[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种左手型约瑟夫森传输线（JTL），通过自洽相位匹配的四波混频实现超宽带、量子极限的微波放大。利用其固有的负折射率特性，该设计在较短线路长度和简化操作条件下，实现了数GHz带宽内超过20 dB的增益，相较于传统的右手型J-TWPAs，无需复杂的色散或阻抗工程。

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.

研究动机与目标

• 为解决宽带约瑟夫森行波参量放大器（J-TWPAs）中相位失配的挑战，该挑战限制了增益和带宽。
• 通过利用左手型（负折射率）约瑟夫森超材料中的固有相位匹配特性，消除J-TWPAs中对复杂色散或阻抗工程的需求。
• 实现更短、更鲁棒且可集成的J-TWPA设计，具备高增益-带宽积，适用于超导量子电路。
• 为分布式约瑟夫森放大器提供一种新型设计范式，与现有的右手型J-TWPA架构形成互补。

提出的方法

• 利用串联电容和并联约瑟夫森结设计左手型约瑟夫森传输线（JTL），以实现负群速度和负折射率。
• 利用左手型JTL的固有波矢失配特性，自然满足信号、本振和镜像波之间的相位匹配，无需外部工程。
• 在JTL中实施四波混频过程，得益于本征相位匹配，实现在宽频带内的高效放大。
• 优化JTL在4–12 GHz频段的运行性能，实现与50 Ω的阻抗匹配，采用数百nA量级的结临界电流以适配平面化制造工艺。
• 利用单位长度更高的增益，提升对无序的鲁棒性，并减少整体器件长度。
• 通过仿真和理论分析验证相位匹配条件，并评估线性与非线性色散区域的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 左手型JTL是否能通过自身特性在J-TWPA中实现本征相位匹配，而无需外部色散或阻抗工程？
• RQ2 基于左手型JTL的自相位匹配J-TWPA可实现的带宽和增益是多少？
• RQ3 在器件长度、动态范围和制造复杂度方面，左手型J-TWPA与传统右手型J-TWPA设计相比表现如何？
• RQ4 左手型JTL的本征相位匹配是否能有效应对自相位调制和交叉相位调制等非线性效应，实现鲁棒放大？
• RQ5 使用更高线间电容的更短左手型JTL时，在损耗、动态范围和可扩展性方面存在哪些权衡？

主要发现

• 左手型JTL实现了自相位匹配的四波混频，实现了无需外部色散工程的超宽带放大。
• 所提出的J-TWPA在数GHz带宽内实现了超过20 dB的增益，其增益-带宽积显著优于以往实现方案。
• 由于本征相位匹配带来的高单位长度增益，器件长度大幅缩短——不足1000个单元单元。
• 该设计简化了制造与操作，避免了色散工程型右手型J-TWPAs中常用的复杂磁通调谐电路或损耗性介质。
• 本征相位匹配增强了JTL中无序的鲁棒性，提升了实际应用中的可靠性。
• 该方法与现有超导电路平台兼容，因为左手型传输线已在实验中得到验证。