[論文レビュー] Self phase-matched broadband amplification with a left-handed Josephson transmission line

C. Kow, V. Podolskiy+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2022

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、自己位相一致型四波混合を用いて帯域幅広い量子限界のマイクロ波増幅を実現する左巻きジョセフソン伝送線路（JTL）を提案する。内在的な負の屈折率特性を活用することで、従来の右巻きJ-TWPAと比較して、より短い線路長と簡素化された動作が可能となり、分散やインピーダンス工学の複雑な設計を不要とする。これにより、数GHz帯の帯域幅で20 dBを超える利得が達成される。

ABSTRACT

Josephson Traveling Wave Parametric Amplifiers (J-TWPAs) are promising platforms for realizing broadband quantum-limited amplification of microwave signals. However, substantial gain in such systems is attainable only when strict constraints on phase matching of the signal, idler and pump waves are satisfied -- this is rendered particularly challenging in the presence of nonlinear effects, such as self- and cross-phase modulation, which scale with the intensity of propagating signals. In this work, we present a simple J-TWPA design based on `left-handed' (negative-index) nonlinear Josephson metamaterial, which has phase matching native to its design precluding the need for any complicated circuit or dispersion engineering. The resultant efficiency of four-wave mixing process can implement gains in excess of 20 dB over few GHz bandwidths with much shorter lines than previous implementations. Furthermore, the autonomous nature of phase matching considerably simplifies the J-TWPA design than previous implementations based on `right-handed' (positive index) Josephson metamaterials, making the proposed architecture particularly appealing from a fabrication perspective. The left-handed JTL introduced here constitutes a new modality in distributed Josephson circuits, and forms a crucial piece of the unified framework that can be used to inform the optimal design and operation of broadband microwave amplifiers.

研究の動機と目的

• 帯域幅広いジョセフソン伝送波パラメトリック増幅器（J-TWPA）における位相不一致の課題を克服し、利得と帯域幅を向上させること。
• 左巻き（負の屈折率）ジョセフソンメタマテリアルの内在的位相一致特性を活用することで、J-TWPAにおける複雑な分散またはインピーダンス工学の必要性を排除すること。
• 超伝導量子回路に適した高利得帯域積を持つ、より短く、頑丈で統合可能なJ-TWPA設計を実現すること。
• 既存の右巻きJ-TWPAアーキテクチャと補完する新しい分散型ジョセフソン増幅器の設計パラダイムを提供すること。

提案手法

• 直列キャパシタンスとシャント型ジョセフソン接合を用いて、負の群速度および負の屈折率を実現する左巻きジョセフソン伝送線路（JTL）を設計する。
• 左巻きJTLが有する内在的波数不一致特性を活用し、信号波、イデアル波、ポンプ波の間で外部工学を用いずに自然に位相一致を達成する。
• JTL内で四波混合プロセスを実装し、天然の位相一致に起因する効率的な帯域幅広い増幅を実現する。
• 4–12 GHz帯域で動作するようJTLを最適化し、50 Ωへのインピーダンス整合を図る。平面的プロセスに適した、数100 nA程度の接合臨界電流を用いる。
• 単位長あたりの高利得を活かし、不規則性に対する耐性を高め、全体的なデバイス長を短縮する。
• シミュレーションと理論的解析を用いて、位相一致条件の妥当性を検証し、線形および非線形分散領域における性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 左巻きJTLは、外部の分散またはインピーダンス工学を要せず、J-TWPAで自然に位相一致を満たすことができるか？
• RQ2 左巻きJTLを基盤とする自己位相一致型J-TWPAで達成可能な帯域幅と利得はどの程度か？
• RQ3 デバイス長、ダイナミックレンジ、およびプロセス複雑性の観点から、左巻きJ-TWPAは従来の右巻きJ-TWPA設計と比べてどのように性能を発揮するか？
• RQ4 左巻きJTLの内在的位相一致特性は、自己位相変調およびクロス位相変調などの非線形性に対しても、頑健な増幅を可能にするか？
• RQ5 より高いインラインキャパシタンスを有する短い左巻きJTLを用いる場合、損失、ダイナミックレンジ、スケーラビリティの観点でのトレードオフは何か？

主な発見

• 左巻きJTLは自己位相一致型四波混合を実現し、外部の分散工学を不要として帯域幅広い増幅を可能にする。
• 提案されたJ-TWPAは、数GHz帯の帯域幅で20 dBを超える利得を達成し、利得帯域積の観点で従来の実装を著しく上回る。
• 内在的位相一致により、単位長あたりの高利得が実現され、デバイス長が著しく短縮され、1000ユニットセル未満にまで短縮される。
• 複雑なフラックスチューニング回路や損失の大きい誘電体を用いる右巻きJ-TWPAとは異なり、プロセスと動作が簡素化される。
• 内在的位相一致により、JTL内の不規則性に対する耐性が向上し、実用的実装における信頼性が向上する。
• 左巻き伝送線路はすでに実験的に実証済みであるため、既存の超伝導回路プラットフォームと互換性がある。