JP2018194518A - Frequency multiplexing read-out device and design method of the same - Google Patents

Frequency multiplexing read-out device and design method of the same Download PDF

Info

Publication number
JP2018194518A
JP2018194518A JP2017100717A JP2017100717A JP2018194518A JP 2018194518 A JP2018194518 A JP 2018194518A JP 2017100717 A JP2017100717 A JP 2017100717A JP 2017100717 A JP2017100717 A JP 2017100717A JP 2018194518 A JP2018194518 A JP 2018194518A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
frequency
squid
annular electrode
electrode
inductance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017100717A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6896272B2 (en
Inventor
文紀 平山
Noritoshi Hirayama
文紀 平山
裕貴 中島
Hirotaka Nakajima
裕貴 中島
暁 神代
Akira Kamishiro
暁 神代
山森 弘毅
Koki Yamamori
弘毅 山森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP2017100717A priority Critical patent/JP6896272B2/en
Publication of JP2018194518A publication Critical patent/JP2018194518A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6896272B2 publication Critical patent/JP6896272B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

To provide a frequency multiplexing read-out device that has a common shape, structure and dimension with respect to many pixels different in a resonance frequency f, and has a SQUID small in an error relative to a design value, over a wide range of division parameter a, and to provide a design method of the frequency multiplexing read-out device.SOLUTION: A plurality of pixels having a read-out unit to which a SQUID, a resonator, and capacitor are parallely connected, and a detection unit changing a resonance frequency of the read-out unit in accordance with a detection signal, and a read-out line to be connected to the pixel are wired. The SQUID has an input coil, an annular electrode in which a Josephson junction is formed, a ground electrode, and a ground contact electrically connecting between the annular electrode and the ground electrode, and respective SQUIDs in the plurality of pixels are formed by making the input coil, the annular electrode, and the ground electrode common, and are formed so that a formation position of the ground contact with respect to the annular electrode is different.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は周波数多重読出装置に係り、特に大規模超伝導検出器アレイのためのマイクロ波帯周波数多重読出装置に関する。   The present invention relates to frequency multiplex readout devices, and more particularly to microwave band frequency multiplex readout devices for large scale superconducting detector arrays.

超伝導検出器は、ミリ波〜ガンマ線の9桁にも及ぶ波長域の電磁波や、エネルギー粒子に対して、半導体等の既存検出器を凌駕する低雑音性を示し、天文観測、基礎科学、材料分析、生体計測、量子暗号通信等の分野で使われている。
一方、実現された超伝導検出器システムでの受光面積や画素数は、CCD等の既存検出器アレイに比べ数桁小さい。小受光面積は小信号量、低画素数はイメージング時の走査を要することから、共に長い測定時間という、ユーザにとって深刻な問題点を呈する。
Superconducting detectors have a low noise property that surpasses existing detectors such as semiconductors against electromagnetic waves and energetic particles in the wavelength range of nine digits from millimeter waves to gamma rays. Astronomical observation, basic science, materials Used in fields such as analysis, biometrics, and quantum cryptography.
On the other hand, the light receiving area and the number of pixels in the realized superconducting detector system are several orders of magnitude smaller than those of an existing detector array such as a CCD. Since the small light receiving area requires a small signal amount and the low pixel number requires scanning at the time of imaging, both present a serious problem of a long measurement time.

単画素あたりの受光面積増大が性能低下をもたらす超伝導検出器の原理的制約を避けるため、小受光面積の画素を多数構築することによる受光面積増大法が望まれる。
一方、極低温環境下にある多画素超伝導検出器の信号読出線を室温信号処理系に並列に接続すると、極低温−室温間の信号線数が画素数にほぼ比例して増大し、室温から極低温への熱流入増大を招く。即ち、多画素化が、超伝導検出器システムの体積・消費電力を支配する極低温冷却系の冷却能力・体積・価格の増大を余儀なくさせる。
この問題解決のため、極低温下で複数画素の出力を少数の読出線にまとめる多重読出装置が研究されている。これまで提案された複数の多重方式の中で、信号対雑音比が画素数増大に伴い原理的に低下せず、かつ、1本の読出線あたりの多重化画素数が原理的に最大となる、マイクロ波帯周波数多重方式が特に有効である(非特許文献1,2参照)。
In order to avoid the fundamental limitation of the superconducting detector that increases the light receiving area per single pixel, the performance is lowered. Therefore, a method for increasing the light receiving area by constructing a large number of pixels having a small light receiving area is desired.
On the other hand, when the signal readout line of a multi-pixel superconducting detector in a cryogenic environment is connected in parallel to the room temperature signal processing system, the number of signal lines between the cryogenic temperature and room temperature increases almost in proportion to the number of pixels. This leads to an increase in heat inflow to the cryogenic temperature. That is, the increase in the number of pixels necessitates an increase in the cooling capacity, volume, and price of the cryogenic cooling system that controls the volume and power consumption of the superconducting detector system.
In order to solve this problem, research has been made on a multiple readout device that collects the outputs of a plurality of pixels into a small number of readout lines at a very low temperature. Among a plurality of multiplexing schemes proposed so far, the signal-to-noise ratio does not decrease in principle with the increase in the number of pixels, and the number of multiplexed pixels per readout line becomes the maximum in principle. The microwave band frequency multiplexing method is particularly effective (see Non-Patent Documents 1 and 2).

従来のマイクロ波帯周波数多重読出装置の構成を図1に示す。超伝導検出器(以下、検出器;図1中の531,532,533,…)には、検出器バイアス電流源65からバイアス電流が供給され、光子入射に伴い抵抗が変化する可変抵抗を有する。
また、マイクロ波帯周波数多重読出装置では、検出器の画素数Nと同じ個数Nの超伝導薄膜共振器(以下、共振器;図1中の581,582,583,…)がチップ(図1中の検出チップ51及び読出チップ52で構成される多重化チップ50)上に構成され、各共振器の長さ、即ち、共振周波数fは、周波数軸上で分散するよう、画素毎の値を持つ。
検出チップ51と読出チップ52とは、配線インダクタンス(図1中の541,542,543,…)で接続され、検出チップ51で検出される光子の入射信号がコイルを介して読出チップ52に伝達される形とされる。
ある共振器の共振周波数fは、その共振器と結合する検出器の出力に伴い変化する。
また、各検出器の出力電流は、ジョセフソン接合素子(図1中の571,572,573,…)と、SQUIDリングインダクタンス(図1中の561,562,563,…)と、SQUIDリングインダクタンスと磁気的に結合したSQUID入力コイル(図1中の551,552,553,…)とからなるSQUID(超伝導量子干渉素子)に流れ、SQUIDの内部インダクタンス、即ち、共振器の終端条件を変化させる。
この原理に基づき、共振周波数fが各検出器への入射光子エネルギーの関数となる。
したがって、検出器への入力信号が入力無し(=0)の場合の共振周波数fと入力有りの場合の共振周波数fとの差を全画素に関し測定すれば、各々の画素への入射光子エネルギーを同定し得る。N個の共振器の他端は、結合キャパシタC(図1中の591,592,593,…)を介して1本のマイクロ波読出線(図1中の610,611,612,613…)に接続される。
FIG. 1 shows a configuration of a conventional microwave band frequency division multiplex reading apparatus. A superconducting detector (hereinafter referred to as a detector; 531, 532, 533,... In FIG. 1) is supplied with a bias current from a detector bias current source 65, and has a variable resistance whose resistance changes with photon incidence. .
Further, in the microwave frequency division multiplexing readout device, the same number N of superconducting thin film resonators (hereinafter referred to as resonators; 581, 582, 583,...) In FIG. And the length of each resonator, that is, the resonance frequency f R is a value for each pixel so as to be distributed on the frequency axis. have.
The detection chip 51 and the readout chip 52 are connected by wiring inductance (541, 542, 543,... In FIG. 1), and an incident signal of a photon detected by the detection chip 51 is transmitted to the readout chip 52 through a coil. It is supposed to be shaped.
The resonance frequency f R of a certain resonator changes with the output of the detector coupled with the resonator.
The output current of each detector includes a Josephson junction element (571, 572, 573,... In FIG. 1), a SQUID ring inductance (561, 562, 563,... In FIG. 1), and a SQUID ring inductance. Flows into a SQUID (superconducting quantum interference device) consisting of SQUID input coils (551, 552, 553,... Let
Based on this principle, the resonant frequency f R is a function of the incident photon energy to each detector.
Thus, by measuring the difference between the resonance frequency f R in the case of there is an input to the resonance frequency f R in the case of the input signal is no input to the detector (= 0) relates to all pixels, the incident photons to each pixel Energy can be identified. The other ends of the N resonators are connected to one microwave readout line (610, 611, 612, 613,... In FIG. 1) via a coupling capacitor C C (591, 592, 593,. ).

マイクロ波読出線は、入出力端とも室温に引出され、入力端にはマイクロ波信号源64、出力端にはスペクトルアナライザ等、マイクロ波電力を周波数fMWの関数として測定するための計測器(不図示)が極低温低雑音増幅器62及び同軸線63を介して接続される。
また、マイクロ波帯周波数多重読出装置の中核となる多重化チップと極低温低雑音増幅器は、クライオスタット等の極低温冷却装置60内に配され、多重化チップ50は超伝導動作が可能とされる。
The microwave readout line is drawn to room temperature at both the input and output terminals, a microwave signal source 64 at the input terminal, a spectrum analyzer at the output terminal, and the like for measuring the microwave power as a function of the frequency f MW ( (Not shown) are connected via a cryogenic low noise amplifier 62 and a coaxial line 63.
Further, the multiplexing chip and the cryogenic low noise amplifier which are the core of the microwave band frequency multiplexing readout device are arranged in a cryogenic cooling device 60 such as a cryostat, so that the multiplexing chip 50 can perform superconducting operation. .

