JPH10256833A - Superconductive intrinsic josephson junction array element oscillator - Google Patents
Superconductive intrinsic josephson junction array element oscillatorInfo
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- JPH10256833A JPH10256833A JP9078904A JP7890497A JPH10256833A JP H10256833 A JPH10256833 A JP H10256833A JP 9078904 A JP9078904 A JP 9078904A JP 7890497 A JP7890497 A JP 7890497A JP H10256833 A JPH10256833 A JP H10256833A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【技術分野】本発明は超伝導薄膜を用いた超伝導イント
リンシック・ジョセフソン接合アレイ素子発振器に関す
るものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a superconducting intrinsic Josephson junction array element oscillator using a superconducting thin film.
【０００２】[0002]
【従来技術及びその欠点】超伝導イントリンシック・ジ
ョセフソン接合アレイ素子は、酸化物超伝導体の大きな
異方性を利用した素子である。Ｂｉ系（Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ
1Ｃｕ2Ｏ8、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10など）やＴｌ系
（Ｔｌ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ8、Ｔｌ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ
10など）超伝導体は、超伝導電流を伝搬するＣｕＯ2層
と常伝導金属または絶縁体または半導体からなる電荷供
給層が交互に積層した構造になっている。このため積層
方向に垂直なｃ軸方向のコヒーレンス長がａ，ｂ軸方向
（ＣｕＯ2層面内方向）に比べて短いという性質をも
ち、ｃ軸方向は固有のジョセフソンになっている。この
イントリンシック・ジョセフソン接合を用いた発振器は
印加する電流と磁場の強さで制御し、ミリ波・サブミリ
波領域の電磁波を周波数可変に出力することが可能であ
る。また、酸化物超伝導体は従来の合金系超伝導体に比
べ動作温度を７０〜１００Ｋ高い温度に設定することが
可能なため、簡易な冷凍装置または冷媒（たとえば液体
窒素）を用いて超高周波発振器が実現できる。この発振
器は近距離ミリ波通信、衛星によるリモートセンシン
グ、分光器などに利用でき、情報及び通信産業分野にお
いて有効である。2. Description of the Related Art A superconducting intrinsic Josephson junction array device is a device utilizing the large anisotropy of an oxide superconductor. Bi type (Bi 2 Sr 2 Ca
1 Cu 2 O 8 , Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 and the like and Tl type (Tl 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 8 , Tl 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O)
10 ) The superconductor has a structure in which a CuO 2 layer that propagates a superconducting current and a charge supply layer made of a normal metal or an insulator or a semiconductor are alternately stacked. For this reason, the coherence length in the c-axis direction perpendicular to the laminating direction has a property that it is shorter than the a and b-axis directions (in-plane direction of the CuO 2 layer), and the c-axis direction is a unique Josephson. The oscillator using the intrinsic Josephson junction can control the applied current and the strength of the magnetic field, and can output the electromagnetic waves in the millimeter wave / submillimeter wave region in a variable frequency. In addition, since the operating temperature of the oxide superconductor can be set to a temperature higher by 70 to 100 K than that of the conventional alloy-based superconductor, an ultra-high frequency can be obtained by using a simple refrigerating device or a refrigerant (for example, liquid nitrogen). An oscillator can be realized. This oscillator can be used for short-range millimeter-wave communication, remote sensing by satellite, spectroscope, and the like, and is effective in the information and communication industries.
【０００３】ミリ波・サブミリ波領域は、光通信に利用
される光の周波数領域といわゆる電波の周波数領域とに
挟まれた比較的利用されていない周波数帯である。利用
が進まない原因の１つとして、この周波数領域で使える
発振器が少ないことが挙げられる。代表的なものとし
て、クライストロンやガンダイオードなどがあるが、こ
れらは固定周波数しか出力できず汎用発振器としての使
用は困難である。The millimeter-wave / sub-millimeter-wave region is a relatively unused frequency band between a frequency region of light used for optical communication and a frequency region of so-called radio waves. One of the reasons for the lack of utilization is that there are few oscillators that can be used in this frequency domain. Representative examples include klystrons and Gunn diodes, which can only output a fixed frequency and are difficult to use as general-purpose oscillators.
