JP2009225213A - パラメトリック増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 周波数の可変性がないという問題を解決し、周波数を可変にでき、かつ帯域の広いパラメトリック増幅器を提供する。
【解決手段】 ｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素にもつＬＣ共振器と、直流磁束バイアスするための制御ラインとを備え、直流磁束バイアスラインを用いて、そのｄｃ−ＳＱＵＩＤを磁束バイアスする。
【選択図】図１

Description

本発明は、パラメトリック増幅器に関し、特にジョセフソン接合を用いたパラメトリック増幅器に関する。

低雑音マイクロ波増幅器は様々な分野で用いられている。特に近年量子ビットの研究分野において、量子ビット回路からの微弱信号の検出に用いられ、その雑音性能に対する要求が高まっている。現在は低温で動作する半導体を用いた増幅器が主に用いられている。しかし、雑音性能の観点から言えば縮退パラメトリックアンプを用いるのが理想的である。なぜなら、縮退パラメトリックアンプは位相敏感な増幅器であり、余剰な雑音を付加することなく、二つの直交位相振幅のうち一つを増幅することが可能であるからである。すなわち縮退パラメトリックアンプは、現在主に用いられている半導体増幅器が原理的に到達し得ない雑音レベルに到達することが出来る。

マイクロ波領域のパラメトリックアンプは、ジョセフソン接合を用いたものが数多く報告されており、例えば非特許文献１がある。非特許文献１には、ポンプ信号と入力信号でジョセフソン接合を電流バイアスし、ジョセフソンインダクタンスの非線形性によるミキシングによってポンプ信号の周波数から入力信号の周波数への変換することが開示されている。しかし、これらは一般的に帯域が狭いという問題点をもっている。

近年その問題を解決すべく、非特許文献２に開示された技術がある。非特許文献２では、共振器の中にジョセフソン接合を二つ並列に並べたｄｃ−ＳＱＵＩＤ（直流型超伝導磁束量子干渉素子：direct current superconducting quantum interference device）と呼ばれる構造を組み込み、共振器の共振周波数を可変にして実効的に帯域を広げるという方法が提案されている。

フィジカルレビューレターズ、（米国）、１９８８年２月２９日、第６０巻、ｐ．７６４−ｐ．７６７ アプライドフィジックスレターズ、（米国）、２００７年８月２２日、第９１巻、０８３５０９−１−３ フィジカルレビュービー、（米国）、２００７年５月８日、第７５巻、１８４５０８−１−６

しかしながら、上記した非特許文献２には問題がある。それは、縮退パラメトリックアンプとして用いるとき、ポンプの周波数とシグナルの周波数が同じになってしまうことである。通常縮退パラメトリックアンプは、ポンプの周波数を入力信号の周波数の２倍にして用いる。しかし非特許文献２のようにジョセフソン接合をポンプ信号で電流バイアスする場合、ジョセフソンインダクタンスＬ_Ｊが印加電流Ｉの二次関数であるため（正確にはより高次の項を含むが、偶数次しか含まない）、周波数ωのポンプ信号が、実質的に２ωでインダクタンスを変調することになるからである。

その結果、増幅器からの出力においてポンプ信号と増幅された入力信号を分離することが難しくなってしまう。さらに非特許文献３では、ｄｃ−ＳＱＵＩＤを磁束でバイアスするという提案がなされている。しかし、この提案でもポンプの周波数と入出力信号の周波数は同じであり、さらには周波数の可変性もないため、ポンプ信号と入出力信号の分離が困難、帯域が狭いという問題は改善されない。

本発明の目的は、これらの問題を解決し、ポンプ信号と入出力信号の分離が容易で、かつ帯域の広いパラメトリック増幅器を提供することにある。

上記した課題を解決するため、本願発明のパラメトリック増幅器は、ジョセフソン接合を並列に配置したｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素に含むＬＣ共振器と、直流磁束バイアスラインとを備え、前記直流磁束バイアスラインを使って前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤを磁束バイアスすることを特徴とする。

また、本願発明における他のパラメトリック増幅器は、ジョセフソン接合を並列に配置したｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素に含むＬＣ共振器と、直流磁束バイアスラインと、ポンプ信号ポートとを備え、前記直流磁束バイアスラインを用いて前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤを磁束バイアスすることで前記ＬＣ共振器の共振周波数を制御し、前記ポンプ信号ポートを用いて前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤの磁束に前記ＬＣ共振器の共振周波数の２倍の周波数を交流バイアスし、パラメトリック増幅させることを特徴とする。