この系において、共振周波数fは共振器の終端インピーダンスZに依存して変化し、終端インピーダンスZはSQUIDの内部状態、即ち、検出器出力電流の関数となる。
共振周波数fから十分離れた周波数の読出信号に対して、マイクロ波読出線に接続された結合キャパシタCと各共振器の直列インピーダンスとをマイクロ波読出線の50Ωに比べ充分高く設計しておくと、結合キャパシタCにおいてマイクロ波読出線から共振器側に分岐するマイクロ波電流を無視することができる。
即ち、入力端から注入したマイクロ波電力は、共振器側に流出せず、殆ど全て出力端に接続された計測器で消費される。一方、共振周波数fにおいては、マイクロ波読出線に接続された結合キャパシタCと各共振器の直列インピーダンスは、殆ど0となり、マイクロ波電流の殆どは、結合キャパシタCにおいてマイクロ波読出線から共振器側に流出するため、読出線を通って室温の出力端へ流れる電流が激減する。つまり、入力端から注入したマイクロ波電力は、共振状態にある共振器で反射され、出力端抵抗での消費は激減する。
In this system, the resonance frequency f R changes depending on the termination impedance Z L of the resonator, and the termination impedance Z L is a function of the internal state of the SQUID, that is, the detector output current.
Sufficiency distant frequency of the read signal from the resonant frequency f R, and sufficiently high design than the series impedance of the coupling being connected to the microwave read line capacitor C C and the resonator 50Ω microwave read line putting, it is possible to ignore the microwave current branch to the resonator side of the microwave read line in the coupling capacitor C C.
That is, the microwave power injected from the input end does not flow out to the resonator side and is almost entirely consumed by the measuring instrument connected to the output end. On the other hand, in the resonance frequency f R, the series impedance of the coupling capacitor C C and the resonators connected to the microwave read line is almost zero, most of the microwave current, microwave read line in the coupling capacitor C C Flows out to the resonator side, the current flowing through the readout line to the output terminal at room temperature is drastically reduced. That is, the microwave power injected from the input end is reflected by the resonator in the resonance state, and consumption at the output end resistance is drastically reduced.

以上の共振現象がN個の共振周波数fに対し起こるので、チップのマイクロ波透過率の周波数依存性は、図2中の(a)に示す形となる。更に、各共振周波数fは、図2中の(b)に示すように、共振器と結合した超伝導量子干渉素子(SQUID)への入力電流を介して各画素への入射光強度による変調を受ける。なお、図2は、多重化チップ50から出力される周波数多重信号の周波数対透過率特性(図中の(a))と、図中の(a)に丸印で示す部分を拡大した周波数対透過率特性(図中の(b))を示す図である。なお、共振周波数の変化は、SQUIDに与える磁束Φに対しΦ周期となるが、図中の(b)においては、代表的な3値(Φ/Φ=0,0.25,0.5)のみ示す。
マイクロ波読出線の出力端側における計測器で、これらの情報を一度に読み取れば、少数読出線による多画素出力の同時読出を実現することができる。
Since the above resonance phenomenon occurs with respect to N resonance frequencies f R , the frequency dependence of the microwave transmittance of the chip is as shown in FIG. Furthermore, as shown in FIG. 2B, each resonance frequency f R is modulated by the intensity of light incident on each pixel via an input current to a superconducting quantum interference device (SQUID) coupled to the resonator. Receive. 2 shows the frequency-to-transmittance characteristics ((a) in the figure) of the frequency multiplexed signal output from the multiplexing chip 50 and the frequency pair obtained by enlarging the part indicated by a circle in (a) in the figure. It is a figure which shows the transmittance | permeability characteristic ((b) in a figure). The change in the resonance frequency is a period of Φ 0 with respect to the magnetic flux Φ A applied to the SQUID, but in (b) in the figure, representative three values (Φ A / Φ 0 = 0, 0.25, Only 0.5) is shown.
If such information is read at once by a measuring instrument on the output end side of the microwave readout line, simultaneous readout of multiple pixel outputs by a small number of readout lines can be realized.

このマイクロ波帯周波数多重読出装置では、共振周波数fが検出器への入射光強度の関数であるために、共振器とSQUID(リングの自己インダクタンスL、ジョセフソン接合素子の臨界電流I)の結合機構が必要となる。
結合方式としては、図3(a)に示す磁気結合型(非特許文献1〜3参照)と、図3(b)に示す直接結合型(非特許文献1,2,4)の2種類に大別される。なお、図3(a)は、磁気結合型による共振器−SQUID結合の等価回路を示す図であり、図3(b)は、直接結合型による共振器−SQUID結合の等価回路を示す図である。
In this microwave band frequency multiplex readout device, since the resonance frequency f R is a function of the incident light intensity to the detector, the resonator and the SQUID (ring self-inductance L S , critical current I 0 of the Josephson junction element) ) Coupling mechanism is required.
As a coupling method, there are two types, a magnetic coupling type (see Non-Patent Documents 1 to 3) shown in FIG. 3A and a direct coupling type (Non-Patent Documents 1, 2, and 4) shown in FIG. 3B. Broadly divided. 3A is a diagram showing an equivalent circuit of a resonator-SQUID coupling by a magnetic coupling type, and FIG. 3B is a diagram showing an equivalent circuit of a resonator-SQUID coupling by a direct coupling type. is there.

磁気結合型では、SQUIDとの間に相互インダクタンスMMWを持つコイル(自己インダクタンスLMW)が共振器を終端する。一方、直接結合型では、SQUIDが共振器を終端する。
磁気結合型及び直接結合型の双方とも共振器の終端インダクタンスLがSQUIDの内部状態により変調を受ける点は共通である。異なる点は、終端インダクタンスLの大きさにある。
直接結合型では、磁気結合型に比べ共振器の終端インダクタンスLを大幅に低減させることができる。以下、補足説明を行う。
磁気結合型の場合、終端インダクタンスLは、次式(1)で表される。
In the magnetic coupling type, a coil (self-inductance L MW ) having a mutual inductance M MW with the SQUID terminates the resonator. On the other hand, in the direct coupling type, the SQUID terminates the resonator.
Both the magnetic coupling type and the direct coupling type are common in that the termination inductance L L of the resonator is modulated by the internal state of the SQUID. The difference is in the size of the termination inductance L L.
In the direct coupling type, the termination inductance L L of the resonator can be greatly reduced as compared with the magnetic coupling type. A supplementary explanation will be given below.
In the case of the magnetic coupling type, the termination inductance L L is expressed by the following equation (1).

ただし、前記式(1)中、ここでη≡MMW/Lは、共振器とSQUIDとの結合強度を表す指数を示し、L≡LJ0×sec(2πΦ/Φ)は、SQUIDリングへの鎖交磁束Φに対し磁束量子Φ周期の関数となるジョセフソン接合素子の等価インダクタンスを示し、また、LJ0≡Φ/(2πI)であり、Φ≡h/(2e)である。なお、hは、プランク定数であり、eは、単位電荷である。 However, the formula (1), wherein η M ≡M MW / L S indicates the index representing the coupling strength between the resonator and the SQUID, L J ≡L J0 × sec (2πΦ / Φ 0) is The equivalent inductance of the Josephson junction element as a function of the flux quantum Φ 0 period with respect to the flux linkage Φ to the SQUID ring is shown, and L J0 ≡Φ 0 / (2πI 0 ), and Φ 0 ≡h / ( 2e). Here, h is a Planck constant, and e is a unit charge.

一方、直接結合型の場合、終端インダクタンスLは、次式(2)で表される。 On the other hand, in the case of the direct coupling type, the termination inductance L L is expressed by the following equation (2).

ただし、前記式(2)中、η≡1−aは、共振器とSQUIDとの直接結合の強度を表す指数を示し、a(0<a<1)は、図3(b)に示す、共振器からの信号注入線を軸とするSQUIDリングインダクタンスの左右の分割指数を示す(非特許文献4参照)。なお、0<a<1より0<η<1となる。 However, in said Formula (2), (eta) D = 1-a shows the index | exponent showing the intensity | strength of the direct coupling | bonding of a resonator and SQUID, and a (0 <a <1) is shown in FIG.3 (b). The left and right division indexes of the SQUID ring inductance with the signal injection line from the resonator as an axis are shown (see Non-Patent Document 4). Note that 0 <η D <1 from 0 <a <1.

前記式(1)、(2)において共振器−SQUID間結合度が等しい場合(η=η≡η)を想定すると、磁気結合型と直接結合型との終端インダクタンスLの差は、次式(3)と表される。 Assuming the case where the coupling degree between the resonator and the SQUID is equal in the equations (1) and (2) (η M = η D ≡η), the difference in termination inductance L L between the magnetic coupling type and the direct coupling type is It is expressed as the following formula (3).

η≦1および通常採用されるLMWとSQUIDの間の弱結合条件L<<LMW及びLLMC≒LMWを考慮すると、前記(3)式から、LLDI≒LLMC−LMW<<LLMCが導かれる。
実際、非特許文献2における、Table7.1,7.2,7.3に挙げられた三例では、各々、LMW=77.6pH,145pH,186pH、ηL=MMW=1.65pH,9.42pH,5.46pH、(LLMC−LLDI)/LMW=0.978,0.938,0.973となり、LLDI<<LLMCとなる。
したがって、上述の通り、直接結合型では、磁気結合型に比べて共振器の終端インダクタンスLの大幅な低減が可能である。
Considering the weak coupling condition between L MW and SQUID which is eta ≦ 1 and commonly employed L S << L MW and L LMCL MW, from the equation (3), L LDI ≒ L LMC -L MW <<L LMC is derived.
In fact, in the three examples listed in Tables 7.1, 7.2, and 7.3 in Non-Patent Document 2, L MW = 77.6 pH, 145 pH, 186 pH, η L S = M MW = 1.65 pH, respectively. 9.42 pH, 5.46 pH, (L LMC -L LDI ) / L MW = 0.978, 0.938, 0.973, and L LDI << L LMC .
Therefore, as described above, the direct coupling type can significantly reduce the termination inductance L L of the resonator as compared with the magnetic coupling type.

次に、終端インダクタンスLを低減させたときの利点について述べる。共振周波数fは、各画素のパラメータを基に次式(4)で与えられる(非特許文献2参照)。 Next, an advantage when the termination inductance L L is reduced will be described. The resonance frequency f R is given by the following equation (4) based on the parameters for each pixel (see Non-Patent Document 2).