【０００４】超伝導体を用いた発振器は、電流・磁場制
御によって周波数可変の発振器となるため、金属・合金
系超伝導薄膜でトンネル型ジョセフソン接合を用いた発
振器が検討されている。しかし、トンネル型ジョセフソ
ン接合は素子のインピーダンスが低いため出力がとれな
い、発振スペクトルの幅が広い、２０Ｋ以下の極低温で
しか使えない、超伝導薄膜作製用基板上に高周波回路を
作製するのが困難であるなどの問題点がある。Since an oscillator using a superconductor is an oscillator whose frequency is variable by controlling current and magnetic field, an oscillator using a tunnel type Josephson junction with a metal / alloy superconducting thin film is being studied. However, tunnel-type Josephson junctions do not produce output because of the low impedance of the element, have a wide oscillation spectrum, can be used only at extremely low temperatures of 20K or less, and can produce high-frequency circuits on substrates for superconducting thin film production. Is difficult.
【０００５】一方、酸化物超伝導体は、従来の金属・合
金系超伝導体に比べて７０〜１００Ｋ程度臨界温度が高
いという特徴を持つが、短コヒーレンス長、結晶異方
性、含有酸素の不安定さなど電子デバイス化にとって困
難な特性を併せ持つ。そのため金属系超伝導体で試みら
れたトンネル型ジョセフソン接合を用いた発振器の作製
を著しく困難なものにしている。On the other hand, oxide superconductors are characterized by having a higher critical temperature of about 70 to 100 K than conventional metal / alloy-based superconductors, but have a short coherence length, crystal anisotropy, and oxygen content. It has characteristics that are difficult for electronic devices such as instability. This makes it extremely difficult to fabricate oscillators using tunnel-type Josephson junctions that have been attempted with metal-based superconductors.
【０００６】また、フラックスフロー型発振器の場合、
ジョセフソン接合の絶縁層に沿って磁場を印加しなけれ
ばならないが、薄膜を加工して超伝導イントリンシック
・ジョセフソン接合アレイ素子を作製した場合、超伝導
体の磁気シールド効果のために、外部から磁場を効率的
に接合に印加することが困難であった。In the case of a flux flow type oscillator,
A magnetic field must be applied along the Josephson junction insulating layer.However, when a thin film is processed to produce a superconducting intrinsic Josephson junction array element, an external Therefore, it was difficult to efficiently apply a magnetic field to the junction.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】超高周波発振器では、
液体窒素温度で使え、ミリ波・サブミリ波出力が大き
く、発振スペクトルの狭いことが要求される。金属・合
金系超伝導体を用いた発振器では使用温度が極低温（２
０Ｋ以下）に限られ、素子の冷却に多くのエネルギーを
必要とする。そのため安価に入手できる液体窒素または
液体窒素温度程度の冷却能力を有する冷凍機を用いて使
用できる発振器が求められている。また、従来型の金属
・合金系超伝導発振器では素子自身のインピーダンスが
小さいため、取り出せるミリ波・サブミリ波の出力が１
μＷ程度と弱く、さらに強い出力が得られる発振器が求
められている。ジョセフソン素子を用いた発振器の特性
として出力周波数がある一定の幅を持ち発振スペクトル
の幅が広い。そこで、よりスペクトル幅の急峻な可変周
波数発振器が求められている。SUMMARY OF THE INVENTION In an ultra-high frequency oscillator,
It is required that it can be used at liquid nitrogen temperature, has high millimeter and submillimeter wave outputs, and has a narrow oscillation spectrum. The operating temperature of an oscillator using a metal / alloy superconductor is extremely low (2
0K or less) and requires a lot of energy to cool the element. Therefore, there is a demand for an oscillator that can be used by using liquid nitrogen that can be obtained at a low cost or a refrigerator that has a cooling capacity about the temperature of liquid nitrogen. In the conventional metal / alloy-based superconducting oscillator, since the impedance of the element itself is small, the output of the millimeter wave and the submillimeter wave that can be extracted is one.
There is a demand for an oscillator that is as weak as about μW and that can obtain a stronger output. As a characteristic of an oscillator using a Josephson element, the output frequency has a certain width and the oscillation spectrum has a wide width. Therefore, a variable frequency oscillator having a steeper spectrum width is required.