さらに、本願発明の集積回路は、上記したパラメトリック増幅器を絶縁体基板上に集積化して構成したことを特徴とする。

本発明においては、ジョセフソン接合を並列に配置したｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素に含むＬＣ共振器と、直流磁束バイアスラインとを備え、前記直流磁束バイアスラインを使って前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤを磁束バイアスしている。ｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素に含むＬＣ共振器の共振周波数は、ＳＱＵＩＤのループを貫く磁束に依存する。従って、印加される直流磁束バイアスによって共振器の共振周波数を変化させることが出来るという効果が得られる。そのため周波数が可変であり、かつ帯域の広いパラメトリック増幅器が得られる。

本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１には、本発明のパラメトリック増幅器の実施の形態を示す概念図を示す。図２には、図１に示された反射型共振器の共振周波数とｄｃ−ＳＱＵＩＤのループを貫く磁束との関係図を示す。図３には、本発明の実施の形態における集積回路の具体的な回路パターンの例を示した平面図を示している。

図１には、パラメトリック増幅器の具体例の模式図を示している。この例では、共振器として分布定数型共振器を想定している。しかし、実施の形態を示す一例であり、特に限定されるものではない。パラメトリック増幅器は、入出力ポート１０１、ポンプ信号ポート１０２、直流バイアスライン１０３、結合容量１０４、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０５、分布定数回路の静電容量１０６、及び分布定数回路の自己誘導１０７から構成される。

入出力ポート１０１は、増幅したい信号を入力するためのポートであり、同時に増幅された信号はこのポートより出力される。ポンプ信号ポート１０２は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤループと誘導的に結合され、ポンプ信号をおくるためのポートである。直流バイアスライン１０３は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤループと誘導的に結合され、直流電流が印加される。結合容量１０４は、入出力信号ポート１０１と共振器とを結合する容量である。ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０５は、ジョセフソン接合を二つ並列に並べた構造の超伝導磁束量子干渉素子であり、共振器の境界条件を与える。分布定数回路の静電容量１０６、及び自己誘導１０７は共振器の持つ単位長さ辺りの静電容量及び自己誘導を表す。

共振器の長さは周波数帯域に応じて適当に設計されなければならない。共振器の中心導体は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０５を介して、グランドに接続されている。ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０５中の×印が一つのジョセフソン接合を表す。ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０５のループを貫く磁束をΦとすると、共振周波数はΦに対して、図２のような依存性を示す。ただし図２の計算においては、コプラナー導波路型の分布定数回路を仮定し、共振器の持つ自己誘導係数および静電誘導係数は、それぞれ０．９３ｎＨおよび０．３４ｐＦとし、ジョセフソン接合のもつ静電容量は、一接合あたり２０ｆＦとした。

ジョセフソン接合の臨界電流値Ｉｃは、一接合あたり０．５μＡと０．１μＡの二通りについて計算した。ｄｃ−ＳＱＵＩＤのループインダクタンス及び結合容量１０４の効果は小さいとして無視した。またΦ_０は磁束量子を表す。この図より、ある一定のＩｃが与えられると、Φによって共振器の共振周波数を０からある最大値まで連続的に変化させることが可能であることが分かる。またその最大値はＩｃに依存するので、必要な帯域に応じてＩｃを設計すればよい。従って、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０５のループと誘導的に結合する直流磁束バイアスライン１０３に直流電流を印加することで、Φつまり共振周波数を制御することが出来る。

図２から分かるとおり、共振周波数は、Φ／Φ_０が０以外の点で、Φに対する１次の微係数を持つ。従って、同じくｄｃ−ＳＱＵＩＤループと誘導的に結合するポンプ信号ポート１０２に共振周波数ω_０の２倍の周波数を持つ信号を送ると、共振器の共振周波数も２ω_０の周波数で変調を受ける。これによりω_０の周波数をもつ入力信号がパラメトリック増幅される。

本発明では、共振器の内部にｄｃ−ＳＱＵＩＤを用い、またその直流バイアスを制御するための直流磁束バイアスラインを設けることで、共振周波数が可変な共振器を実現しており、増幅器の帯域を広げている。さらに図２に示したとおり共振周波数のΦに対する一次の依存性を利用しているため、ポンプの周波数と入出力信号の周波数が２倍異なる条件でパラメトリック増幅が起こる。従って本発明によって、ポンプ信号と入出力信号の分離が容易で、かつ帯域の広いパラメトリック増幅器が得られる。

次に、本発明の実施の形態の製造方法を説明する。図１に示した分布定数型共振器として、ここではコプラナー型導波路型の共振器を想定する。シリコンやサファイアなどの絶縁体の基板上に図３に示したパターンを超伝導体薄膜によって形成する。ジョセフソン接合は２層の超伝導体で絶縁体層を挟むことで形成する。入出力信号ポート３０１および、ポンプ信号ポート３０５より始まるコプラナー導波路は、外部回路と整合するようにインピーダンスを設計しなくてはならない。