ただし、前記式(4)中、fRλ/4は、共振器長が1/4波長となる周波数を示し、Zは、共振器を構成する分布定数線路の特性インピーダンスを示す。
この式(4)は、共振周波数fが1/4波長共振周波数fRλ/4からずれる原因が、結合キャパシタC及び終端インダクタンスLにあり、4fRλ/4<<1、4fRλ/4/Z<<1の時、各ずれの比率が、各々、約400fRλ/4%、約400fRλ/4/Z%で与えられることを示している。
However, In the formula (4), f Rλ / 4 indicates the frequency at which the resonator length is 1/4 wavelength, Z 0 represents the characteristic impedance of the distributed constant lines constituting a resonator.
In this equation (4), the resonance frequency f R deviates from the quarter-wave resonance frequency f Rλ / 4 due to the coupling capacitor C C and the termination inductance L L , and 4f Rλ / 4 C C Z 0 << 1 when the 4f Rλ / 4 L L / Z 0 << 1, the ratio of each shift, respectively, about 400f Rλ / 4 C C Z 0 %, given by about 400f Rλ / 4 L L / Z 0% Is shown.

マイクロ波帯周波数多重読出装置の動作原理より、設計通りに共振周波数fを得られることが重要である。素子作製工程において不可避である結合キャパシタCや終端インダクタンスLの実現値の設計値からのずれが、f変動に寄与する度合いを低減することが強く望まれる。
結合キャパシタCは、磁気結合型と直接結合型とで共通であるため、両者の差は一般的に生じない。
一方、終端インダクタンスLのばらつきδLの相対的な大きさδL/Lが終端インダクタンスLに依存しない状況を仮定すると、上述の通り、直接結合型は、磁気結合型に比べ終端インダクタンスLを桁違いに小さくできるので、直接結合型が有利となる。
実際に、非特許文献2に記述された磁気結合方式における典型値fRλ/4≒6GHz、C≒10fF、L≒0.1nH、Z≒50Ωの条件下では、400fRλ/4≒1.2%、400fRλ/4/Z≒4.8%と見積もられ、終端インダクタンスLの寄与が結合キャパシタCの寄与を上回る。
つまり、共振周波数fの設計値からの画素毎のずれは、結合キャパシタCの実現精度よりも終端インダクタンスLの実現精度に強く依存する。
Than the operating principle of a microwave band frequency multiplexed reading device, it is important to obtain a resonant frequency f R as designed. Deviation from a design value of the actual values of the unavoidable coupling capacitor C C and the terminating inductance L L in the device manufacturing process, it is highly desirable to reduce the degree of contribution to f R variation.
Coupling capacitor C C are the same in the magnetic coupling type and the direct coupling type, the difference between them do not typically cause.
On the other hand, when the terminating inductance L L relative magnitude [delta] L L / L L of the variation [delta] L L of assuming a situation that is not dependent on end inductance L L, as described above, the direct coupling type, terminating inductance compared with magnetically coupled Since L L can be reduced by orders of magnitude, the direct coupling type is advantageous.
Actually, under the conditions of the typical value f Rλ / 4 ≈6 GHz, C C ≈10 fF, L L ≈0.1 nH, and Z 0 ≈50 Ω in the magnetic coupling system described in Non-Patent Document 2, 400 f Rλ / 4 C C Z 0 ≒ 1.2%, estimated to 400f Rλ / 4 L L / Z 0 ≒ 4.8%, the contribution of end inductance L L exceeds the contribution of the coupling capacitor C C.
That is, the deviation of each pixel from the design value of the resonance frequency f R is strongly dependent on the realization precision of the end inductance L L than achieved precision of the coupling capacitor C C.

また、磁気結合型においては、共振器−SQUID間結合を司る相互インダクタンス(図3(a)のMMW)より充分大きな値を、検出器−SQUID間結合を司る相互インダクタンス(図3(a)のM)に持たせる必要があるため、SQUIDリングのすぐ外側に検出器との結合用コイル(図3(a)のL)を置き、更にその外に共振器との結合コイル(図3(a)のLMW)を配置することが一般的である(非特許文献1〜3参照)。
このような配置では、共振器−SQUID間結合を担うコイルLMWの形状・寸法は、検出器−SQUID間結合コイルLの形状、寸法と独立して設計することができない。
そのため、画素毎に異なる仕様の検出器アレイに対応する多重読出回路チップ上には、検出器との結合コイルLのみならず、共振器に対しても画素毎に異なる形状、寸法、インダクタンスとの結合コイルLMWが必要となる(非特許文献5参照)。
よって、単一の共振器−SQUID間結合コイルを適用するチップに比べ、終端インダクタンスLや相互インダクタンスMMWの実現精度を全画素で一定値以下に抑えることが困難となる。
In the magnetic coupling type, a value sufficiently larger than the mutual inductance (M MW in FIG. 3A) that controls the coupling between the resonator and the SQUID is set to a mutual inductance that controls the coupling between the detector and the SQUID (FIG. 3A). Therefore, a coupling coil for the detector (L I in FIG. 3A) is placed just outside the SQUID ring, and further, a coupling coil for the resonator (FIG. 3) is placed outside the coupling coil. It is common to arrange (L MW ) of (a) (see Non-Patent Documents 1 to 3).
In such an arrangement, the shape and dimensions of the coil L MW responsible for between resonators -SQUID binding, the shape of the detector -SQUID linkages coil L I, can not be designed independently of the dimensions.
Therefore, on multiple readout circuit chip corresponding to the detector array having different specifications for each pixel, not only the coupling coil L I and the detector, different shapes for each pixel with respect to the resonator, the size, inductance Coupling coil L MW is required (see Non-Patent Document 5).
Therefore, it becomes difficult to suppress the realization accuracy of the termination inductance L L and the mutual inductance M MW to a certain value or less in all pixels as compared with a chip to which a single resonator-SQUID coupling coil is applied.

以上、マイクロ波帯周波数多重読出装置では、終端インダクタンスLを低減できる直接結合型の選択により、終端インダクタンスLの実現精度が共振周波数fの実現精度を支配しない条件、つまり、L/Z<<Cの条件を実現することができる。 Above, in the microwave band frequency multiplexing readout device, the selection of the direct coupling type capable of reducing end inductance L L, conditions that achieve the accuracy of the terminating inductance L L does not dominate the realization precision of the resonance frequency f R, i.e., L L / The condition of Z 0 << C C Z 0 can be realized.

SQUIDの入力磁束換算でΦ/2に相当する検出器出力電流が変化した場合の共振周波数fの変化幅をΔfとする。なお、Φ≡h/(2e)は、磁束量子であり、hは、Plank定数であり、eは、単位電荷であり、SQUIDの磁束に対する応答は、Φ周期であることが知られている。磁気結合型において、Δfとfとの関係式は、次式(5)で与えられる(非特許文献2参照)。 The range of change in the resonance frequency f R in the case where the detector output current corresponding to [Phi 0/2 in SQUID input magnetic flux conversion is changed to Delta] f R. Note that Φ 0 ≡h / (2e) is a magnetic flux quantum, h is a Plank constant, e is a unit charge, and the response of the SQUID to the magnetic flux is known to be a Φ 0 period. Yes. In the magnetic coupling type, a relational expression between Δf R and f R is given by the following expression (5) (see Non-Patent Document 2).

ただし、前記式(5)中、λ≡L/LJ0であり、検出器読出に必要な入力磁束(電流)から出力周波数への一対一の対応関係を確保するためには、λ<1が要求されることが知られている。また、本発明者らの計算によると、入力から出力への変換効率を大きくとるためには、λ≦0.6が望ましい。
前記式(5)は、各画素固有のη 値を各SQUIDに割り当てることにより、異なるfを持つ各画素間でΔfを一定値に揃え得ることを意味する。
However, in the above equation (5), λ≡L S / L J0 , and in order to ensure a one-to-one correspondence from input magnetic flux (current) required for detector reading to output frequency, λ <1 Is known to be required. Further, according to the calculation by the present inventors, λ ≦ 0.6 is desirable in order to increase the conversion efficiency from input to output.
The equation (5) means that Δf R can be set to a constant value between pixels having different f R by assigning a η M 2 L S value unique to each pixel to each SQUID.

一方、直接結合型の従来研究(非特許文献1,2参照)では、共振器との結合に関与するインダクタンスは自己インダクタンスLのみで、磁気結合型のような2つのインダクタンス(自己インダクタンスLと相互インダクタンスMMW)による自由度が存在しないため、前記式(5)で示すような、異なる共振周波数fを持つ画素間でΔfを一定値に揃えることができなかった。
本発明者らは、図3(b)に示すように、共振器からの信号注入線を軸にSQUIDリングの自己インダクタンスLを左右に分割できることに着目し、ジョセフソン接合素子側インダクタンスをaL、反対側を(1−a)Lとする分割パラメータa(共振器からの信号注入線を軸とするSQUIDリングの自己インダクタンスLの左右の分割指数;0<a<1)を導入することを提案した(非特許文献4参照)。
また、本発明者らは、その後、分割パラメータaの利用により、磁気結合型と同様のΔf−f間の自由度を直接結合型に持たせられることを発見した。即ち、この系におけるΔf及び共振周波数fの関係式は、次式(6)となる。
On the other hand, in direct coupling type conventional research (see Non-Patent Documents 1 and 2), the inductance involved in coupling with the resonator is only the self-inductance L S , and two inductances (self-inductance L S as in the magnetic coupling type). Since there is no degree of freedom due to mutual inductance M MW ), Δf R cannot be made to be a constant value between pixels having different resonance frequencies f R as shown in Equation (5).
As shown in FIG. 3B, the present inventors pay attention to the fact that the self-inductance L S of the SQUID ring can be divided into left and right with the signal injection line from the resonator as an axis, and the Josephson junction element side inductance is expressed as aL. Introduce a division parameter a ( S -ID of the self-inductance L S of the SQUID ring with the signal injection line from the resonator as an axis; 0 <a <1) where S is the opposite side (1-a) L S It was proposed to do (refer nonpatent literature 4).
Further, the present inventors subsequently discovered that the direct coupling type can have the same degree of freedom between Δf R and f R as in the magnetic coupling type by using the division parameter a. That is, the relational expression between Δf R and resonance frequency f R in this system is the following expression (6).

ただし、η≡1−aであり、前記式(5)においてηをη(或いはMMW /Lを(1−a))に置き換えると、前記式(6)が得られる。 However, an η D ≡1-a, replacing the equation eta M the eta D (a or M MW 2 / L S (1 -a) 2 L S) in (5), the equation (6) can get.