【０００８】[0008]
【発明の目的】本発明は、異方性の大きい酸化物超伝導
単結晶または酸化物超伝導単結晶薄膜を用いたイントリ
ンシック・ジョセフソン接合アレイ素子発振器を直流電
気バイアス、磁場印加回路および出力用高周波回路、ま
たはアンテナと一体化した平面型高周波出力発振器を提
供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an intrinsic Josephson junction array element oscillator using a highly anisotropic oxide superconducting single crystal or an oxide superconducting single crystal thin film, a DC electric bias, a magnetic field applying circuit and an output. To provide a planar high-frequency output oscillator integrated with a high-frequency circuit for use or an antenna.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】上記目的の実現のため、
本発明による超伝導イントリンシック・ジョセフソン接
合アレイ素子発振器は、層状構造を持つ酸化物超伝導体
の電気的異方性を用いた固有（イントリンシック）のジ
ョセフソン接合に磁場を印加して、フラックスフロー型
高周波発振器として用い、高周波回路、直流電源回路と
一体化することを特徴とする。In order to achieve the above object,
The superconducting intrinsic Josephson junction array element oscillator according to the present invention applies a magnetic field to an intrinsic (intrinsic) Josephson junction using the electrical anisotropy of an oxide superconductor having a layered structure, It is used as a flux flow type high frequency oscillator, and is characterized by being integrated with a high frequency circuit and a DC power supply circuit.
【００１０】超伝導転移温度の高い酸化物超伝導のなか
で異方性の大きい酸化物超伝導結晶に形成されるイント
リンシック・ジョセフソン接合を用い、その接合の層状
結晶構造をそのまま厚さ方向の直列アレイ素子として利
用することによって、素子のインピーダンスが大きくな
ることより外部回路とのインピーダンス整合が実現で
き、また近接した素子がコヒーレント動作することによ
り出力が大きく、スペクトル幅が急峻になる。また、磁
場印加のための電流線を接合アレイと同一基板内に作り
込むことにより、効率的にジョセフソン接合へ磁場を印
加することが可能となり、より安定した出力が得られ
る。この電源・印加磁場回路、高周波回路の一体化によ
り集積化された小型平面型ミリ波・サブミリ波発振器を
実現することができる。In an oxide superconductivity having a high superconducting transition temperature, an intrinsic Josephson junction formed in an oxide superconducting crystal having a large anisotropy is used, and the layered crystal structure of the junction is directly used in the thickness direction. , The impedance of the element is increased, impedance matching with an external circuit can be realized, and the coherent operation of adjacent elements increases the output and sharpens the spectrum width. Further, by forming a current line for applying a magnetic field in the same substrate as the junction array, it is possible to efficiently apply a magnetic field to the Josephson junction, and a more stable output is obtained. A small planar millimeter-wave / sub-millimeter-wave oscillator integrated by integrating the power supply / applied magnetic field circuit and high-frequency circuit can be realized.
【００１１】[0011]
【作用】本発明においては層状構造を持つ酸化物超伝導
体の電気的異方性を用いた固有（イントリンシック）の
ジョセフソン接合に磁場を印加して、フラックスフロー
型高周波発振器として用い、高周波回路、直流電源回路
と一体化するように、層状酸化物超伝導体を加工するこ
とによって作製したイントリンシック・ジョセフソン接
合アレイと、絶縁体や電源供給・磁場バイアスのための
金属薄膜電流線を積層形成して一体化し、小型平面型ミ
リ波・サブミリ波発振器を実現する。According to the present invention, a magnetic field is applied to an intrinsic (intrinsic) Josephson junction using the electrical anisotropy of an oxide superconductor having a layered structure to be used as a flux-flow type high-frequency oscillator. Intrinsic Josephson junction array fabricated by processing layered oxide superconductor to integrate with circuit and DC power supply circuit, and metal thin film current line for insulator, power supply and magnetic field bias Laminated and integrated to realize a compact planar millimeter-wave / sub-millimeter-wave oscillator.
