JPS5988884A - ジヨセフソン接合素子を用いた光検出装置 - Google Patents

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】 本発明は、ジ、′］Ｌ！フソン接合集子を用いた〉に検
出装溜に関りる。

ジョセフソン接合素子を用いた光検出装置として、従来
、第１図を伴なって次に述べる構成を右するものが提案
されている１゜ すなわち、１つのまたは互に直列に接続された複数のジ
ョセフソン接合素子１でなるジョセフソン接合素子回路
２を右する。

ｊ：た、ジ′−ＩＩ？フソン接合素子回路２に、必要に
応じて抵抗３を通じて、駆動用電流１ｓを供給する、電
流源４を右する。

さらに、ジョセフソン接合索子回路２の両端間の電圧Ｖ
Ｓを検出する、例えば抵抗６で４する電圧検知手段５を
右する。

なお、ざらに、ジョセフソン接合索子回路２のジョセフ
ソン接合素子１に光７を照射する、例えば光信号源９で
なる光照射手段８を右する。

以」−が、従来提案されている、ジョセフソン接合素子
を用いた光検出装置の構成である。

このような光検出装置の構成によれば、ジョセフソン接
合素子回路２に、電流源５から駆動用１１う流雷流Ｉｓ
を供給している状態Ｃ、ジョセフソン接合素子回路２の
ジョセフソン接合素子１に、光照射手段８からの光７が
照Ｑ４されていない状態から、ジョセフソン接合素子回
路２のジョセフソン接合素子１に、光照射手段８からの
光７が照θ・１されれば、ジョセフソン１ｇ合素了回路
２の両端間に電Ｅ’、　Ｖ　ｓが発生１．、また、この
Ｊ、うな状態から、ジョセフソン接合素子回路２のジョ
セフソン接合素子１に、光照射手段８からの光７が照射
されなくなれば、ジ］ｆ：！フソン接合素子回路２の両
端間に、電圧ＶＳｈ＜発生しなくなる。

その理由は次のどおりである。

一般に、ジョセフソン接合素子は、ジョセフソン接合素
子に供給される電流（これを一般に１とづる）に対する
、ジョセフソン接合素子の両端間の電ｆｆ　（これを一
般にＶとする）の関係が、第２図に示すように、ヒステ
リシス特性ｉ性をテする。

す４Ｔわち、電流■を零から大ぎな値に変化（′８せた
場合、その電流Ｉが臨界電流ど称される値（これをｌｃ
とする）に達するまでは、電圧Ｖが零である。しかしな
がら、電流■が値１ｃに達すれば、電圧Ｖが比較的大き
な値（これをＶＣとする）になり、また、電流Ｉが値Ｉ
ｃ以上の値になれば、その電流Ｉの値に応じて電圧Ｖが
値Ｖｃより大きな値になる。

また、電流Ｉを、値１ｃよりも大きな値から、小ざな値
に変化させた場合、その電流■が値ＩＣより小さな値（
これをＩ　（ｌとする）に達するまでは、その電流Ｉの
値に応じて、電圧Ｖが、値ＶＣよりも大きな値から、小
さな値になる。

しかしながら、電流Ｉが値１ｄに達すれば、電圧Ｖが零
になり、また電流Ｉが値１６以下の値になれば、電ＩＴ
Ｅｖが零を保つ１゜ また、一般に、ジョセフソン接合素子は、第２図で上述
したように、ヒステリシス特性を〒するが、そのヒステ
リシス特性は、ジョセフソン接合素子に光が照射されて
いる場合と、ジョセフソン接合素子に光が照射されてい
ない場合３− と７、ト）ホした電流］の値１ｃ及び（（、ｌ　（Ｃ４
（、’ｌ　、’！４をイＪする。