ところで、この提案では、マイクロ波帯周波数多重読出装置に広く使われている平面構造リングを持つSQUIDに対し、マイクロストリップ型(鉛直型)SQUIDリングを採用している。
平面構造リングは、鉛直方向の同一層にある超伝導体製の電極のみから構成され、この電極下に超伝導体製のグランド電極を持たない。平面構造リングは、磁力計用SQUIDとして多用されているが、そのインダクタンスの実現値と設計値との誤差に関する実験報告は少なく、マイクロ波帯周波数多重読出装置のように、高精度なΔfや共振周波数fの実現が要求される装置への適用性が充分とは言い難い。
また、磁力計用SQUIDで用いられるL≒70pHのリングに対し、マイクロ波帯周波数多重読出装置ではL≒10pHのSQUIDリングが望まれるが、平面構造リングは、このような小さな値の自己インダクタンスLを実現しようとすると、検出器との結合効率が低くなる欠点がある。
これに対し、マイクロストリップ型(鉛直型)SQUIDリングでは、最下層に超伝導体製のグランド電極が存在し、その上に層間絶縁層を挟んで超伝導体製のストリップ電極が積層される(非特許文献4参照)。
マイクロストリップ型(鉛直型)SQUIDリングでは、インダクタンス値が、インダクタンスの長さと幅の比に比例するという、単純かつ物理的イメージと結び付きやすい解析式が与えられる(非特許文献6参照)。また、この解析式による設計の高精度な実現性が、これまで多くの実験により検証されている。
前者の理由を説明する。ストリップ電極の一の方向に電流Iを流すと、大きさが等しく逆向きの鏡像電流−Iが、グランド電極中のストリップ電極の真下の領域に流れる。鉛直方向の往復電流(I,−I)は、これら電極より充分離れた場所からは区別し難いほど近接(典型的には約10−7m)した位置で流れるため、この往復電流により発生する磁界は遠方で打ち消し合い、水平方向がストリップ電極の幅、鉛直方向が層間絶縁層の厚みに上下電極の磁界侵入厚みを加えた厚みにより、それぞれ定義される長方形断面の狭い領域にほぼ閉じ込められると考えて差支えない。しかも、その長方形断面内での磁界は、場所に依らずほぼ一定値であることが電磁気学により知られていることから、その均一磁界に長方形の断面積と真空透磁率を単純に乗じることにより、往復電流(I,−I)への鎖交磁束が高い精度で求められる。
インダクタンスは、鎖交磁束量を往復電流で除すことにより求まる物理量であるから、グランド電極がなく鏡像電流が生じないため、鉛直方向ではなく、水平方向に10−5m程度も離れて相対する2つの電極を流れる往復電流が鎖交磁束を発成する平面構造リングに比べ、マイクロストリップ型SQUIDリングでは、SQUIDリングへの鎖交磁束量が減少する。
よって、マイクロストリップ型SQUIDリングは、L≒10pHの小インダクタンスの実現に適している。
以上から、マイクロストリップ型SQUIDリングを直接結合型のマイクロ波帯周波数多重読出装置へ適用することが有利となる。
By the way, in this proposal, a microstrip type (vertical type) SQUID ring is adopted for a SQUID having a planar structure ring that is widely used in microwave band frequency division readout devices.
The planar structure ring is composed of only a superconductor electrode in the same vertical layer, and does not have a superconductor ground electrode under the electrode. The planar structure ring is widely used as a SQUID for magnetometers, but there are few experimental reports on the error between the actual value of the inductance and the design value, and high-precision Δf R and difficult applicability to say that sufficient to apparatus realizing the resonant frequency f R is required.
Also, in contrast to the ring of L S ≈70 pH used in the SQUID for magnetometers, the SQUID ring of L S ≈10 pH is desired in the microwave frequency division multiplexing readout device, but the planar structure ring has such a small value of self If the inductance L S is to be realized, there is a disadvantage that the coupling efficiency with the detector is lowered.
On the other hand, in the microstrip type (vertical type) SQUID ring, a superconductor ground electrode is present in the lowermost layer, and a superconductor strip electrode is laminated thereon with an interlayer insulating layer interposed therebetween ( Non-patent document 4).
In the microstrip type (vertical type) SQUID ring, an analytical expression that is easy to be associated with a physical image is given that the inductance value is proportional to the ratio of the length and width of the inductance (see Non-Patent Document 6). In addition, the high-precision feasibility of designing with this analytical expression has been verified by many experiments so far.
Explain the reason for the former. When a current I 1 is passed in one direction of the strip electrode, a mirror image current −I 1 having the same magnitude and opposite direction flows in a region immediately below the strip electrode in the ground electrode. The vertical reciprocating current (I 1 , −I 1 ) flows at a position that is so close (typically about 10 −7 m) that it is difficult to distinguish from a location sufficiently away from these electrodes. The generated magnetic fields cancel each other at a distance, and the horizontal direction is almost confined in a narrow area with a rectangular cross section defined by the width of the strip electrode and the vertical direction by the thickness of the interlayer insulation layer plus the thickness of the upper and lower electrodes. You can think of it. Moreover, since it is known from electromagnetism that the magnetic field in the rectangular cross section is almost constant regardless of location, by simply multiplying the uniform magnetic field by the rectangular cross section and the vacuum permeability. The flux linkage to the reciprocating current (I 1 , −I 1 ) is obtained with high accuracy.
Since the inductance is a physical quantity obtained by dividing the flux linkage by the reciprocating current, there is no ground electrode and no mirror image current is generated. Therefore, the inductance is opposed to about 10 −5 m in the horizontal direction, not in the vertical direction. In the microstrip SQUID ring, the amount of flux linkage to the SQUID ring is reduced compared to a planar structure ring in which a reciprocating current flowing through two electrodes generates a flux linkage.
Therefore, the microstrip type SQUID ring is suitable for realizing a small inductance of L S ≈10 pH.
From the above, it is advantageous to apply the microstrip type SQUID ring to a direct coupling type microwave band frequency division multiplex reading apparatus.

しかし、前記提案(非特許文献4)では、a=0.5に固定した場合の自己インダクタンスLとリングインダクタンス長が線形関係にあることを示すのみで、以下の点が明らかにされていない。
(1)幅広い範囲の分割パラメータaを実現するために適したデバイスの構造、形状、寸法。
(2)aLや(1−a)Lの実現値と設計値との差。
However, the above proposal (Non-Patent Document 4) merely shows that the self-inductance L S and the ring inductance length are in a linear relationship when a = 0.5 is fixed, and the following points are not clarified. .
(1) Device structure, shape, and dimensions suitable for realizing a wide range of division parameters a.
(2) aL S and (1-a) the difference between the design value and the actual values of L S.

前記(1)に関しては、異なる形状、構造、寸法を分割パラメータaの異なるSQUIDに持たせた場合(非特許文献5参照)、画素数増大に伴いチップ上に多数種のSQUIDが必要となり、fの実現精度を損なうことが懸念される。
本問題の解決には、全画素の実現精度を一定値以内に抑えることが容易なデバイス構造・寸法・形状が望まれる。
つまり、幅広い範囲の分割パラメータaに渡り、共振周波数fの異なる多くの画素に対し、共通した形状・構造・寸法を持つSQUIDの適用が求められる。
前記(2)に関しては、設計通りのΔfやfの実現が、周波数多重読出回路が正常に機能するための重要な鍵となることから、その実現手段が求められる。
Regarding (1), when different SQUIDs having different shapes, structures, and dimensions have different division parameters a (see Non-Patent Document 5), many kinds of SQUIDs are required on the chip as the number of pixels increases, and f There is concern that the accuracy of realization of R may be impaired.
In order to solve this problem, a device structure, size, and shape that can easily suppress the realization accuracy of all pixels within a certain value is desired.
That is, over the division parameter a wide range, for many pixels having different resonant frequencies f R, application of the SQUID is required to have a common shape, structure and size.
Regarding (2), realization of Δf R and f R as designed is an important key for the normal functioning of the frequency-multiplexed readout circuit.

J. A. B Mates et al.: “Demonstration of a multiplexer of dissipationless superconducting quantum interference devices,” Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 023514 (DOI: 10.1063/1.2803852).J. A. B Mates et al .: “Demonstration of a multiplexer of dissipationless superconducting quantum interference devices,” Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 023514 (DOI: 10.1063 / 1.2803852). J. A. B Mates: “The microwave SQUID multiplexer,” Ph.D thesis, Univ. Colorado (2011).J. A. B Mates: “The microwave SQUID multiplexer,” Ph.D thesis, Univ. Colorado (2011). S. Kempf et al.: “Demonstration of a scalable frequency-domain readout of metallic magnetic calorimeters by means of a SQUID multiplexers,” AIP advances, 7 (2017) 015007 (DOI:10.1063/1.4973872).S. Kempf et al .: “Demonstration of a scalable frequency-domain readout of metallic magnetic calorimeters by means of a SQUID multiplexers,” AIP advances, 7 (2017) 015007 (DOI: 10.1063 / 1.4973872). F. Hirayama et al.: “Microwave SQUID Multiplexer for TES Readout,” IEEE Trans. Appl. Supercond., 23 (2013) 2500405(DOI. 10.1109/TASC.2012.2237474).F. Hirayama et al .: “Microwave SQUID Multiplexer for TES Readout,” IEEE Trans. Appl. Supercond., 23 (2013) 2500405 (DOI. 10.1109 / TASC.2012.2237474). D. Swetz, et al.: “First x-ray scattering observations by the NIST-Illinois soft x-ray microcalorimeter spectrometer at the Advanced Photon Source,” 2EOr2D-04, Appl. Supercond. Conf. 2014, Charlotte,U.S.A., 10-15 August, 2014.D. Swetz, et al .: “First x-ray scattering observations by the NIST-Illinois soft x-ray microcalorimeter spectrometer at the Advanced Photon Source,” 2EOr2D-04, Appl. Supercond. Conf. 2014, Charlotte, USA, 10 -15 August, 2014. W. H. Chang: “The inductance of a superconducting strip transmission line,” J. Appl. Phys., 50 (1979) 8129 (DOI: 10.1063/1.325953).W. H. Chang: “The inductance of a superconducting strip transmission line,” J. Appl. Phys., 50 (1979) 8129 (DOI: 10.1063 / 1.325953).