【００１２】また、フラックスフロー型発振器を実現す
るためには、イントリンシック・ジョセフソン接合の接
合部に効率的に磁場を印加する必要がある。平面型素子
に磁場を印加する場合、超伝導体の磁気遮蔽効果によっ
て、印加が困難か、または強い磁場が必要であった。そ
こで、超伝導層と非超伝導層が積層しているａ−ｂ平面
に添って磁場を印加するために、超伝導体表面に常伝導
金属薄膜電流線を有するようにする。すなわち長いメサ
（台形）構造の素子の近傍に磁気バイアス用電流線を配
置することにより、効果的に素子へ磁場印加ができ、ま
たメサ形状下の超伝導体の磁気遮蔽効果によって、接合
に平行に磁場が印加できる。In order to realize a flux flow type oscillator, it is necessary to efficiently apply a magnetic field to the junction of the intrinsic Josephson junction. When applying a magnetic field to a planar element, it is difficult to apply the magnetic field or a strong magnetic field is required due to the magnetic shielding effect of the superconductor. Therefore, in order to apply a magnetic field along the ab plane on which the superconducting layer and the non-superconducting layer are stacked, a normal metal thin film current line is provided on the superconductor surface. In other words, a magnetic field can be effectively applied to the element by arranging a current line for magnetic bias near the element having a long mesa (trapezoidal) structure, and the magnetic shield effect of the superconductor under the mesa shape allows the element to be parallel to the junction. Can apply a magnetic field.
【００１３】誘電体基板上に作製された超伝導もしくは
半導体を用いたミキサーと高周波回路を用いて接続され
た局部発振器として用いるイントリンシック・ジョセフ
ソン接合を用いて、高周波のヘテロダイン検波を行うこ
とによって、誘電体基板上に形成された超伝導ミキサー
または半導体ミキサーと高周波回路を用いて接続された
イントリンシック・ジョセフソン接合をヘテロダイン検
波用の局部発振器として用い、ミキサー入力とビートを
とることによって、１次および高次ハーモニックミキシ
ングを行い周波数検波を行うことができる。A high-frequency heterodyne detection is performed by using an intrinsic Josephson junction used as a local oscillator connected with a superconducting or semiconductor-based mixer fabricated on a dielectric substrate and using a high-frequency circuit. By using an intrinsic Josephson junction connected to a superconducting mixer or a semiconductor mixer formed on a dielectric substrate using a high-frequency circuit as a local oscillator for heterodyne detection, the mixer input and beat are taken. Frequency detection can be performed by performing second-order and higher-order harmonic mixing.
【００１４】また、イントリンシック・ジョセフソン接
合を有する超伝導結晶を用いた発振器の出力をインピー
ダンス変換器を介して、基板上のアンテナ（たとえばパ
ッチアンテナやスロットアンテナ）に接続するか、また
はマイクロストリップライン−導波管変換器、マイクロ
ストリップ−同軸変換器に導き外部アンテナ（たとえぱ
ホーンアンテナ）に接続することにより、イントリンシ
ック・ジョセフソン接合を有する超伝導結晶を用いた信
号をマイクロストリップラインを介して、フィルターバ
ンク、パッチアンテナ、マイクロストリップライン−導
波管軸変換器またはマイクロストリップ−同軸変換器を
通して外部アンテナに接続することにより外部に効率的
に高周波信号を放射することが可能になる。Further, the output of an oscillator using a superconducting crystal having an intrinsic Josephson junction is connected to an antenna on a substrate (for example, a patch antenna or a slot antenna) via an impedance converter, or a microstrip. A signal using a superconducting crystal having an intrinsic Josephson junction is transmitted to a microstrip line by leading a line-waveguide converter and a microstrip-coaxial converter and connecting to an external antenna (for example, a horn antenna). By connecting to an external antenna through a filter bank, a patch antenna, a microstrip line-waveguide axis converter or a microstrip-coaxial converter, a high-frequency signal can be efficiently radiated to the outside.
【００１５】以下、本発明を実施例に沿って説明する。Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples.
【００１６】[0016]
【実施例１】層状になったＢｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ8酸
化物超伝導単結晶薄膜１を通常のフォトリソグラフィの
手法を用いて、図１に示すような縦２０μｍ横２００μ
ｍ高さ１μｍのメサ（台形）型構造２を作製する。次
に、リフトオフの手法を用いてメサ構造の周辺部に絶縁
体３を蒸着しパターン化する。さらに磁場印加用の電流
線４と出力高周波伝達用のマイクロストリップライン
５、直流印加用電極６などを形成するために５０ｎｍ厚
さの金を蒸着して素子を形成する。電極間のコンタクト
抵抗を下げるために６００℃で１０分間酸素中でアニー
ルする。EXAMPLE 1 A layered Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 8 oxide superconducting single crystal thin film 1 was formed by a usual photolithography method as shown in FIG.
