[論文レビュー] High Saturation Power Josephson Parametric Amplifier with GHz Bandwidth

Ofer Naaman, Douglas Ferguson+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Advanced Electrical Measurement Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、3極帯域通過インピーダンスマッチングネットワークと40ジョセフソン接合のrf-SQUIDアレイ非線形素子を組み合わせることで、1.6 GHzを超える帯域幅と-90 dBmに近い飽和入力電力を持つ高飽和出力電力帯域幅広いジョセフソンパラメトリック増幅器を提案する。この設計により、最先端のJPAsおよびJPCと比較して帯域幅が50倍、飽和入力電力が100倍向上し、理論的モデルとWRSpiceシミュレーションの間で良好な一致が得られた。

ABSTRACT

We present design and simulation of a Josephson parametric amplifier with bandwidth exceeding 1.6 GHz, and with high saturation power approaching -90 dBm at a gain of 22.8 dB. An improvement by a factor of roughly 50 in bandwidth over the state of the art is achieved by using well-established impedance matching techniques. An improvement by a factor of roughly 100 in saturation power over the state of the art is achieved by implementing the Josephson nonlinear element as an array of rf-SQUIDs with a total of 40 junctions. WRSpice simulations of the circuit are in excellent agreement with the calculated gain and saturation characteristics.

研究の動機と目的

• ジョセフソンパラメトリック増幅器（JPA）およびジョセフソンパラメトリックコンバーター（JPC）における帯域幅と飽和入力電力のトレードオフを克服すること。
• 高利得（22.8 dB）と広帯域（>1.6 GHz）を実現しながらも、高い飽和入力電力を維持すること。
• 高電力レベルに耐えうる非線形素子を実装し、-90 dBmに近い入力電力で飽和を起こさずに動作可能にすること。
• インピーダンスマッチング技術が、大規模な接合数を要せずともJPAアーキテクチャの帯域幅を顕著に拡張可能であることを示すこと。
• ポンプスターモデルを用いた解析的モデリングとWRSpiceにおける完全非線形回路シミュレーションを組み合わせて設計を検証すること。

提案手法

• 非線形素子を50 Ωにインピーダンスマッチングするため、3極結合共振器帯域通過マッチングネットワークを設計し、利得と帯域幅を最大化する。
• 40個のrf-SQUIDを並列アレイとして実装し、各接合に臨界電流と低インダクタンスシャントを設けることで位相スリップを防止し、電力処理能力を向上させる非線形アクティブ素子を構築する。
• ポンプスターモデルを用いて有効アドミittance Y_sq(ω) を計算し、所望の利得と帯域幅を達成するためのポンプ振幅およびdcフラックスバイアスを決定する。
• ボーデ＝ファンおよびクーハ＝パテルソン理論を適用し、最大達成可能な利得×帯域幅積を上限付け、マッチングネットワークの設計を支援する。
• WRSpiceを用いてトランジェント解析とI-Qデモジュレーションを実行し、全非線形回路をシミュレートして反射係数を抽出し、利得および飽和特性を測定する。
• ポンプ枯渇飽和モデルに基づく理論的予測とSPICEシミュレーション結果を比較し、飽和入力電力の推定値を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インピーダンスマッチング技術を用いることで、通常10 MHz程度のリソナントJPAおよびJPCの限界を超えて、ジョセフソンパラメトリック増幅器の帯域幅を顕著に拡大可能か？
• RQ2 40接合のrf-SQUIDアレイ非線形素子は、-90 dBmに近い飽和入力電力を達成でき、高入力電力下でも利得圧縮を起こさずに動作可能か？
• RQ3 ポンプスターモデルにポンプ枯渇飽和メカニズムを組み込んだ場合、完全回路シミュレーションと比較して、増幅器の大型信号動作をどれほど正確に予測できるか？
• RQ4 3極マッチングネットワークと高電力非線形素子の組み合わせが、最先端デバイス比で50倍の帯域幅拡大と100倍の飽和入力電力向上を実現するメカニズムは何か？
• RQ5 実際の1 dB圧縮点は何か？ また、ポンプモードにおけるエネルギーバランスに基づく理論的予測と比較するとどうなるか？

主な発見

• ポンプスターモデルを用いた計算では、3 dB帯域幅が1.63 GHz、最大利得が22.8 dB、利得リップルが0.74 dBを達成した。
• WRSpiceを用いた全非線形回路シミュレーションは理論的予測と良好に一致し、利得応答と帯域幅が確認された。
• シミュレートされた飽和入力電力（1 dB圧縮点）は-92.2 dBm、ポンプ枯渇モデルによる予測値は-91 dBmであり、シミュレーションと理論の間に強い一貫性が確認された。
• 最先端のJPAおよびJPCと比較して、帯域幅が50倍向上した。これらは通常約10 MHz帯域幅で動作する。
• 最先端デバイスと比較して、飽和入力電力が100倍向上した。これらは通常-110 dBm未満で飽和する。
• 必要なポンプ振幅は1接合あたりΦ_ac = 0.073 Φ₀（全合計で2.93 Φ₀）、dcフラックスバイアスは中心周波数でR_sq = -9.15 Ωを達成するように最適化された。