本発明は、従来技術における前記諸問題を解決し、幅広い範囲の分割パラメータaに渡り、共振周波数fの異なる多くの画素に対し、共通した形状・構造・寸法を持ち、かつ、設計値との誤差が小さなSQUIDを有する周波数多重読出装置及びその設計方法を提供することを課題とする。 The present invention solves the above-mentioned problems in the prior art, and has a common shape, structure, and dimensions for many pixels having different resonance frequencies f R over a wide range of division parameters a, It is an object of the present invention to provide a frequency multiplex readout apparatus having a SQUID with a small error and a design method thereof.

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
<1> SQUID、共振器及びキャパシタがこの順で直列接続され、固有の共振周波数を有する共振回路として形成される読出部と、前記SQUIDと接続され、検出信号に応じて前記読出部の前記共振周波数を変化させる検出部とを各々有し、前記共振周波数が互いに異なる複数の画素と、前記画素と前記キャパシタ側で接続され、入力端から前記画素毎の前記共振周波数と同一周波数の信号を周波数軸上で分散し多重化させた周波数分散多重化信号が供給されるとともに、出力端から前記共振周波数の変化前後における前記周波数分散多重化信号の変調信号が出力可能とされる一本の読出線とが配され、前記SQUIDが、前記検出部と接続される入力コイルと、前記共振器と電気的に接続されるとともにジョセフソン接合が形成される環状電極と、前記環状電極と対向して配されるグランド電極と、前記環状電極−前記グランド電極間を電気的に接続するグランドコンタクトとを有し、前記環状電極が前記共振器と前記グランドコンタクトとを並列接続させる構成とされ、複数の前記画素における各々の前記SQUIDが、前記入力コイル、前記環状電極及び前記グランド電極を共通させて形成されるとともに前記環状電極に対する前記グランドコンタクトの形成位置が異なるように形成されることを特徴とする周波数多重読出装置。
<2> 環状電極の自己インダクタンスをLとして、前記環状電極の並列接続を構成する共振器−グランドコンタクト間の2つの接続における自己インダクタンスを、それぞれaLと(1−a)Lとする分割パラメータaが、次式、0.02≦a≦0.98を満たす前記<1>に記載の周波数多重読出装置。
<3> 分割パラメータaが、次式、0.29≦a≦0.77を満たす前記<2>に記載の周波数多重読出装置。
<4> 環状電極の自己インダクタンスが5pH以上である前記<1>から<3>のいずれかに記載の周波数多重読出装置。
<5> 各画素における共振周波数が4GHz以上である前記<4>に記載の周波数多重読出装置。
<6> SQUID、共振器及びキャパシタがこの順で直列接続され、固有の共振周波数を有する共振回路として形成される読出部と、前記SQUIDと接続され、検出信号に応じて前記読出部の前記共振周波数を変化させる検出部とを有し、前記共振周波数が互いに異なる複数の画素と、前記画素と前記キャパシタ側で接続され、入力端から前記画素毎の前記共振周波数と同一周波数の信号を周波数軸上で分散し多重化させた周波数分散多重化信号が供給されるとともに、出力端から前記共振周波数の変化前後における前記周波数分散多重化信号の変調信号が出力される一本の読出線とが配され、前記SQUIDが、前記検出部と接続される入力コイルと、前記共振器と電気的に接続されるとともにジョセフソン接合が形成される環状電極と、前記環状電極と対向して配されるグランド電極と、前記環状電極−前記グランド電極間を電気的に接続するグランドコンタクトとを有し、前記環状電極が前記共振器と前記グランドコンタクトとを並列接続させる構成とされる周波数多重読出装置に対し、複数の前記画素における各々の前記SQUIDを、前記入力コイル、前記環状電極及び前記グランド電極が共通するように設計するとともに前記環状電極に対する前記グランドコンタクトの形成位置が異なるように設計することを特徴とする周波数多重読出装置の設計方法。
<7> 環状電極の自己インダクタンスをLとして、前記環状電極の並列接続を構成する共振器−グランドコンタクト間の2つの接続における自己インダクタンスを、それぞれaLと(1−a)Lとする分割パラメータaが、次式、0.02≦a≦0.98を満たすように前記環状電極に対するグランドコンタクトの形成位置を設計する前記<6>に記載の周波数多重読出装置の設計方法。
<8> 分割パラメータaが、次式、0.29≦a≦0.77を満たすように環状電極に対するグランドコンタクトの形成位置を設計する前記<7>に記載の周波数多重読出装置の設計方法。
Means for solving the problems are as follows. That is,
<1> A SQUID, a resonator, and a capacitor are connected in series in this order, and a readout unit formed as a resonant circuit having a specific resonance frequency, and connected to the SQUID, and the resonance of the readout unit according to a detection signal A plurality of pixels each having a different resonance frequency, connected to the pixel on the capacitor side, and a signal having the same frequency as the resonance frequency for each pixel from the input end. A single readout line to which a frequency dispersion multiplexed signal distributed and multiplexed on the axis is supplied and a modulation signal of the frequency dispersion multiplexed signal before and after the change of the resonance frequency can be output from the output end The SQUID is electrically connected to the input coil connected to the detection unit and the resonator, and a Josephson junction is formed. An annular electrode; a ground electrode disposed opposite to the annular electrode; and a ground contact that electrically connects the annular electrode to the ground electrode, wherein the annular electrode is connected to the resonator and the ground contact. The SQUIDs of the plurality of pixels are formed in common with the input coil, the annular electrode, and the ground electrode, and the formation position of the ground contact with respect to the annular electrode is A frequency multiplex readout device, wherein the frequency multiplex readout device is formed differently.
<2> of the annular electrode self-inductance as L S, resonators constitutes a parallel connection of the annular electrode - two self-inductance in the connections between the ground contacts, respectively and aL S and (1-a) L S The frequency multiplex readout apparatus according to <1>, wherein the division parameter a satisfies the following expression: 0.02 ≦ a ≦ 0.98.
<3> The frequency multiplex reading apparatus according to <2>, wherein the division parameter a satisfies the following expression: 0.29 ≦ a ≦ 0.77.
<4> The frequency multiple readout device according to any one of <1> to <3>, wherein the self-inductance of the annular electrode is 5 pH or more.
<5> The frequency multiplex readout device according to <4>, wherein the resonance frequency in each pixel is 4 GHz or more.
<6> A SQUID, a resonator, and a capacitor are connected in series in this order, and a readout unit formed as a resonance circuit having a specific resonance frequency, and the resonance of the readout unit connected to the SQUID and in accordance with a detection signal A plurality of pixels having different resonance frequencies, connected to the pixels on the capacitor side, and a signal having the same frequency as the resonance frequency for each pixel from the input end. The frequency dispersion multiplexed signal distributed and multiplexed above is supplied, and a single readout line from which the modulation signal of the frequency dispersion multiplexed signal before and after the change of the resonance frequency is output from the output end is arranged. The SQUID is connected to the detection unit, and an annular electrode that is electrically connected to the resonator and forms a Josephson junction. A ground electrode disposed opposite to the annular electrode, and a ground contact for electrically connecting the annular electrode to the ground electrode, wherein the annular electrode parallels the resonator and the ground contact. For the frequency multiplex readout device configured to be connected, each SQUID in a plurality of the pixels is designed so that the input coil, the annular electrode, and the ground electrode are in common, and the ground contact to the annular electrode A design method for a frequency multiplex readout apparatus, wherein the design is made so that the formation positions of the two are different.
<7> of the annular electrode the self-inductance as L S, resonators constitutes a parallel connection of the annular electrode - two self-inductance in the connections between the ground contacts, respectively and aL S and (1-a) L S The design method of the frequency multiplex readout device according to <6>, wherein the formation position of the ground contact with respect to the annular electrode is designed so that the division parameter a satisfies the following expression: 0.02 ≦ a ≦ 0.98.
<8> The method for designing a frequency multiplex readout apparatus according to <7>, wherein the formation position of the ground contact with respect to the annular electrode is designed so that the division parameter a satisfies the following expression: 0.29 ≦ a ≦ 0.77.

本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、幅広い範囲の分割パラメータaに渡り、共振周波数fの異なる多くの画素に対し、共通した形状・構造・寸法を持ち、かつ、設計値との誤差が小さなSQUIDを有する周波数多重読出装置及びその設計方法を提供することができる。 According to the present invention, the above-mentioned problems in the prior art can be solved, and a common shape, structure, and dimensions are provided for many pixels having different resonance frequencies f R over a wide range of division parameters a. In addition, it is possible to provide a frequency multiplex readout apparatus having a SQUID with a small error from a design value and a design method thereof.

従来のマイクロ波帯周波数多重読出装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional microwave band frequency multiplex reading apparatus. 多重化チップから出力される周波数多重信号の周波数対透過率特性(図中の(a))と、図中の(a)に丸印で示す部分を拡大した周波数対透過率特性(図中の(b))を示す図である。Frequency vs. transmittance characteristics ((a) in the figure) of the frequency multiplexed signal output from the multiplexing chip, and frequency vs. transmittance characteristics ((a) in the figure) in which the portion indicated by a circle is enlarged It is a figure which shows (b)). 磁気結合型による共振器−SQUID結合の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the resonator-SQUID coupling | bonding by a magnetic coupling type. 直接結合型による共振器−SQUID結合の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the resonator-SQUID coupling | bonding by a direct coupling type. 本発明の一実施形態に係る周波数多重読出装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the frequency multiplexing read-out apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明における共振器−SQUID結合の一例を示す光学顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope photograph which shows an example of the resonator-SQUID coupling | bonding in this invention. 図5(a)中のA’−A’’線断面を模式的に示す図である。FIG. 6 is a diagram schematically showing a cross section taken along line A′-A ″ in FIG. 本発明における共振器−SQUID結合の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the resonator-SQUID coupling | bonding in this invention. aL及び(1−a)Lの各実測値と、両者の和から求めたSQUID環状電極の自己インダクタンスLとの関係を示す図である。each measured value of aL S and (1-a) L S, is a view showing the relationship between the self-inductance L S of the SQUID ring electrodes which has been determined from the sum of both. 設計値及び実測値の双方の分割パラメータaの電極長lJJ依存性を示す図である。It is a figure which shows the electrode length lJJ dependence of the division parameter a of both a design value and an actual measurement value. SQUIDの入力磁束変化に対する共振周波数fとその最大変化量Δfとの関係を示す図である。It is a diagram showing the relationship between the resonant frequency f R for the SQUID input magnetic flux change between the maximum amount of change Delta] f R.