A mesa (trapezoid) type structure 2 having a height of 1 μm is prepared. Next, an insulator 3 is vapor-deposited on the periphery of the mesa structure using a lift-off technique and patterned. Further, in order to form a current line 4 for applying a magnetic field, a microstrip line 5 for transmitting an output high frequency, and an electrode 6 for applying a direct current, gold is deposited to a thickness of 50 nm to form an element. Anneal in oxygen at 600 ° C. for 10 minutes to reduce the contact resistance between the electrodes.
【００１７】このようにして作製した素子に直流電流を
流しながら磁場を印加すると、図２に示すようにイント
リンシック・ジョセフソン接合の非超伝導層中に取り込
まれた磁束量子７がローレンツ力を受けて（この場合は
上方に）動き、進行波型（フラックスフロー型）の発振
器として、ミリ波・サブミリ波を放出する。さらに、こ
の発振器とカップリングさせたマイクロストリップライ
ン５を通して高周波電磁波を外部に伝送する。このイン
トリンシック・ジョセフソン接合アレイ素子は、コヒー
レント動作により、従来のジョセフソン接合の合金型超
伝導接合を用いた発振器（最大出力１μＷ程度）に比
べ、約１〜２桁大きい出力と狭い半値幅を持った発振を
実現できた。また、印加磁場の大きさによって出力を変
えることができた。直流電源回路、高周波回路を組み合
わせることによって、アレイ素子から発生した高周波信
号を５０Ωの伝送線路に伝播し、外部回路に供給され
た。When a magnetic field is applied to the device fabricated as described above while applying a direct current, the magnetic flux quantum 7 incorporated in the non-superconducting layer of the intrinsic Josephson junction reduces the Lorentz force as shown in FIG. Upon receiving (in this case, moving upward), it emits a millimeter wave and a submillimeter wave as a traveling wave type (flux flow type) oscillator. Further, a high-frequency electromagnetic wave is transmitted to the outside through the microstrip line 5 coupled to the oscillator. This intrinsic Josephson junction array element has a coherent operation, which has an output that is about one to two orders of magnitude higher and a narrow half-value width compared to an oscillator using a conventional Josephson junction alloy-type superconducting junction (maximum output of about 1 μW). Oscillation with Further, the output could be changed depending on the magnitude of the applied magnetic field. By combining a DC power supply circuit and a high-frequency circuit, a high-frequency signal generated from the array element was propagated to a 50Ω transmission line and supplied to an external circuit.
【００１８】[0018]
【実施例２】図３に示す実施の形態について説明する。
図３は、異方性の大きい酸化物超伝導結晶の劈開片を絶
縁体基板上に固定し、通常のフォトリソグラフィーの手
法とリフトオフの技法で作製した単結晶イントリンシッ
ク・ジョセフソン接合アレイ素子を説明する図である。Embodiment 2 The embodiment shown in FIG. 3 will be described.
Fig. 3 shows a single-crystal intrinsic Josephson junction array element fabricated by fixing a cleaved piece of oxide superconducting crystal with large anisotropy on an insulator substrate and using normal photolithography and lift-off techniques. FIG.
【００１９】Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ8超伝導単結晶８
を用いた素子は、基板結晶を劈開した平清な面を基板面
として使うため実際の結晶薄片の大きさは最大で５×５
×０．１ｍｍ程度である。この劈開した結晶を誘電体基
板９に低温用エポキシ接着剤で固定し、実施例１で示し
たフォトリソグラフィーの手法を用いて加工し、絶縁層
を蒸着した後さらに、電極として使うための金薄膜を、
交流スパッタ装置を用いて５０ｎｍの厚さ蒸着する。そ
の後、コンタクト抵抗を下げるために６００℃で３０分
加熱する。このようにしてフラックスフロー型発振器を
作製した。Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 8 superconducting single crystal 8
In the device using, the size of the actual crystal flakes is 5 × 5 at the maximum because a clean surface obtained by cleaving the substrate crystal is used as the substrate surface.
× about 0.1 mm. The cleaved crystal is fixed to the dielectric substrate 9 with a low-temperature epoxy adhesive, processed using the photolithography method described in Example 1, an insulating layer is deposited, and further, a gold thin film for use as an electrode To
Deposition is performed to a thickness of 50 nm using an AC sputtering apparatus. Thereafter, heating is performed at 600 ° C. for 30 minutes to reduce the contact resistance. Thus, a flux flow type oscillator was manufactured.
