子の全長は約３５mmとなった。この素子に使用した
超電導薄膜のロンドンの侵入長λは約６μｍであった。
スクリーン長は７.２mm となり、フリーボルテックスの
効果はほとんど無視できる。この素子に波長１.３μｍ
のレーザを当てたところ図２のように変化し、１０μＡ
の定電流負荷の場合出力電圧0.25ｍＶが得られた。
【００１６】本発明の第二の実施例を図３に示す。厚さ
１５ｎｍのＮｂＮ薄膜を加工した超電導光応答素子であ
る。第一の実施例と同様に外形の寸法Ｌ3 は３００μｍ
×３００μｍで九十九折状に加工したものである。ライ
ンアンドスペースδ4／δ3は３０μｍ／１.３μｍ であ
る。線幅は出力電流を大きくするために広くした。線間
のスペースは可能な限り小さくしたほうが線の全長が長
くなるので今回使用した加工製造機の最小加工寸法であ
る１.３μｍとした。全長は約２.７mmであった。
１５ｎｍのＮｂＮ薄膜を加工した超電導光応答素子であ
る。第一の実施例と同様に外形の寸法Ｌ3 は３００μｍ
×３００μｍで九十九折状に加工したものである。ライ
ンアンドスペースδ4／δ3は３０μｍ／１.３μｍ であ
る。線幅は出力電流を大きくするために広くした。線間
のスペースは可能な限り小さくしたほうが線の全長が長
くなるので今回使用した加工製造機の最小加工寸法であ
る１.３μｍとした。全長は約２.７mmであった。
【００１７】この素子の超電導薄膜のロンドンの侵入長
は約５μｍであったのでスクリーン長は３.３mmであ
る。全長はスクリーン長より短いが１.５λ2／ｄ＝２.
５mmより長いので大きな出力を得ることができる。この
素子に波長１.３μｍ のレーザを当てたところ図４のよ
うに変化し、電圧０.２ｍＶ の定電圧負荷のときに出力
電流６０μＡが得られた。
は約５μｍであったのでスクリーン長は３.３mmであ
る。全長はスクリーン長より短いが１.５λ2／ｄ＝２.
５mmより長いので大きな出力を得ることができる。この
素子に波長１.３μｍ のレーザを当てたところ図４のよ
うに変化し、電圧０.２ｍＶ の定電圧負荷のときに出力
電流６０μＡが得られた。
【００１８】本発明の第三の実施例を図５に示す。厚さ
２０ｎｍのＮｂＮ薄膜を加工した電流出力型超電導光応
答素子である。外形は円形で線が渦巻き状の構造で直径
Ｄは１２０μｍである。ラインアンドスペースは１０μ
ｍ／１.３μｍ である。通常、レーザなど光源からの光
は円形なので素子構造も円形の方が素子の有効面積を大
きくできまた線の長さも長くすることができる。全長は
約３mmである。この素子の超電導薄膜のロンドンの侵入
長は約４.２μｍ であったのでスクリーン長は１.８mm
である。よってフリーボルテックスの効果を無視でき
る。この素子に超電導体−半導体の構成を有する素子か
らなる非線形抵抗負荷をつけたところ図６のように出力
電流３７μＡを得ることができた。
２０ｎｍのＮｂＮ薄膜を加工した電流出力型超電導光応
答素子である。外形は円形で線が渦巻き状の構造で直径
Ｄは１２０μｍである。ラインアンドスペースは１０μ
ｍ／１.３μｍ である。通常、レーザなど光源からの光
は円形なので素子構造も円形の方が素子の有効面積を大
きくできまた線の長さも長くすることができる。全長は
約３mmである。この素子の超電導薄膜のロンドンの侵入
長は約４.２μｍ であったのでスクリーン長は１.８mm
である。よってフリーボルテックスの効果を無視でき
る。この素子に超電導体−半導体の構成を有する素子か
らなる非線形抵抗負荷をつけたところ図６のように出力
電流３７μＡを得ることができた。
【００１９】なお定電流負荷，定電圧負荷，非線形抵抗
負荷などの周辺回路と超電導光応答素子の接続図を図８
に示す。８０１が超電導光応答素子であり、８０２が負
荷である。
負荷などの周辺回路と超電導光応答素子の接続図を図８
に示す。８０１が超電導光応答素子であり、８０２が負
荷である。
【００２０】以上の実施例はＮｂＮ極薄膜を用いた超電
導光応答素子を用いて説明したが、高温超電導薄膜を用
いた光応答素子であっても同様である。
導光応答素子を用いて説明したが、高温超電導薄膜を用
いた光応答素子であっても同様である。
【００２１】
【発明の効果】本発明の電圧出力型超電導光応答素子で
は光に対して大きな出力電圧が得られ、電流出力型超電
導光応答素子では光に対して大きな出力電圧が得ること
ができ、用途に応じた素子を提供することができる。
は光に対して大きな出力電圧が得られ、電流出力型超電
導光応答素子では光に対して大きな出力電圧が得ること
ができ、用途に応じた素子を提供することができる。
【図１】ＮｂＮ薄膜の電圧出力型超電導光応答素子の説
明図。
明図。
【図２】ＮｂＮ薄膜の電圧出力型超電導光応答素子の応
答特性図。
答特性図。
【図３】ＮｂＮ薄膜の電流出力型超電導光応答素子の説
明図。
明図。
【図４】ＮｂＮ薄膜の電流出力型超電導光応答素子の応
答特性図。
答特性図。
【図５】ＮｂＮ薄膜の電流出力型超電導光応答素子の説