１「イ「わＩう、ジ」レフソン接合素子に光が照射され
でいない場合の、上述した電流１の植）Ｃ及びｌ　ｔｌ
をぞれイ゛れＩｃ　ｌ及びＩｄ′、ジ・Ｉレフソン接合
索了に光が照射されている場合の、に述しＩ、：電流Ｉ
の値１ｃ及びＴｄをそれぞれＩＧ　Ｔｒ及びＩｄ″とす
れば、ジョセフソン接合素子に光が照射されてい（Ｈい
場合の上述したヒステリシス特性を示している第３図、
及びジョセフソン接合木ｒに光が照射されでいる場合の
上述したヒステリシス特性を示している第４図から明ら
かな３１、うに、ＩＣ′及びＩＣ″についてのみみたと
き、Ｉ　ｃ　Ｉ　＞　Ｉ　ｃ　ＩＩの関係を右７１−る
。

従つＣ１第１図に示す従来の光検出装置の構成において
、上述したジョセフソン接合素子回路２に、電流源４か
ら供給する駆動用電流ＩＳの値を、」−述したｌ　ｃ　
ｌ及びＩ　Ｃ７１間の中間の値〈これを１ｍと１−る）
にして置けば、ジ・１１？４− ノソン接合素子１に、光照射手段８からの光７が照射さ
れていない場合、ジョセフソン接合素子１が第３図に示
すヒステリシス特性を有するので、ジョセフソン接合素
子１の両端間に電圧ＶＳが発勺しない。しかしながら、
このような状態から、ジョセフソン接合素子１に光７が
照射されれば、ジョセフソン接合素子１のヒステリシス
特性が、第３図に示すヒステリシス特性から、第４図に
示すヒステリシス特性になるので、ジョセフソン接合素
子１の両端間に、電圧ＶＳが、電流Ｉｓの値１ｍに応じ
た値Ｖｍで発生する。

よって、第１図に示す従来の光検出装置の構成によれば
、ジョセフソン接合素子回路２に、電流源４からの駆動
用電流１ｓを供給している状態で、ジョセフソン接合素
子回路２のジョセフソン接合素子１に、光照射手段８か
らの光７が照射されていない状態から、ジョセフソン接
合素子回路２のジＢ　ｔフソン接合素子１に光７が照射
されれば、ジョレフソン接合糸子回路２の両端間に、電
圧ＶＳが値Ｖ　ｍで発生し、またこのよう＜、７状態か
ら、ジョセフソン接合索了１に光照１１１源８からの光
７が照θ・１されなくなれば、ジル−ノソン１５２合集
子回路２の両端間に、電Ｌ１ｖＳＩ）＜発生しむくなる
。　上述したところから、第１図１：、　’ｔ（＜す、
従来のジョセフソン接合索了を用いた光検出）！−閘の
構成によれば、ジョセフソン接合素子回路２０両端間に
、電Ｆｒ　Ｖ　Ｓが発（１１）でいるか、発生していな
いかによって、光照射１段８からの光を、電圧検知手段
５で検出り−ることができることが明らかｒある。

従つで、第１図に示す光検出装置の構成によれば、光検
出装置として動性４る。

しかしながら、第１図に示Ｊ従来の光検出装置の場合、
Ｊ−述したように、ジョセフソン接合素子回路２に供給
する駆動用電流ｉｓを、［−述しｌこ（ｉｔｉ　Ｉｃ　
′　と値１　ｃ　″との中間の値１ｍをイ１するものに
設定しなければなら４Ｔい、という制限を右Ｊる。

また、第１図に示乃従来の光検出装置の場合、ジョセフ
ソン接合素子回路２に供給する駆動用電流１ｓの値１ｍ
を決定する、上述した値Ｊｃ′と値７　、　ＩＩどは、
それら間に大きな差があることが望ましい。

その狸由は、上述した駆動用電流ｉｓの値■ｍを、上述
した光検出装置としての動作に誤動作を伴わ甘ることの
ない余裕を持って、容易に設定することができるからで
ある。

しかしながら、第１図に示す従来の光検出装置の場合、
上述した値７　ｃ　Ｉ　と値１　ｃ　ＩＩとの間の差を
大きくするには、ジョセフソン接合素子１に供給する、
光照射手段８からの光７を大きな強度を有するものにす
る必要がある。