【００２０】[0020]
【実施例３】図４に示す実施の形態について説明する。
図４はブリッジ形状の超伝導薄膜で作製された超伝導薄
膜ミキサーと異方性の大きい酸化物超伝導結晶を用いた
超伝導イントリンシック・ジョセフソン素子発振器を１
枚の誘電導体基板上に形成した例であり、イントリンシ
ック・ジョセフソン接合アレイ素子発振器を局部発振器
として、外部からの信号と混合してジョセフソン素子に
２つの信号の差分がマイクロストリップラインから出力
されることを説明するための図である。Embodiment 3 The embodiment shown in FIG. 4 will be described.
Fig. 4 shows a superconducting thin-film mixer made of a bridge-shaped superconducting thin film and a superconducting intrinsic Josephson oscillator using a highly anisotropic oxide superconducting crystal.
In this example, the intrinsic Josephson junction array element oscillator is used as a local oscillator, mixed with an external signal, and the difference between the two signals is output from the microstrip line to the Josephson element. It is a figure for explaining what is done.
【００２１】周波数を逓減さるミキサー車の局部発振器
としてイントリシック・ジョセフソン接合アレイ素子を
用いる。ミキサーは酸化物超伝導の弱結合を用いて作製
する。まず、ＭｇＯ誘電体基板の方位の異なる２枚の基
板を融着して作製した双晶基板１０上に基板温度７００
℃で直流スパッタ成膜装置を用いて形成された超伝導薄
膜を通常のフォトリソグラフィーの手法で幅５μｍ長さ
１０μｍのマイクロブリッジ１１を中央部に有する幅５
００μｍ特性インピーダンス５０Ωのマイクロストリッ
プライン１２を形成する。このときマイクロブリッジが
基板融着境界１３にかかるようにすることによって、弱
結合型のジョセフソン接合を作製することができる。こ
のマイクロストリップラインの一端へ、実施例２で説明
したイントリンシック・ジョセフソン接合アレイ素子か
らの高周波出力（周波数：ｆLO）と被測定信号源からの
高周波信号（周波数ｆs）を入力し、その周波数の差分
である中間周波数（ｆs−ｆLO）を得る。このアレイ素
子に発生した電磁波（局部発振）９８ＧＨｚと外部から
の信号１００ＧＨｚが、弱結合型ジョセフソン接合で混
合され、各周波数の差分２ＧＨｚが中間周波数成分（Ｉ
Ｆ信号）として観測された。このことから、イントリン
シック・ジョセフソン接合をヘテロダイン検波器の局部
発振器として用いることが可能であった。また、局部発
振器の周波数を主信号の１／２に相当する４９ＧＨｚ、
１／３に相当する３３ＧＨｚ、１／４に相当する１４．
５ＧＨｚなどの周波数を設定することによって、ハーモ
ニックミキシング（高調波成分による周波数低減化）も
可能であった。An Intrinsic Josephson Junction Array element is used as a local oscillator in a mixer car that steps down the frequency. The mixer is manufactured using a weak bond of oxide superconductivity. First, a substrate temperature of 700 was placed on a twinned substrate 10 produced by fusing two MgO dielectric substrates having different orientations.
A superconducting thin film formed using a DC sputtering film forming apparatus at a temperature of 5 ° C. was formed with a width of 5 μm and a width of 10 μm and a length of 10 μm at the center by a usual photolithography technique.
A microstrip line 12 having a characteristic impedance of 00 μm and 50Ω is formed. At this time, by making the microbridge overlap the substrate fusion boundary 13, a Josephson junction of a weak coupling type can be manufactured. A high-frequency output (frequency: f LO ) from the intrinsic Josephson junction array element described in the second embodiment and a high-frequency signal (frequency f s ) from a signal source to be measured are input to one end of the microstrip line. its obtain an intermediate frequency (f s -f LO) which is a difference frequency. An electromagnetic wave (local oscillation) of 98 GHz generated in the array element and an external signal of 100 GHz are mixed by a weakly coupled Josephson junction, and a difference of 2 GHz between the respective frequencies is an intermediate frequency component (I
F signal). From this, it was possible to use the intrinsic Josephson junction as a local oscillator of the heterodyne detector. Further, the frequency of the local oscillator is set to 49 GHz corresponding to half of the main signal,
13. 33 GHz corresponding to 1/3, 1/4
By setting a frequency such as 5 GHz, harmonic mixing (frequency reduction by harmonic components) was also possible.