(周波数多重読出装置及びその設計方法)
本発明の周波数多重読出装置及びその設計方法について、図面を参照しつつ説明する。
図4に示すように本発明の一実施形態に係る周波数多重読出装置は、複数の画素が配される多重化チップ10を主な部材として構成される。多重化チップ10は、検出チップ11、読出チップ12及びマイクロ波読出線210,211,212,213で構成される。なお、図4は、本発明の一実施形態に係る周波数多重読出装置の構成を示す図である。
(Frequency multiplex readout device and design method thereof)
A frequency multiplex readout apparatus and a design method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 4, the frequency multiplex readout apparatus according to an embodiment of the present invention includes a multiplexed chip 10 in which a plurality of pixels are arranged as a main member. The multiplexing chip 10 includes a detection chip 11, a readout chip 12, and microwave readout lines 210, 211, 212, and 213. FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a frequency multiplex reading apparatus according to an embodiment of the present invention.

読出チップ12は、SQUID(SQUID入力コイル151、SQUIDリングインダクタンス161等)、超伝導薄膜共振器等で構成される共振器181及び結合キャパシタ191がこの順で直列接続され、固有の共振周波数fを有する共振回路として形成される1つの読出部と、この読出部と同様に構成される他の読出部群(SQUID(SQUID入力コイル152,153、SQUIDリングインダクタンス162,163等)、共振器182,183及び結合キャパシタ192,193)とを有する。複数の読出部は、それぞれ共振器(181,182,183)の長さに応じて、異なる共振周波数fが設定される。
なお、本発明における技術の核となるSQUIDの詳細については、別途、図面を参照しつつ後述する。
In the reading chip 12, a resonator 181 including a SQUID (SQUID input coil 151, a SQUID ring inductance 161, etc.), a superconducting thin film resonator, and the like, and a coupling capacitor 191 are connected in series in this order, and a specific resonance frequency f R One readout section formed as a resonance circuit having other readout section groups (SQUID (SQUID input coils 152, 153, SQUID ring inductances 162, 163, etc.), resonator 182 configured similarly to the readout section) , 183 and coupling capacitors 192, 193). Different resonance frequencies f R are set in the plurality of reading units according to the lengths of the resonators (181, 182 and 183), respectively.
The details of the SQUID that is the core of the technology in the present invention will be described later with reference to the drawings.

検出チップ11は、超伝導転移端検出器(Transition Edge Sensor;TES)等で構成される超伝導検出器131が配線インダクタンス141を介してSQUIDのSQUID入力コイル151と接続され、検出信号に応じて読出部の共振周波数fを変化させる1つの検出部と、この検出部と同様に構成される他の検出部群(SQUID(超伝導検出器132,133、配線インダクタンス142,143)とを有する。各検出部は、1対1の関係で読出部と接続され、1つの検出部と読出部とで1つの画素が構成される。
検出部における検出対象となる物理量としては、超伝導検出器の構成に応じて種々設定でき、一般に光子・粒子等のエネルギーや電磁波の振幅等が挙げられる。
In the detection chip 11, a superconducting detector 131 composed of a superconducting transition edge detector (TES) or the like is connected to a SQUID SQUID input coil 151 via a wiring inductance 141, and according to a detection signal. One detection unit that changes the resonance frequency f R of the reading unit and another detection unit group (SQUID (superconducting detectors 132 and 133, wiring inductances 142 and 143) configured similarly to the detection unit) Each detection unit is connected to the readout unit in a one-to-one relationship, and one pixel is configured by one detection unit and the readout unit.
The physical quantity to be detected in the detection unit can be variously set according to the configuration of the superconducting detector, and generally includes the energy of photons and particles, the amplitude of electromagnetic waves, and the like.

マイクロ波読出線210,211,212,213…で形成される一本の読出線は、線間接続点(例えば、マイクロ波読出線210と211との間の接続点)において、各画素と読出部のキャパシタ側で接続され、入力端側のマイクロ波信号源24から画素毎の共振周波数fと同一周波数の信号を周波数軸上で分散し多重化させた周波数分散多重化信号が供給されるとともに、出力端から前記共振周波数の変化前後における前記周波数分散多重化信号の変調信号が出力可能とされる。
なお、出力信号は、例えば、高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor;HEMT)等で構成される極低温低雑音増幅器22で増幅され、同軸線23を介して外部の計測器(不図示)で解析される。
また、多重化チップ10及び極低温低雑音増幅器22は、超伝導動作のため、クライオスタット等で構成される極低温冷却装置20に収容される。
One readout line formed by the microwave readout lines 210, 211, 212, 213,... Is read out from each pixel at an inter-line connection point (for example, a connection point between the microwave readout lines 210 and 211). It is connected by a capacitor side parts, frequency dispersion multiplexed signal obtained by multiplexing distributed on the frequency axis signal of the resonance frequency f R of the same frequency for each pixel from the microwave signal source 24 of the input end is supplied At the same time, the modulation signal of the frequency dispersion multiplexed signal before and after the change of the resonance frequency can be output from the output end.
The output signal is amplified by a cryogenic low noise amplifier 22 configured by, for example, a high electron mobility transistor (HEMT) or the like, and is connected to an external measuring instrument (not shown) via a coaxial line 23. Is analyzed.
Further, the multiplexing chip 10 and the cryogenic low noise amplifier 22 are accommodated in a cryogenic cooling device 20 composed of a cryostat or the like for superconducting operation.

このように構成される周波数多重読出装置が有する一般的な動作について説明する。
画素数N(1以上の整数)と同じ個数Nの共振器は、それぞれ、各共振周波数fが周波数軸上で分散するよう画素毎の値を持つ。
ある共振器の共振周波数fは、検出部の出力に伴い変化する。検出部の出力電流は、SQUIDに流れ、SQUIDの内部インダクタンス、即ち、共振器の終端条件を変化させる。
この原理に基づき、共振周波数fが各検出部で検出される検出信号の関数となる。
したがって、検出部への入力信号が入力無し(=0)の場合の共振周波数fと入力有りの場合の共振周波数fとの差を全画素に関し測定すれば、各々の画素への検出信号を同定し得る。N個の共振器の他端は、結合キャパシタCを介して1本のマイクロ波読出線に接続される。
A general operation of the frequency multiplex readout apparatus configured as described above will be described.
The same number N of resonators as the number of pixels N (an integer equal to or greater than 1) has a value for each pixel so that the resonance frequencies f R are dispersed on the frequency axis.
The resonance frequency f R of a resonator, varies with the output of the detection unit. The output current of the detector flows through the SQUID, and changes the internal inductance of the SQUID, that is, the termination condition of the resonator.
Based on this principle, the resonance frequency f R is a function of the detection signal detected by each detection unit.
Therefore, the detection signal of the difference between the resonance frequency f R in the case of there is an input to the resonance frequency f R in the case of the input signal is no input to the detection section (= 0) is measured relates all the pixels, to each of the pixels Can be identified. The other end of the N resonators are connected to one microwave read lines via a coupling capacitor C C.

この系において、共振周波数fから十分離れた周波数の読出信号に対して、マイクロ波読出線に接続された結合キャパシタCと各共振器の直列インピーダンスとをマイクロ波読出線の50Ωに比べ充分高く設計しておくと、結合キャパシタCにおいてマイクロ波読出線から共振器側に分岐するマイクロ波電流を無視することができる。
即ち、入力端から注入したマイクロ波電力は、共振器側に流出せず、殆ど全て出力端に接続された計測器で消費される。一方、共振周波数fにおいては、マイクロ波読出線に接続された結合キャパシタCと各共振器の直列インピーダンスとは、殆ど0となり、マイクロ波電流の殆どは、結合キャパシタCにおいてマイクロ波読出線から共振器側に流出し、その結果、読出線を通って室温の出力端へ流れる電流が激減する。つまり、入力端から注入したマイクロ波電力は、共振状態にある共振器で反射され、出力端抵抗での消費は激減する。
In this system, with respect to the read signal sufficiently distant frequency from the resonant frequency f R, thoroughly than a coupling capacitor C C connected to the microwave read line and the series impedance of each resonator to 50Ω microwave read line If you leave high design, it is possible to ignore the microwave current branch to the resonator side of the microwave read line in the coupling capacitor C C.
That is, the microwave power injected from the input end does not flow out to the resonator side and is almost entirely consumed by the measuring instrument connected to the output end. On the other hand, in the resonance frequency f R, and the series impedance of the coupling capacitor C C and the resonators connected to the microwave read line, almost zero, most of the microwave current, microwave read in the coupling capacitor C C As a result, the current flowing out from the line to the resonator side and flowing through the readout line to the output terminal at room temperature is drastically reduced. That is, the microwave power injected from the input end is reflected by the resonator in the resonance state, and consumption at the output end resistance is drastically reduced.

以上の共振現象がN個の共振周波数fに対し起こるので、チップのマイクロ波透過率の周波数依存性は、先の図2中の(a)に示す形となる。また、各共振周波数fは、先の図2中の(b)に示すように、共振器と結合した超伝導量子干渉素子(SQUID)への入力電流を介して各画素への入射光強度による変調を受ける。
マイクロ波読出線の出力端側における計測器で、これらの情報を一度に読み取れば、少数読出線による多画素出力の同時読出を実現することができる。
Since occur to the resonance frequency f R of the resonance phenomenon are N or more, the frequency dependence of the microwave transmittance of the chip, the form shown above in FIG. 2 in (a). Further, as shown in FIG. 2 (b), each resonance frequency f R is the intensity of incident light to each pixel via an input current to the superconducting quantum interference element (SQUID) coupled to the resonator. Received modulation by
If such information is read at once by a measuring instrument on the output end side of the microwave readout line, simultaneous readout of multiple pixel outputs by a small number of readout lines can be realized.