従って、第１図に示す従来の光検出装置の場合、高い悪
疫で、光検出装置としての動作を得ることができない、
という欠点を有していた。

よって、本発明は、上述した欠点のない、新規な、ジョ
セフソン接合素子を用いた光検出装置を提案μんとする
ものである。

７− 第５図は、本発明によるシフ＋レフソン接合累了を用い
た光検出装置の一例を示す。

第５図において、第１図との対応部分には同一　符シシ
イ（イ・］　ず。

第５図に示１本発明によるジ」ヒフソン接合累了を用い
た光検出装置の一例は、次に述べる構成を右する。

’Ｊ”ｅＫわち、第１図で−Ｆ述した従来の光検出装置
の場合と同様に、１つのまたは互に直列に接続された複
数のジョセフソン接合素子１でなるジョセフソン接合素
子回路２を有する。

この場合、ジ」レフソン接合素子１として、特願昭５６
−１１８２１号で超伝導体素子として提案しているジョ
セフソン接合素子を用いるを可とする。

また、ジョセフソン接合素子回路２に必要に応じて抵抗
３を通じて、制御用電流ｒｂを供給する電流源４′を有
する。

さらに、ジョセフソン接合素子回路２のジョセフソン接
合素了１に、子のジョセフソン接合８− 素子１０両端間に電圧■ｒを発生さける電磁波１０を照
射させる、電磁波源１１を含む電磁波照射手段１２を右
する。

また、ジョセフソン接合素子回路２の両端間の電圧Ｖｒ
を検出する、例えば抵抗６でなる電圧検知手段５を有す
る。

さらに、第１図で上述した従来の光検出装置の場合と同
様に、ジョセフソン接合素子回路２のジニＩＬ！フソン
接合素子１に光７を照射する、例えば光信号源９を含む
光照射手段８を有する。

以上が、本発明によるジョセフソン接合素子を用いた光
検出装置の一例構成である。

このような光検出装置の構成によれば、ジョセフソン接
合素子回路２のジョセフソン接合素子１に、電磁波照射
手段１２からの電磁波１０を照射している状態で、ジョ
セフソン接合素子回路２のジコはフソン接合素子１に、
光照射手段８からの光７が照射されていない場合、ジョ
セフソン接合素子回路２の両端間に、電圧ｙｓが介／ｌ
−しているが、このＪ、う４丁状態から、ジ」セフソン
接合素子回路２のジョセフソン１８合索了１に、赤黒ｑ
・１丁段８からの光７が照Ｑ＝Ｉされれば、ジョセフソ
ン接合素子回路２の両端間に、電１．ｉＶｓが介’ｌシ
ｌ’ｆ、　＜イ１す、８１、た、この、１′）イ丁状態
１）ｒ　＋ら、シーＩＬ！フソン接合累了回路２のジー
１［どノソン接合合糸１に、赤黒用１段Ｆ３からの光７
が照ｑ・１されなく　＜’Ｉ−れば、ジ、−ルフソン１
８合素了回路２の両端間（Ｊ電ｆｉＶｓが発１１−りる
。

その叩ｌ１１（。ｊ、次のとおりである。

一般に、ジ」Ｉニラ１ノン接合糸了に、電磁波を１（ｊ
　Ｑ・１すれば、イの両端間に電ｊ−１（これを一般（
ＪｖｒどＪ−る）が１「の（１白ｖｐまたは（１の（１
０Ｖ　１１で゛発］１−する１、 また、　般に、ジ・ルフソン接合累了は、１−述し！、
＝ように電磁波が照ｆ３−１され（、ジョセフソン接合
幸了の両端間に電）ｔ　Ｖ　ｒが発（１している状態で
、■つ光が型用されＣいない状態で、ジー１セフソン接
合索了に供給１」る電流（これを一般にｌとする）にλ
１？ノーる、ジー１セフソン接合累子の両端間の電圧（
これを一般にＶとする）の関係が、９１６図に示すよう
に、ヒスプリシス特性を甲する。