【００２２】[0022]
【実施例４】図５は小型冷凍機を用いて冷やされた酸化
物超伝導薄膜を用いたイントリンシック・ジョセフソン
接合アレイ素子からのミリ波信号をインピーダンス変換
器を通して、ホーンアンテナに接続された指向性を持っ
た発振器を説明するための図である。Embodiment 4 FIG. 5 shows that a millimeter wave signal from an intrinsic Josephson junction array element using an oxide superconducting thin film cooled using a small refrigerator is connected to a horn antenna through an impedance converter. FIG. 3 is a diagram for explaining an oscillator having directivity.
【００２３】超伝導薄膜を用いたイントリンシック・ジ
ョセフソン接合アレイ素子を有する超伝導結晶１７に図
１で示したように、マイクロストリップラインで形成し
たインピーダンス変換部１６を通してマイクロストリッ
プライン−導波管変換器によって変換し、図５に示すよ
うにホーンアンテナ１４に導くによって、ミリ波信号に
方向性を持たせ一方向にのみ照射することのできる小型
冷凍機を用いた発振器が得られた。この時、マイクロス
トリップライン上でのミリ波の減衰量は大きいので、イ
ンピーダンス変換器１５はできるだけ小さくなるように
設計した。この発振器からの出力は、１００ＧＨｚ帯
で、約１０μＷであった。As shown in FIG. 1, a microstrip line-waveguide is passed through a superconducting crystal 17 having an intrinsic Josephson junction array element using a superconducting thin film through an impedance converter 16 formed of a microstrip line. An oscillator using a small refrigerator capable of giving directionality to the millimeter wave signal and irradiating the signal in only one direction was obtained by converting it by the converter and guiding it to the horn antenna 14 as shown in FIG. At this time, since the attenuation of the millimeter wave on the microstrip line is large, the impedance converter 15 is designed to be as small as possible. The output from this oscillator was about 10 μW in the 100 GHz band.
【００２４】[0024]
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば異
方性の大きい酸化物超伝導薄膜、または単結晶を用いた
超伝導イントリンシック・ジョセフソン接合アレイ素子
において、電圧又は印加磁場制御による可変周波数出力
ができ、かつ発振出力を設計が可能で、かつ各種高周波
用基板に使え、かつスペクトル幅の急峻なミリ波・サブ
ミリ波周波数の発振器を再現性良く作製することができ
る。As described above, according to the present invention, in a superconducting intrinsic Josephson junction array element using a highly anisotropic oxide superconducting thin film or a single crystal, voltage or applied magnetic field A variable frequency output can be obtained by control, and an oscillation output can be designed. Further, it can be used for various high-frequency substrates, and an oscillator of a millimeter-wave or sub-millimeter-wave frequency having a sharp spectrum width can be manufactured with high reproducibility.
【図１】本発明における異方性の大きい酸化物超伝導薄
膜を用いたイントリンシック・ジョセフソン接合アレイ
素子発振器の構成を説明する図。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an intrinsic Josephson junction array element oscillator using a highly anisotropic oxide superconducting thin film according to the present invention.
【図２】図１に於て素子への磁場の印加と磁束の動きを
説明するための図。FIG. 2 is a diagram for explaining the application of a magnetic field to the element and the movement of the magnetic flux in FIG.
【図３】他の実施態様の単結晶イントリンシック・ジョ
セフソン接合アレイ素子を説明する図。FIG. 3 is a diagram illustrating a single crystal intrinsic Josephson junction array element according to another embodiment.
【図４】他の実施態様の単結晶イントリンシック・ジョ
セフソン接合アレイ素子を説明する図。FIG. 4 is a diagram illustrating a single crystal intrinsic Josephson junction array element according to another embodiment.
【図５】他の実施態様の単結晶イントリンシック・ジョ
セフソン接合アレイ素子を説明する図。FIG. 5 is a diagram illustrating a single crystal intrinsic Josephson junction array element according to another embodiment.