本発明に係る周波数多重読出装置におけるSQUIDは、検出部と接続される入力コイルと、共振器と電気接続されるとともにジョセフソン接合が形成される環状電極と、環状電極と対向して配されるグランド電極と、環状電極−グランド電極間を電気的に接続するグランドコンタクトとを有し、環状電極が共振器とグランドコンタクトとを並列接続させる構成とされる。
即ち、環状電極と共振器とを電気的に接続する直接結合型の共振器−SQUID結合とすることにより、先に述べた共振器の終端インピーダンスL(図3(b);LLDI参照)を低減させる構成とされる。
また、環状電極がグランド電極上に構成され、環状電極を流れる電流とグランド電極を流れるその鏡像電流により鎖交磁束が発生する、マイクロストリップ型(鉛直型)SQUIDリング構造を持たせることにより、環状電極の自己インダクタンス(SQUIDリングインダクタンス)Lを比較的低い値とし、かつ、自己インダクタンスLがインダクタンスの長さと幅の比に比例するという、単純かつ物理的イメージと結び付きやすい解析式(非特許文献6参照)に基づく設計指針と、その設計の高度な実現性が得られる。
The SQUID in the frequency multiplex readout apparatus according to the present invention is arranged to face the annular electrode, the input coil connected to the detector, the annular electrode that is electrically connected to the resonator and that forms the Josephson junction. A ground electrode and a ground contact that electrically connects the annular electrode and the ground electrode are provided, and the annular electrode connects the resonator and the ground contact in parallel.
That is, by using a direct coupling type resonator-SQUID coupling that electrically connects the annular electrode and the resonator, the termination impedance L L of the resonator described above (see FIG. 3B; LLDI ) It is set as the structure which reduces.
In addition, the annular electrode is formed on the ground electrode, and by providing a microstrip type (vertical type) SQUID ring structure in which an interlinkage magnetic flux is generated by a current flowing through the annular electrode and a mirror image current flowing through the ground electrode, Analytical formula that makes the electrode self-inductance (SQUID ring inductance) L S relatively low, and that the self-inductance L S is proportional to the ratio of the length and width of the inductance, which is easy to associate with a simple physical image (non-patented) The design guideline based on the literature 6) and the high feasibility of the design can be obtained.

本発明におけるSQUIDの一つの構成例を図5(a)〜(c)を参照しつつ、具体的に説明する。このSQUIDは、マイクロストリップ型(鉛直型)のSQUIDリング構造を有して構成される。なお、図5(a)は、本発明における共振器−SQUID結合の一例を示す光学顕微鏡写真である。また、図5(b)は、図5(a)中のA’−A’’線断面を模式的に示す図である。また、図5(c)は、本発明における共振器−SQUID結合の等価回路を示す図である。   One configuration example of the SQUID in the present invention will be specifically described with reference to FIGS. This SQUID has a microstrip type (vertical type) SQUID ring structure. FIG. 5A is an optical micrograph showing an example of the resonator-SQUID coupling in the present invention. FIG. 5B is a diagram schematically showing a cross section taken along line A′-A ″ in FIG. FIG. 5C is a diagram showing an equivalent circuit of the resonator-SQUID coupling in the present invention.

SQUIDは、検出部と接続される入力コイル(不図示)と、入力コイルと誘導結合される(マイクロストリップ(鉛直)型)SQUIDリング構造16とで構成される。
SQUIDリング構造16は、図5(a),(b)に示すように、層状の超伝導体製のグランド電極(GP,16a)と、グランド電極と対向して配される環状電極と、グランド電極−環状電極間を短絡させる、スルーホールで形成されたグランドコンタクト(GNP(LL to GP))とを有する。
環状電極は、超伝導体で形成され、グランド電極上に層間絶縁層(16b)を介して対向配置される層状のストリップ電極(Lower−Layer(LL),16c)と、超伝導体で形成され、ストリップ電極の離れた2つの部分の間を架け渡すように、層間絶縁層(不図視)を介してストリップ電極の上方に配される層状の上部電極(Upper−Layer(UL)、図5(a)中のJJ(UL to LL)を示す丸印が下端側に示される図視上、上下方向に延びる矩形状の部分)と、ストリップ電極−上部電極間を電気的に接続するように形成されるジョセフソン接合素子(JJ(UL to LL))と、上部電極における共振器(Resonator)との接続点を挟んでジョセフソン接合素子と対向配置され、ストリップ電極−上部電極間を電気的に接続する、超伝導体製のスルーホールで形成されたビア(Via(UL to LL))とで形成される。つまり、共振器と環状電極との接続は、ジョセフソン接合素子とビアとの間の上部電極部分で行われる。
このようにして構成されるSQUIDでは、環状電極中に共振器との接続点から分岐されてグランドコンタクトに至る2つの線路が形成され、環状電極は、これら2つの線路により共振器とグランドコンタクトとを並列接続させるように構成される。そして、これら2つの線路において、ジョセフソン接合素子を経由する側にaL、ビアを経由する側に(1−a)Lのインダクタンスが分配される(図5(c)参照)。
ここで、分割パラメータa(0<a<1)は、環状電極中のストリップ電極に対するグランドコンタクト(図5(a)参照)の形成位置に応じて設定される。
The SQUID is composed of an input coil (not shown) connected to the detector and an SQUID ring structure 16 (microstrip (vertical) type) that is inductively coupled to the input coil.
As shown in FIGS. 5A and 5B, the SQUID ring structure 16 includes a layered superconductor ground electrode (GP, 16a), an annular electrode disposed opposite to the ground electrode, and a ground It has a ground contact (GNP (LL to GP)) formed by a through hole that short-circuits between the electrode and the annular electrode.
The annular electrode is formed of a superconductor, and is formed of a superconductor with a layered strip electrode (Lower-Layer (LL), 16c) disposed opposite to the ground electrode via an interlayer insulating layer (16b). A layered upper electrode (Upper-Layer (UL), FIG. 5) is arranged above the strip electrode through an interlayer insulating layer (not shown) so as to bridge between two separated portions of the strip electrode. (A) A round mark indicating JJ (UL to LL) in the lower end side is a rectangular portion extending in the vertical direction in the figure) and the strip electrode and the upper electrode are electrically connected to each other. The Josephson junction element (JJ (UL to LL)) to be formed and the Josephson junction element are arranged opposite to each other across the connection point between the resonator in the upper electrode (Resonator), and the strip electrode It is formed with vias (Via (UL to LL)) formed by through holes made of superconductor that electrically connect the partial electrodes. That is, the connection between the resonator and the annular electrode is made at the upper electrode portion between the Josephson junction element and the via.
In the SQUID configured as described above, two lines that are branched from the connection point with the resonator to the ground contact are formed in the annular electrode, and the annular electrode is connected to the resonator and the ground contact by the two lines. Are configured to be connected in parallel. In these two lines, the inductance of aL S is distributed to the side passing through the Josephson junction element, and (1-a) L S is distributed to the side passing through the via (see FIG. 5C).
Here, the division parameter a (0 <a <1) is set according to the formation position of the ground contact (see FIG. 5A) with respect to the strip electrode in the annular electrode.

なお、環状電極の大部分を構成するストリップ電極は、一定の厚み、幅を持つマイクロストリップ構造をとり、図5(a)中、上下のそれぞれに凸状の屈曲部が形成された形状とされるが、この屈曲部は、環状電極の線路長による自己インダクタンスLの設定のため形成されるもので、より多く形成されていてもよいし、なくともよい。更に、環状電極の形状は、角環状、円環状であってもよく図5(a)に示す形状に限定されない。また、本例では、環状電極をストリップ電極と上部電極との2層構造で形成するが、環状電極は、線路中にジョセフソン接合が形成された1層の電極で形成されていてもよい。また、SQUIDとしては、公知のリソグラフィ加工等により製造することができる。 The strip electrode constituting most of the annular electrode has a microstrip structure having a constant thickness and width, and has a shape in which convex bent portions are formed on the upper and lower sides in FIG. However, the bent portion is formed for setting the self-inductance L S depending on the line length of the annular electrode, and may be more or less formed. Furthermore, the shape of the annular electrode may be a rectangular shape or an annular shape, and is not limited to the shape shown in FIG. In this example, the annular electrode is formed with a two-layer structure of a strip electrode and an upper electrode. However, the annular electrode may be formed of a single layer electrode in which a Josephson junction is formed in the line. Moreover, as SQUID, it can manufacture by well-known lithography processing etc.

図5(c)に示す等価回路における環状電極の自己インダクタンスLを左右の並列接続で分割させた(1−a)LとaLとは、環状電極の共振器との接合点からジョセフソン接合素子を経由しグランドコンタクトに至るまでの部分(およそ、ストリップ電極におけるジョセフソン接合素子からグランドコンタクトに至るまでの電極長lJJ(図5(a)参照)で示される部分)における自己インダクタンス(aL)と、環状電極の全長lTから電極長lJJを減じた、ビアを経由する残りの電極長における自己インダクタンス((1−a)L)で設定される。 (1-a) L S and aL S obtained by dividing the self-inductance L S of the annular electrode in the equivalent circuit shown in FIG. 5C by the left and right parallel connection are Josephson from the junction point with the resonator of the annular electrode. Self-inductance at a portion from the junction element to the ground contact (approximately the portion indicated by the electrode length l JJ from the Josephson junction element to the ground contact in the strip electrode (see FIG. 5A)) (AL S ) and the self-inductance ((1-a) L S ) in the remaining electrode length via the via obtained by subtracting the electrode length l JJ from the total length lT of the annular electrode.

