[논문 리뷰] High Saturation Power Josephson Parametric Amplifier with GHz Bandwidth

Ofer Naaman, Douglas Ferguson외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 31.

Advanced Electrical Measurement Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 3극대역통과 임피던스 매칭 네트워크와 40개의 접합을 가진 rf-SQUID 어레이 비선형 소자를 조합하여 1.6 GHz 이상의 대역폭과 -90 dBm에 가까운 포화 전력을 갖는 고포화 전력의 광대역 조지프슨 파라메트릭 증폭기를 제시한다. 이 설계는 최신 JPA 및 JPC 기술에 비해 대역폭은 50배 향상되고 포화 전력은 100배 향상되었으며, 이론적 모델링과 WRSpice 시뮬레이션 간에 뛰어난 일치를 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 조지프슨 파라메트릭 증폭기(JPA) 및 조지프슨 파라메트릭 컨버터(JPC)에서 대역폭과 포화 전력 간의 상충 관계를 극복하기 위해.
• 높은 이득(22.8 dB)과 넓은 대역폭(>1.6 GHz)을 확보하면서도 높은 포화 전력을 유지하기 위해.
• 높은 전력 수준에 견딜 수 있는 비선형 소자를 구현하여 -90 dBm에 가까운 입력 전력에서도 포화 없이 작동할 수 있도록 하기 위해.
• 임피던스 매칭 기술이 대규모 접합 수를 요구하지 않고도 JPA 아키텍처의 대역폭을 크게 연장시킬 수 있음을 입증하기 위해.
• 펌프스토리 모델을 사용한 분석적 모델링과 WRSpice에서의 전체 비선형 회로 시뮬레이션을 통해 설계를 검증하기 위해.

제안 방법

• 비선형 소자를 50 Ω로 임피던스 매칭하기 위해 3극 커플드 레지온터 밴드패스 매칭 네트워크를 설계하여 이득과 대역폭을 최대화하기 위해.
• 각 접합의 임계전류와 저유도 병렬 쇼트를 갖춘 40개의 rf-SQUID 어레이를 병렬로 구성하여 위상 슬립을 방지하고 전력 처리 능력을 향상시키는 비선형 활성 소자를 실현하기 위해.
• 펌프스토리 모델을 사용하여 효과적 어드미ittance Y_sq(ω)를 계산하고, 필요한 펌프 진폭과 DC 플럭스 비스를 설정하여 목표 이득과 대역폭을 달성하기 위해.
• Bode-Fano 및 Kuh-Patterson 이론을 적용하여 최대 이득-대역폭 곱의 이론적 한계를 도출하고 매칭 네트워크 설계를 안내하기 위해.
• WRSpice에서 일시적 분석과 I-Q 디모듈레이션을 사용하여 전체 비선형 회로를 시뮬레이션하고 반사 계수를 추출하며 이득과 포화 특성을 측정하기 위해.
• 펌프 소모 포화 모델에 기반한 이론적 예측과 SPICE 시뮬레이션 결과를 비교하여 포화 전력 추정치의 타당성을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임피던스 매칭 기술이 전형적인 레지온트 JPA 및 JPC의 10 MHz 한계를 초월해 조지프슨 파라메트릭 증폭기의 대역폭을 크게 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 40개의 접합을 가진 rf-SQUID 어레이 비선형 소자가 -90 dBm에 가까운 포화 전력을 달성하여 높은 입력 전력에서도 이득 압축 없이 작동할 수 있는가?
• RQ3 펌프스토리 모델에 펌프 소모 포화 메커니즘을 적용한 결과가 전체 회로 시뮬레이션과 비교해 큰 신호 행동을 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ4 3극 매칭 네트워크와 고전력 비선형 소자의 조합이 최신 기술 대비 대역폭 50배 향상과 포화 전력 100배 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 실제로 증폭기의 1 dB 압축 포인트는 얼마이며, 펌프 모드에서의 에너지 균형 기반 이론적 예측과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 펌프스토리 모델을 사용한 계산에 따르면 증폭기는 3 dB 대역폭 1.63 GHz, 최대 이득 22.8 dB, 이득 리플 0.74 dB를 달성한다.
• WRSpice에서의 전체 비선형 회로 시뮬레이션 결과는 이론적 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 이득 응답과 대역폭을 확인한다.
• 시뮬레이션된 포화 전력(1 dB 압축 포인트)은 -92.2 dBm이며, 펌프 소모 모델 예측값은 -91 dBm로, 시뮬레이션과 이론 간 강력한 일致를 보인다.
• 이 증폭기는 최신 JPA 및 JPC 기술의 일반적인 약 10 MHz 대역폭에 비해 50배 향상된 대역폭을 확보한다.
• 최신 기술 기기들이 일반적으로 -110 dBm 이하에서 포화되므로, 이 증폭기는 포화 전력에서 100배 향상된 성능을 달성한다.
• 필요한 펌프 진폭은 각 접합당 Φ_ac = 0.073 Φ₀(총 2.93 Φ₀)이며, 중심 주파수에서 R_sq = -9.15 Ω를 달성하기 위해 DC 플럭스 비스를 최적화하였다.