１ 酸化物超伝導単結晶薄膜 ２ メサ構造部 ３ 絶縁体 ４ 磁場印加電流線 ５ 出力用マイクロストリップライン ６ 素子への電流線 ７ 磁束量子（フラックス） ８ 酸化物超伝導単結晶の劈開片 ９ 絶縁体基板 １０ 双晶絶縁体基板 １１ 酸化物超伝導体マイクロブリッジ部 １２ 酸化物超伝導体マイクロストリップライン １３ 基板融着部 １４ ホーンアンテナ １５ インピーダンス変換部 １６ 超伝導イントリンシック・ジョセフソン接合
アレイ素子部REFERENCE SIGNS LIST 1 superconducting oxide single crystal thin film 2 mesa structure 3 insulator 4 magnetic field applied current line 5 output microstrip line 6 current line to device 7 flux quantum (flux) 8 cleavage fragment of oxide superconducting single crystal 9 insulation Body substrate 10 Twin insulator substrate 11 Oxide superconductor micro bridge section 12 Oxide superconductor microstrip line 13 Substrate fusion section 14 Horn antenna 15 Impedance conversion section 16 Superconducting intrinsic / Josephson junction array element section
Claims (4)
方性を用いた固有（イントリンシック）のジョセフソン
接合に磁場を印加して、フラックスフロー型高周波発振
器として用い、高周波回路、直流電源回路と一体化する
ことを特徴とする超伝導イントリンシック・ジョセフソ
ン接合アレイ素子発振器。1. A magnetic field is applied to an intrinsic (intrinsic) Josephson junction using electrical anisotropy of an oxide superconductor having a layered structure, and the magnetic field is applied as a flux flow type high frequency oscillator. A superconducting intrinsic Josephson junction array element oscillator characterized by being integrated with a DC power supply circuit.
が積層しているａ−ｂ平面に添って磁場を印加するため
に、超伝導体表面に常伝導金属薄膜電流線を有すること
を特徴とする超伝導イントリンシック・ジョセフソン接
合アレイ素子発振器。2. A superconducting metal thin film current line is provided on a superconductor surface for applying a magnetic field along an ab plane in which a superconducting layer and a non-superconducting layer are laminated. A superconducting intrinsic Josephson junction array element oscillator characterized by the above.
れた超伝導もしくは半導体を用いたミキサーと高周波回
路を用いて接続された局部発振器として用いるイントリ
ンシック・ジョセフソン接合を用いて、高周波のヘテロ
ダイン検波を行うことを特徴とする超伝導イントリンシ
ック・ジョセフソン接合アレイ素子発振器。3. A high frequency circuit using an intrinsic Josephson junction used as a local oscillator connected to a mixer using superconducting or semiconductor fabricated on a dielectric substrate and using a high frequency circuit according to claim 1. A superconducting intrinsic Josephson junction array element oscillator characterized by performing heterodyne detection.
ョセフソン接合を有する超伝導結晶を用いた発振器の出
力をインピーダンス変換器を介して、基板上のアンテナ
に接続するか、またはマイクロストリップライン−導波
管変換器、マイクロストリップ−同軸変換器に導き外部
アンテナに接続することを特徴とする超伝導イントリン
シック・ジョセフソン接合アレイ素子発振器。4. The method according to claim 1, wherein an output of an oscillator using a superconducting crystal having an intrinsic Josephson junction is connected to an antenna on a substrate through an impedance converter, or a microstrip line is connected. A superconducting intrinsic Josephson-junction array element oscillator characterized by being guided to a wave tube converter, a microstrip-coaxial converter and connected to an external antenna.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9078904A JPH10256833A (en) | 1997-03-13 | 1997-03-13 | Superconductive intrinsic josephson junction array element oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9078904A JPH10256833A (en) | 1997-03-13 | 1997-03-13 | Superconductive intrinsic josephson junction array element oscillator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10256833A true JPH10256833A (en) | 1998-09-25 |
Family
ID=13674826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9078904A Pending JPH10256833A (en) | 1997-03-13 | 1997-03-13 | Superconductive intrinsic josephson junction array element oscillator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10256833A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001082387A1 (en) * | 2000-04-25 | 2001-11-01 | Japan Science And Technology Corporation | Resistance-shunt intrinsic josephson junction device and on-chip detector using it |
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| JP2006210585A (en) * | 2005-01-27 | 2006-08-10 | National Institute For Materials Science | New type terahertz oscillator using laminated josephson junction |
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-
1997
- 1997-03-13 JP JP9078904A patent/JPH10256833A/en active Pending
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