すなわち、ジー＋１７ソン接合素子の両端間に、電［Ｖ
ｒが正の値Ｖｐで発生している状態で、１−Ｆつ光が照
射されてい４τい状態Ｃ１電１■Ｖが、電圧Ｖｒの正の
値ｖｐを保っている。　また、ジ］＃：！フソン接合素
了の両端間に、電ＪＴＶｒが正の値Ｖｐで発生１ノでい
る状態で、目つ光が照射されてい４Ｔい状態で、電流Ｉ
を負方向に人なる値に変化させｌ〔場合、その電流１が
ある負の値（これをｌｎどする）に達するまでは、電圧
Ｖが、電圧Ｖｒの正の値ｐを保っている。しかしながら
、電流■が値ｉｎにｊヱずれば、ジョセフソン接合素子
の両端間の電圧Ｖ　ｒが負の値ｖ０で発〈１：Ｊ−る状
態になり、このため電Ｌ［Ｖが、電圧Ｖｒの負の値Ｖ　
ｎになり、また、電流Ｉがｆ）方向に値１合以上の値に
なれば、電圧Ｖが、電圧Ｖｒの０の値ｖｎを保つ。

さらに、ジョセフソン接合素子の両端間の雷−１１− １］、　Ｖ　ｒがｆｌの値Ｖ　ｒ＋で発（１−シている
状態で、Ｈつ光が照Ｉｌｌさトしていない状態で、電流
Ｉを負方向に人５■イＴ　（ｌｒｌ　ｋ−、変化す’Ｌ
！　タロ４合、ｌ：　ｊｌ　シ１：　に　ウに、電１１
ｖが、電圧Ｖ　ｌ’　（７）　Ｏ’Ｊ　１７）　値Ｖ　
１１ヲ保ツ’−Ｃいる。

ま１．Ｘ、ジー１７ソン接合木了の両幅：間の電圧Ｖ　
ｒがｆｌの値ｖｎ′Ｃ−発４Ｆ、　ｌノ’ＴＪ　イる状
態Ｃ゛、［）光が照ＩＪ＝Ｊされ（いない状態で、電流
ＩをＩＦ力方向人なる１直に変化さＩ！た場合、その電
流がある１１の１ｆ１（こねをｌｎとする）に達づ−る
まで′は、電圧＼ｌが、電圧Ｖｒの角の値Ｖｎを保つ（
いる。

しかしながら、電流Ｉが値Ｉ１１に達覆れば、ジー１１
ご一ノソン接合素子の両端間の電圧Ｖ　ｒが正の値Ｖｐ
で発１１する状態になり、このため、電圧Ｖが、電ｆｆ
Ｖｒ　）市ノ１ｌｒｌｐ　ニなり、マタ、電流Ｉが正方
向に値１０以上の値になれば、電圧Ｖが、ｌＪＴＶＩＭ
７）正（’）ｌｌｌｌＶｐｆ保つ。

ざら（Ｊｌ、一般に、ジー１セフソン接合素子は、上ｊ
ホしたよ′うに電磁波が照ｔｌ−１されて、ジョセフソ
ン接合素子の両端間に電Ｈ，Ｖ　ｒが発／１しでい１２
− る状態で、且つ光が照射されていない状態では、ジョセ
フソン接合素子に供給覆る電流■に対する、ジョセフソ
ン接合素子の両り：ｉ間の電圧■の関係が、第６図に示
すように、ヒスラリシス特性を？するが、電磁波が照射
されて、ジョセフソン接合素子の両端間に電圧Ｖｒが発
生している状態で、且つ光が照射されている状態では、
ジョセフソン接合素子に供給する電流Ｉに対する、ジョ
セフソン接合素子の両端間の電圧Ｖの関係が、８ｉ′１
７図に示すように、電流■を零から１「方向の大なる値
に変化させれば、電圧Ｖが零から正方向の大ぎな値に変
化し、また電流を、零から負方向の大きな値に変化させ
れば、電圧Ｖが零から負方向の大きなＩａに変化する特
性を？する。従ってヒステリシス特性を呈しない。