上記実施の形態においては、ＬＣ共振器として分布定数回路を用いたが、共振器は集中定数回路を用いることもできる。また集積回路として、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ以外の部分は常伝導体で形成することも可能である。さらに、直流磁束バイアスライン３０６は、ポンプ信号ポート３０５と共通にしてもかまわない。もしくは、共振器全体に磁場を印加することで代用することも出来る。

本発明においては、ジョセフソン接合を並列に配置したｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素に含むＬＣ共振器と、直流磁束バイアスラインとを備え、直流磁束バイアスラインを使って、ｄｃ−ＳＱＵＩＤを磁束バイアスすることを特徴とするパラメトリック増幅器が得られる。

本発明の直流磁束バイアスラインは、ｄｃ−ＳＱＵＩＤと誘導的に結合され、その直流磁束バイアスラインに印加される直流電流を用いて、ｄｃ−ＳＱＵＩＤの磁束を制御し、ＬＣ共振器の共振周波数を制御することができる。さらに本発明のパラメトリック増幅器は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤと誘導的に結合されているポンプ信号ポートを備え、ＬＣ共振器の共振周波数の２倍の周波数で、ｄｃ−ＳＱＵＩＤの磁束を交流バイアスすることができる。またＬＣ共振器は、入出力ポートと容量結合されているＬＣ回路と前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤから構成することができる。

ｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素に含むＬＣ共振器の共振周波数は、ＳＱＵＩＤのループを貫く磁束に依存する。つまり直流磁束バイアスによって共振器の共振周波数を変化させることが出来る。さらに一定の直流磁束バイアスのもと、ポンプ信号ポートを用いて共振周波数の２倍の周波数で磁束を交流バイアスすることにより、パラメトリック増幅が起こり、共振周波数付近の周波数を持つ入力信号が増幅されて反射される。ポンプ信号のポートと入出力信号のポートは分かれており、また周波数も２倍異なるので、ポンプ信号と入出力信号の分離は容易である。また直流バイアスによって増幅器の中心周波数を連続的に変化させることが可能なので、帯域の広い増幅器が得られる。

上記したように実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

本発明のパラメトリック増幅器の実施の形態を示す概念図である。 図１に示された反射型共振器の共振周波数とｄｃ−ＳＱＵＩＤのループを貫く磁束との相関図である。 本発明の実施の形態における集積回路の具体的な回路パターンの例を示した平面図である。

符号の説明

１０１ 入出力信号ポート
１０２ ポンプ信号ポート
１０３ 直流磁束バイアスライン
１０４ 結合容量
１０５ ｄｃ−ＳＱＵＩＤ
１０６ 分布定数回路の静電容量
１０７ 分布定数回路の自己誘導
３０１ 入出力信号ポート
３０２ 結合容量
３０３ ｄｃ−ＳＱＵＩＤ
３０４ グランド電極
３０５ ポンプ信号ポート
３０６ 直流磁束バイアスライン

Claims (7)

1. ジョセフソン接合を並列に配置したｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素に含むＬＣ共振器と、直流磁束バイアスラインとを備え、前記直流磁束バイアスラインを使って前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤを磁束バイアスすることを特徴とするパラメトリック増幅器。
2. 前記直流磁束バイアスラインは、前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤと誘導的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載のパラメトリック増幅器。
3. 前記直流磁束バイアスラインに印加される直流電流を用いて、前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤの磁束を制御し、前記ＬＣ共振器の共振周波数を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のパラメトリック増幅器。
4. 前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤと誘導的に結合されているポンプ信号ポートを備え、前記ＬＣ共振器の共振周波数の２倍の周波数で、前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤの磁束を交流バイアスすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパラメトリック増幅器。
5. 前記ＬＣ共振器は、入出力ポートと容量結合されているＬＣ回路と前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤから構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のパラメトリック増幅器。
6. ジョセフソン接合を並列に配置したｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素に含むＬＣ共振器と、直流磁束バイアスラインと、ポンプ信号ポートとを備え、前記直流磁束バイアスラインを用いて前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤを磁束バイアスすることで前記ＬＣ共振器の共振周波数を制御し、前記ポンプ信号ポートを用いて前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤの磁束に前記ＬＣ共振器の共振周波数の２倍の周波数を交流バイアスし、パラメトリック増幅させることを特徴とするパラメトリック増幅器。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のパラメトリック増幅器を絶縁体基板上に集積化して構成したことを特徴とする集積回路。

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