[논문 리뷰] The Effect of Parameter Variations on the Performance of the Josephson Travelling Wave Parametric Amplifiers

Searbhán Ó Peatáin, Tom Dixon외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 RF SQUID의 어레이를 기반으로 한 조지프슨 이동파 파arametric 증폭기(JTWPA)의 성능에 미치는 파rameter 변동성과 제조 결함의 영향을 조사한다. 전자기적 시뮬레이션을 통해 기하학적 인덕성의 변동성과 특히 지면에 대한 점 결함(예: 단락)이 이득을 심각하게 떨어뜨리고 마이크로파 반사를 유도하는 것으로 밝혀졌으며, rf-SQUID 구조는 특정 결함에 대해 강건성을 보이며 >16 dB의 이득과 마이너스 온도 이하의 노이즈 온도를 갖는 고수율 폭넓은 대역 증폭을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We have simulated the performance of the Josephson Travelling Wave Parametric Amplifier (JTWPA) based on the one-dimensional array of RF SQUIDs. Unlike the ideal model in which all SQUIDs are assumed to be identical, we allowed variation of the device parameters such as the geometric inductance of the SQUID loop, capacitance to ground, Josephson junction capacitance and critical current. Our simulations confirm the negative effects of variation of the device parameters leading to microwave reflections between individual cells and the shift of the flux bias from the optimal point. The strongest effect is caused by the variation of the geometric inductance as it varies both the wave impedance and the flux bias. The most detrimental, however, are point defects, such as shorts to ground making the circuit opaque to microwaves. This imposes stringent requirements on the fabrication process making it extremely challenging. We highlight the strict limitations on parameter spread in these devices while also discussing the robustness of the scheme to variation

연구 동기 및 목표

• 기하학적 인덕성, 커패시턴스, 임계 전류와 같은 핵심 SQUID 파rameter의 무작위 변동이 JTWPA 성능에 미치는 민감도 평가
• 특히 局부 단락과 같은 가장 해로운 제조 결함을 특정하고, 마이크로파 전파 및 증폭기 이득에 미치는 영향 평가
• 이deal 이득에 비해 ±3 dB 이내를 유지하기 위해 허용 가능한 최대 파rameter 산란 범위 결정
• 짧은 접합 또는 끊어진 인덕성 루프와 같은 일반적인 결함에 대해 rf-SQUID 기반 JTWPA 설계의 강건성 평가
• 조지프슨 접합 어레이를 사용한 고수율, 폭넓은 대역, 낮은 노이즈 파arametric 증폭기를 제작하기 위한 정량적 설계 지침 제공

제안 방법

• 각 셀이 조지프슨 접합, 기하학적 인덕성, 병렬 커패시턴스로 모델링된 라umped-요소 rf-SQUID 셀의 일차원 어레이를 사용해 JTWPA를 시뮬레이션
• 파rameter 변동성과 결함 하에서 파동 전파, 임피던스 매칭, 이득 응답을 분석하기 위해 전자기적 시뮬레이션 적용
• Zorin 모델을 사용해 정의된 파rameters를 갖는 23 Ω 매칭 선로를 적용: L_G = 57 pH, C_0 = 100 fF, C_T = 60 fF, I_c = 5 μA
• 배열 전반에 걸쳐 개별 SQUID 파rameter(L_G, C_0, C_T, I_c)를 변동시켜 제조 산란를 시뮬레이션하고 성능 저하 평가
• 지면 단락, 접합 단락, 유도 루프 끊어짐과 같은 점 결함을 모델링하여 신호 전송 및 이득 리플에 미치는 영향 평가
• 이득 곡선, 반사 계수, 노이즈 온도를 통해 성능을 정량화하고 이상적 구성과 결함 있는 구성 간 비교

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기하학적 인덕성, 접합 커패시턴스, 임계 전류의 변동이 JTWPA의 이득과 임피던스 매칭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 지역적 결함(예: 지면 단락 또는 접합 단락)이 마이크로파 전파 및 증폭기 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 rf-SQUID 구조는 일반적인 제조 결함에 대해 어떤 방식으로 강건성을 제공하는가?
• RQ4 이득을 이상 응답에 비해 ±3 dB 이내로 유지하기 위해 허용 가능한 최대 파arameter 산란 범위는 무엇인가?
• RQ5 특히 긴 어레이에서 현실적인 제조 결함이 존재하더라도 JTWPA는 높은 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 기하학적 인덕성의 변동이 가장 심각한 부정적 영향을 미치며, 이는 파동 임피던스와 플럭스 비아스를 모두 변화시켜 최적의 3파동 혼합 작동에서 벗어나게 한다.
• 지면 단락은 가장 해로운 결함으로, 거의 완전한 신호 반사와 노이즈 수준까지의 감쇠를 유도하여 증폭기 성능을 심각하게 악화시킨다.
• 접합 단락은 접합과 기하학적 인덕성의 병렬 구성 덕분에 영향이 국한되어 있으며, 이로 인해 이득에 미세한 리플 외에는 거의 영향을 주지 않는다.
• 여러 결함, 특히 분포형 단락은 개별 결함이 무해할지라도 상호 작용하여 심각한 이득 리플을 유도하고 유효 대역폭을 감소시킨다.
• rf-SQUID 설계는 내재된 강건성을 제공한다: 여러 개의 접합 단락이 있더라도 수많은 노드를 거쳐 증폭기가 복구되며, 긴 어레이에서도 사용 가능한 이득을 유지한다.
• 제조 공차는 특히 기하학적 인덕성과 지면 커패시턴스에 대해 엄격히 제어되어야 하며, 이는 이상 이득 곡선에 비해 ±3 dB 이내 성능 유지를 보장하기 위함이다.