従って、第５図に示す本発明による光検出装置の一例構
成において、ジョセフソン接合素子回路２のジョセフソ
ン接合素子１に、電磁波黒用手段１２からの電磁波１０
が照射されている状態で、［１′〕尤照川丁用８からの
光７が照０４され−（いｌｃい状態で、ジョセフソン１
８合２．イ１「１［路２（Ｊ、電流源１′から制御電流
１　ｂを１述した１！ｔ’ｔ１１１にｔた（９１、Ｉｎ
）以−［Ｑ）１直で、供給Ｌ／　Ｔカう、制御電流１ｂ
を供給し４ｒい状態に１れぽ、この場合、ジコレフソン
１ｔｆ′−１県了１の電流ｌに対暖ろ、゛電１ｆ＼／の
関係が第６図に、ｉすじスフリンス１．°１竹含右りる
ので・、ジョヒフソン接合集子１１１１路２の両端間に
、電Ｊ−ｒ　Ｖ　Ｓが、−１述した電圧Ｖ　ｒの１直Ｖ
ｐ（，１、た【、１、Ｖｎ　）　ニ対応ｔ６４ｔ’ｆ　
（−Ｒ牛りる。しかしながら、このような状態から、ジ
ー１セノソン接合素子１に、光７が照射されれば、この
場合、ジールノソン１η合素了１の電流１（一対重る、
電１−Ｔ’　Ｖの関係が、第７図に示づｖ１＋’ｌ−’
６・右し、また、この場合、制御電流１１１が零て゛あ
るので、ジョセフソン接合素子回路２の両端間に、電ｆ
ｆ　Ｖ　Ｓが発生し４Ｔい９゜ま−）で、第５図に示η
本発明による光検出装置の一例構成に」、れば、ジ・１
【？フソン接合素了回路２のジョセフソン接合素子１に
、電磁波照射手段１２　ｈｓ　＋らの電磁波１０を照射
している状態で、ジ・］セフソン接合素子１に、光照射
手段８からの光７が照射されていない場合、ジ：Ｊｌ？
−ノソン接合素子回路２の両端間に、電圧ＶＳが値Ｖｌ
）　　（また４、１；Ｖｌｌ）で発生しているが、この
ような状態から、ジョセフソン接合素子１に、光照射手
段８からの光７が照射されれば、ジョセフソン接合素子
回路２０両端間に、電ＩＪ：　Ｖ　ｓが発生しなくなり
、また、このような状＠　ｊ）ｓ　＋ろ、ジー１セノソ
ン接合素子１に、光照射手段８からの）Ｋ７が照射され
なくなれば、ジョセフソン接合素子回路２の両端間に、
電圧Ｖｓが発（！する。

上述したところから、第５四に示す、本発明ににるジョ
セフソン接合素子を用いた光検出装置の一例構成によれ
ば、ジョセフソン接合素子回路２の両端間に、電圧Ｖｓ
が発生しているか、発生していないかにＪ、って、光照
射手段８からの光を、電圧検知手段５で検出することが
できることが明らかである。

１５− 従一）で、第５図に示す、本発明によるジー１セノソン
接合索了を用いた光検出装置の一例１　＋ｆ４成にＪ、
れげ、第１図で上述しＩこ従来の光検出装置の場合と同
様＋３１光検出装四として動作する、。