明図。
明図。
【図６】ＮｂＮ薄膜の電流出力型超電導光応答素子の応
答特性図。
答特性図。
【図７】フリーボルテックスの効果を示す説明図。
【図８】超電導光応答素子と負荷の接続図。
【図９】超電導光応答素子の出力電圧と長さの関係を示
す特性図。
す特性図。
１０１…九十九折状の超電導光応答素子、１０２，１０
３…ボンディング用パッド、１０４…九十九折状の素
子。
３…ボンディング用パッド、１０４…九十九折状の素
子。
Claims (12)
- 【請求項１】少なくとも一本の超電導薄膜の直線または
曲線を含んで構成され、前記超電導薄膜の電流電圧特性
および光応答特性にボルテックスが関与する素子であっ
て、前記超電導薄膜の直線または曲線の幅がギンツブル
グ−ランダウのコヒーレンス長の４倍より大きく、その
長さが、ロンドンの侵入長の２乗の２倍を前記超電導薄
膜の膜厚で割った値よりも長いことを特徴とする超電導
光応答素子。 - 【請求項２】少なくとも一本の超電導薄膜の直線または
曲線を含んで構成され、前記超電導薄膜の電流電圧特性
および光応答特性にボルテックスが関与する素子であっ
て、当該超電導薄膜の直線または曲線の幅がギンツブル
グ−ランダウのコヒーレンス長の４倍より大きく、その
長さが、ロンドンの侵入長の２乗の１.５ 倍を前記超電
導薄膜の膜厚で割った値よりも長いことを特徴とする超
電導光応答素子。 - 【請求項３】請求項１または２において、前記超電導光
応答素子の超電導薄膜をＮｂＮで構成する超電導光応答
素子。 - 【請求項４】請求項１または２において、前記超電導光
応答素子の超電導薄膜を高温超電導体で構成する超電導
光応答素子。 - 【請求項５】請求項１または２において、前記超電導光
応答素子の外形が正方形または長方形である超電導光応
答素子。 - 【請求項６】請求項１または２において、前記超電導光
応答素子の外形が多角形である超電導光応答素子。 - 【請求項７】請求項１または２において、前記超電導光
応答素子の外形が正多角形または円形である超電導光応
答素子。 - 【請求項８】請求項１または２において、前記超電導光
応答素子の線の形態が九十九折状である超電導光応答素
子。 - 【請求項９】請求項１または２において、前記超電導光
応答素子の線の形態が渦巻き状である超電導光応答素
子。 - 【請求項１０】請求項１または２において、前記超電導
光応答素子により定電流負荷をドライブする超電導光電
気信号変換回路。 - 【請求項１１】請求項１または２において、前記超電導
光応答素子により定電圧負荷をドライブする超電導光電
気信号変換回路。 - 【請求項１２】請求項１または２において、前記超電導
光応答素子により非線形抵抗負荷をドライブする超電導
光電気信号変換回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6002943A JPH07211947A (ja) | 1994-01-17 | 1994-01-17 | 超電導光応答素子およびそれを用いた超電導光電気信号変換回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6002943A JPH07211947A (ja) | 1994-01-17 | 1994-01-17 | 超電導光応答素子およびそれを用いた超電導光電気信号変換回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07211947A true JPH07211947A (ja) | 1995-08-11 |
Family
ID=11543452
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6002943A Pending JPH07211947A (ja) | 1994-01-17 | 1994-01-17 | 超電導光応答素子およびそれを用いた超電導光電気信号変換回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07211947A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002094133A (ja) * | 2000-07-28 | 2002-03-29 | Schlumberger Technol Inc | 超伝導単光子検出器 |
-
1994
- 1994-01-17 JP JP6002943A patent/JPH07211947A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002094133A (ja) * | 2000-07-28 | 2002-03-29 | Schlumberger Technol Inc | 超伝導単光子検出器 |
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