[논문 리뷰] High-gain weakly nonlinear flux-modulated Josephson parametric amplifier using a SQUID-array

Xin Zhou, Vivien Schmitt외 5명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2014. 09. 19.

Advanced Electrical Measurement Techniques인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비선형성을 감소시키고 포화 입력 전력과를 높이기 위해 8-SQUID 어레이를 사용한 고이득, 약간의 비선형성을 갖는 플럭스-모od룰레이티드 조지프슨 파라메트릭 증폭기를 제시한다. SQUID 어레이를 두 배의 공진기 주파수에서 파라메트릭 펌프링함으로써 장치는 31 dB의 이득, 20 dB 이득에서 −123 dBm의 1 dB 포화점, 그리고 60 MHz를 초과하는 이득-대역폭 곱을 달성하였으며, 단일 SQUID 설계 대비 향상된 다이내믹 레인지 성능을 입증한다.

ABSTRACT

We have developed and measured a high-gain quantum-limited microwave parametric amplifier based on a superconducting lumped LC resonator with the inductor L including an array of 8 superconducting quantum interference devices (SQUIDs). This amplifier is parametrically pumped by modulating the flux threading the SQUIDs at twice the resonator frequency. Around 5 GHz, a maximum gain of 31 dB, a product amplitude-gain x bandwidth above 60 MHz, and a 1 dB compression point of -123 dBm at 20 dB gain are obtained in the non-degenerate mode of operation. Phase sensitive amplification-deamplification is also measured in the degenerate mode and yields a maximum gain of 37 dB. The compression point obtained is 18 dB above what would be obtained with a single SQUID of the same inductance, due to the smaller nonlinearity of the SQUID array.

연구 동기 및 목표

• 이득 포화를 완화하기 위해 비선형성을 감소시킨 진정한 파라메트릭 조지프슨 파라메트릭 증폭기를 개발하기 위해.
• 단일 SQUID 대신 SQUID 어레이를 사용하여 포화 입력 전력을 높이기 위해, 어레이 크기와 비례하는 비선형성의 스케일링 특성을 활용하기 위해.
• 양자 읽기 응용을 위한 양자 한계에 가까운 조건에서 고이득 및 넓은 대역폭을 달성하기 위해.
• SQUID 어레이를 갖는 약간의 비선형성, 플럭스-모듈레이티드 LC 공진기에서의 파라메트릭 증폭 이론 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 증폭기는 인덕성이 8개의 초도체 양자 간섭 장치(SQUID) 어레이로 구성된 집중형 LC 공진기 기반이다.
• 공진기 주파수의 두 배에서 SQUID 어레이를 플럭스-모듈레이션함으로써 파라메트릭 증폭이 이루어지며, 이는 3웨이브 믹싱(ωP = ωS + ωI)을 가능하게 한다.
• 조지프슨 인덕성의 다수의 SQUID에 분산시킴으로써 비선형성을 최소화하고, 참가 비율 p를 감소시키며 고차 비선형성을 억제한다.
• 이론적 모델링은 파라메트릭 펌프링을 포함한 비선형 온도 방정정식을 사용하며, 조지프슨 비선형성 α1 ∝ p³/N² 및 감쇠 Γa = ωR/(2Q) 항을 포함한다.
• 실험적 특성 분석은 비균일 모드와 균일 모드에서 이득, 대역폭, 포화점을 측정하고 선형화된 이론과 비교한다.
• 펌프 및 신호 전력은 ±1 dB의 불확도로 校정되었으며, 이론 예측과 일치시키기 위해 데이터는 신호 기준 ±0.8 dB, 펌프 기준 −1.0 dB로 조정되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플럭스-모듈레이티드 조지프슨 파라메트릭 증폭기에서 단일 SQUID 대비 SQUID 어레이를 사용할 경우 비선형성과 포화 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 선형 모델이 약간의 비선형성 있는 파라메트릭 증폭기에서 이득, 대역폭, 1 dB 포화점을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 이득-대역폭 곱과 다이내믹 레인지 최적화를 위해 품질 계수 Q, 참가 비율 p, 어레이 크기 N 사이의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 신호 라인을 따라 펌프 누설이 없는 진정한 파라메트릭 증폭기가 최신 수준의 JPA 성능을 달성하면서도 더 높은 입력 전력 처리 능력을 갖출 수 있는가?

주요 결과

• 비균일 모드에서 5 GHz에서 최대 31 dB의 이득을 달성하였으며, 이득과 대역폭의 곱이 60 MHz를 초과하였다.
• 20 dB 이득에서 1 dB 포화점은 −123 dBm였으며, 동일한 인덕성의 단일 SQUID 증폭기 대비 18 dB 향상된 성능을 보였다.
• 측정된 이득과 대역폭는 선형 이론 모델과 양호한 일치를 보였으며, 이는 비록 본질적인 비선형성이 존재하더라도 설계 접근법의 타당성을 검증한다.
• 포화 전력은 N² 비례로 증가함을 확인하였으며, 이는 SQUID 어레이가 비선형성을 효과적으로 억제하고 다이내믹 레인지 확장을 가능하게 한다는 것을 뒷받침한다.
• 균일 모드에서는 위상 민감한 증폭이 최대 37 dB의 이득을 제공하였으며, 이는 장치가 양자 노이즈 압축 기능을 수행할 수 있음을 보여준다.
• 이론적 예측에 따르면 N ≈ 10, Q ≈ 10, p ≈ 0.25 조건에서 20 dB 이득에서 포화점 −100 dBm, 50 MHz 대역폭을 달성할 수 있을 것으로 예측된다.