しかしｌ「がＩ−′）、第５図【こ示す本発明に、１：
る光検出装置の場合、第１図で−１−述した従来の光検
出’ｇ　ｆｊ　ａ）場合に用いた駆動用電流ＩＳのよ）
な電流を、ジＦ１ｔ？フソン接合索了回路２に供給にＪ
−る必要がない。なお、上述においては、ジー」ヒフソ
ン接合素子回路２に制御用電流１ｈを供給するとすると
して述べたが、その制御用電流（］ｌは、）に検出装置
を動作状態にする頭初において、ジョセフソン接合素子
１に電磁波照射手段１２／］冒らの電磁波１０を照射し
−Ｃいる状態て゛、ジー１セノソン接合素子１の両幅：
間の電圧Ｖｒ４、正の（ＩＴＩＶｐ′ｃ−発生させるか
、ｆ）（７）値ｖｎ　ｒ介４さ［（るかを決めるために
用いているものであり、必ヂし１）必要どしイｒい、１ また、第５図に承り本発明による光検出装置の場合、ジ
ー＋−Ｌ！フソン接合索了１に光熱０４手段１６− ８からの光７が照射されていない場合に、ジョセフソン
接合素子１の電流Ｉに対する、電圧Ｖの関係が、第６図
に示すようなヒス７リシス特性を呈することと、ジョセ
フソン接合素子１に光照射手段８からの光７が照射され
Ｃいない場合に、ジョセフソン接合素子１の電流１に対
する電圧Ｖの関係が、第７図に示すＪ：うなヒステリシ
ス特性を呈しない特性を♀することとを利用している。

従って、第５図に示す本発明による光検出装置によれば
、高い感度で、光検出装置としての動作を得ることがで
きる、という大きな特徴を右する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の、ジョセフソン接合素子を用いた光検
出装置を示す接続図である。 第２図は、ジョセフソン接合素子の、一般的な、電流■
に対する電圧Ｖの関係を示す図である。 第３図は、ジョセフソン接合素子に光が照則され（いイ
ｉ−い場合の、ジ］レフソン接合系了の、電流１に対１
フる電圧Ｖの関係を示す図である。 第４図（３Ｌ、シ二量トノソン接合素了に光が照射され
くいる揚台の、ジョレフソン接合素子の、電流ｒ　［７
（＝１　・する′ｒｒ：Ａ圧Ｖの関係を示す図である。 第５図は、本発明による、ジ＝ｊＬ）フソン接合本ｒ４
用い！、）Ｙ、検出装置の一例を示す接続図である、。 第６図は、ジ〕レフソン接合系了に電磁波が照射されて
いる状態で、［Ｆつ光が照射されていない状態での、ジ
ー］Ｌ１７フソン接合累了の、電流ｌに対りる電圧Ｖの
関係を示す図である。 第７図は、ジョレフソン接合索ｒに７■（磁波が照射さ
れ（いる状態で・、口つ光が照射されでいる状態（・の
、ジ゛１Ｌ７フソン接合索了の、電流Ｉに対Ｊる電圧Ｖ
の関係を示（ｊ−図で゛ある。 １・・・・・・・・・・・・・・・・・・ジ・ルフソン
接合素子２・・・・・・・・・・・・・・・・・・ジョ
レフソン接合素子回路１９− ３・・・・・・・・・・・・・・・・・・抵抗／Ｉ、　
／ｌ’・・・・・・・・・電流源５・・・・・・・・・
・・・・旧・・電圧検知手段６・・・・・・・・・・・
・・・・・・・抵抗７・・・・・・・・・・・・・・・
・・・光８・・・・・・・・・・・・・・・・・・光照
射′ｆ、段９・・・・・・・・・・・・・・・・・・光
信号源１０・・・・・・・・・・・・・・・電磁波１１
・・・・・・・・・・・・・・・電磁波源１２・・・・
・・・・・・・・・・・電磁波照射手段出願人　　日本
電信電話公社 ２０−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １つの２１には互に直列に接続されＩＣ複数のジ」レフ
   ソン接合素子で・なるジョセフソン接合索子回路と、 一１記ジー１セ−ノソン接合累了回路のジ・１ゼフソン
   接合素子に、当該ジョセフソン接合素子の両端間に電１
   ■を発（ｌ−さｌる電磁波を照射さμる、電磁波照ｑ・
   １丁段と、 １記ジ−ルノソン接合素子回路の両端間の電圧を検知で
   る電圧検知手段と、 十配ジＢルフソン接合素了回路のジ・１セフソン接合累
   了（、光を照射する光照射手段とを右することを特１’
   ７／−づるジ」セフソン接合累了を用いた光検出装置。