こうしたマイクロストリップ型(鉛直型)のSQUIDリング構造の採用により、環状電極の自己インダクタンス(SQUIDリングインダクタンス)LのaLと(1−a)Lへの分割は、リングの形状・構造・寸法を一定にしたまま、両者のインダクタンス値を実現するような長さと幅の比を持つマイクロストリップ線路を双方に割り振ることに帰着される。
このことは、環状電極が単一幅のマイクロストリップ線路で構成される場合には、環状電極の全長lTを、単にa:(1−a)に内分することで、aLと(1−a)Lへの分割が実現することができることを意味する。
また、このaLと(1−a)Lとの分割は、グランドコンタクトの形成位置で設定することができ、環状電極に対するグランドコンタクトの形成位置は、ジョセフソン接合素子及びビアとの明確な分離が担保される距離まで近接させることが可能である。グランドコンタクトとジョセフソン接合素子又はビアとの間の最近接距離δは、リソグラフィ用露光装置のアライメント誤差等、素子作製時の加工精度で抑えられ、典型的には約1μmである。
この加工精度に、グランドコンタクト半径rGCと、ビア及びジョセフソン接合素子の半径rJVとを加えた値により決まる、分割パラメータaの最小値(δ+rGC+rJV)/lから分割パラメータaの最大値1−(δ+rGC+rJV)/lまでの範囲に相当する環状電極の任意の位置に、グランドコンタクトを配置可能である。
つまり、図5(a)〜(c)に示す共振器−SQUID間の直接結合方式は、共振周波数の異なる複数の画素間で、結合部の形状・構造・寸法を一定にしたまま、分割パラメータaを(δ+rGC+rJV)/l≦a≦1−(δ+rGC+rJV)/lの幅広い範囲の値に設定できることが理論的に予測される。例えば、典型的な値であるδ≒1μm、rGC≒5μm、rJV≒1μm、l≒500μmの下で、0.02≦a≦0.98の範囲での分割パラメータaを可変させることができる。
By adopting such a microstrip type (vertical type) SQUID ring structure, the ring electrode self-inductance (SQUID ring inductance) L S is divided into aL S and (1-a) L S. This results in allocating both microstrip lines having a ratio of length to width that realizes both inductance values while keeping the dimensions constant.
This means that if the annular electrode formed of a microstrip line of a single width, the total length lT annular electrodes, merely a: By internally divides (1-a), and aL S (1- a) It means that partitioning into L S can be realized.
Also, the division of this aL S and (1-a) L S may be set at a forming position of the ground contact, the formation positions of the ground contact to the annular electrode is clear of the Josephson device and via It is possible to make it close to a distance that ensures separation. The closest distance δ between the ground contact and the Josephson junction element or the via is suppressed by the processing accuracy at the time of element fabrication such as an alignment error of the lithography exposure apparatus, and is typically about 1 μm.
The minimum value of the division parameter a (δ + r GC + r JV ) / l T , which is determined by a value obtained by adding the ground contact radius r GC and the radius r JV of the via and Josephson junction element to this processing accuracy, is obtained from the division parameter a. The ground contact can be arranged at an arbitrary position of the annular electrode corresponding to the range of the maximum value 1− (δ + r GC + r JV ) / l T.
That is, in the direct coupling method between the resonator and the SQUID shown in FIGS. 5A to 5C, the division parameter is maintained while the shape, structure, and dimensions of the coupling portion are kept constant between a plurality of pixels having different resonance frequencies. It is theoretically predicted that a can be set to a wide range of values of (δ + r GC + r JV ) / l T ≦ a ≦ 1− (δ + r GC + r JV ) / l T. For example, under the typical values of δ≈1 μm, r GC ≈5 μm, r JV ≈1 μm, and l T ≈500 μm, the division parameter a is varied in the range of 0.02 ≦ a ≦ 0.98. Can do.

こうした分割パラメータaの選択性こそが、共振周波数fの異なる多くの画素に対し、Δfの値を揃えることに寄与し、更に、分割パラメータaは、各画素におけるSQUID間で環状電極に対するグランドコンタクトの形成位置のみを変え、SQUIDの形状・構造・寸法は共通させることで得られるため、Δfの値をより高精度に設計でき、かつ、実際に作製されるSQUIDは、公知のリソグラフィ加工等により高精度に加工可能とされることから、設計値との誤差が小さいものとすることができる。
即ち、本発明に係る周波数多重読出装置では、複数の画素における各々のSQUIDが、入力コイル、環状電極及びグランド電極を共通させて形成されるとともに環状電極に対するグランドコンタクトの形成位置が異なるように形成されることを技術の重要な核とする。
なお、本発明に係る周波数多重読出装置では、SQUID以外の構成については、本発明の効果を妨げない限り、公知の周波数多重読出装置に採用される構成を適用することができる。
This selectivity of the division parameter a contributes to making the values of Δf R uniform for many pixels having different resonance frequencies f R , and further, the division parameter a is a ground for the annular electrode between the SQUIDs in each pixel. Since only the contact formation position is changed and the shape, structure, and dimensions of the SQUID are obtained in common, the value of Δf R can be designed with higher accuracy, and the SQUID that is actually manufactured is a known lithography process. Therefore, the error from the design value can be small.
That is, in the frequency multiplex readout apparatus according to the present invention, each SQUID in a plurality of pixels is formed so as to share the input coil, the annular electrode, and the ground electrode, and the formation positions of the ground contacts with respect to the annular electrode are different. To be an important core of technology.
In the frequency multiplex reading apparatus according to the present invention, configurations other than the SQUID can be applied to configurations known in the known frequency multiplex reading apparatus as long as the effects of the present invention are not hindered.

本発明の効果を検証するため、図5(a)〜(c)に示す構造のSQUIDを有するマイクロ波多重読出回路装置用の画素を設計・試作し、環状電極、ここでは、環状電極の大部分を示すストリップ電極の全長lを一定としたまま、ストリップ電極の片端(ジョセフソン接合素子JJ近傍位置)から内分点(グランドコンタクト形成位置)までの電極長lJJ(図5(a)参照)を変え、ストリップ電極の左右の自己インダクタンスであるaL及び(1−a)Lの各値を測定した。なお、測定は、非特許文献4に記載した方法に準じて行った。 In order to verify the effect of the present invention, a pixel for a microwave multiple readout circuit device having a SQUID having the structure shown in FIGS. 5A to 5C is designed and prototyped. while the overall length l T of the strip electrodes of a portion to a constant, the strip electrodes one end internally dividing points from (Josephson device JJ vicinity) (ground contact forming position) to the electrode length l JJ (FIGS. 5 (a) changing the reference) was measured each value of aL S and (1-a) L S is the self-inductance of the left and right of the strip electrodes. The measurement was performed according to the method described in Non-Patent Document 4.

電極長lJJに対し、aL及び(1−a)Lの各実測値と、両者の和から求めた環状電極の自己インダクタンスLとの関係を図6に示す。
図6に示すように、ジョセフソン接合素子JJからグランドコンタクトGND(LLtoGP)までの距離である電極長lJJに対し、aLと(1−a)Lがほぼ線形に変化するとともに、自己インダクタンスLがほぼ一定値であることが分かる。自己インダクタンスLがほぼ一定値となることは、自己インダクタンスLが電極長lJJではなく全長lに依存する理論に矛盾しない。
To electrode length l JJ, showing the respective measured values of aL S and (1-a) L S, the relationship between the self-inductance L S of the annular electrodes which has been determined from the sum of the two in FIG.
As shown in FIG. 6, with respect to the electrode length l JJ is the distance from the Josephson device JJ to ground contacts GND (LLtoGP), with aL S and (1-a) L S is varied almost linearly, self It can be seen that the inductance L S is a substantially constant value. The fact that the self-inductance L S becomes a substantially constant value is consistent with the theory that the self-inductance L S depends not on the electrode length l JJ but on the total length l T.

また、分割パラメータaに関する、設計値と実測値との比較を行い、0.29≦a≦0.77の範囲において、図7に示す良好な一致性を得た。なお、図7は、設計値(実線)及び実測値(丸印)の双方の分割パラメータaの電極長lJJ依存性を示す図である。
ここでは、自己インダクタンスLを与える設計式中、層間絶縁物の厚みと、ストリップ電極及びグランド電極である上下の超伝導電極の磁界侵入長の和を380nmと仮定することで、自己インダクタンスLとインダクタンス長との関係式における設計値と実測値とが、ほぼ一致する結果を得ている。
なお、仮定値380nmは、絶縁絶縁物の膜厚制御性の向上により、更に実測値を設計値に近付けることが可能になると思われる。
また、こうした結果から、電極長lJJをより広範囲で変化させることにより、分割パラメータaを理論上裏付けられる0.02≦a≦0.98の範囲で可変とすることができるものと思われる。
Further, the design value and the actual measurement value for the division parameter a were compared, and good matching shown in FIG. 7 was obtained in the range of 0.29 ≦ a ≦ 0.77. FIG. 7 is a diagram showing the dependency of the design parameter (solid line) and the measured value (circle) on the electrode length l JJ of the division parameter a.
Here, in the design equation which gives the self-inductance L S, by assuming the thickness of the interlayer insulator, the sum of the magnetic field penetration depth of the upper and lower superconducting electrodes is a strip electrode and the ground electrode and 380 nm, the self-inductance L S As a result, the design value and the actual measurement value in the relational expression between and the inductance length almost coincide with each other.
Note that the assumed value of 380 nm is likely to make the actually measured value closer to the design value by improving the film thickness controllability of the insulating insulator.
From these results, it is considered that the division parameter a can be made variable in the range of 0.02 ≦ a ≦ 0.98, which is theoretically supported, by changing the electrode length l JJ in a wider range.

本発明の周波数多重読出装置が、どのような検出対象信号への応用に資するかを図8に示す。図8は、SQUIDの入力磁束変化に対する共振周波数fとその最大変化量Δfとの関係を示す図である。
図8に示す4本の曲線は、前記式(5),(6)において、4通りのSQUID環状電極の自己インダクタンス(SQUIDリングインダクタンス)L値に対し、磁気結合時η=1、直接結合時η=1(以下、両パラメータを共通の値として「η」で代表させる)を満たす条件下での、SQUIDの入力磁束変化に対する共振周波数fとその最大変化量Δfとの組を表す。
また、横軸に平行な3本の点線は、下記計測対象に最適化された超伝導転移端検出器(Transition Edge Sensor)アレイを検出部とする多重読出に本発明の周波数多重読出装置における読出部を利用する場合、読出部において設定すべき単画素あたりの信号帯域(≒Δfが最適条件ゆえ、その実現を仮定)と、共振周波数fとの関係を示している。
FIG. 8 shows the application to the detection target signal of the frequency multiplex readout apparatus of the present invention. Figure 8 is a graph showing the relationship between the resonance frequency f R for the SQUID input magnetic flux change between the maximum amount of change Delta] f R.
The four curves shown in FIG. 8 indicate that in the equations (5) and (6), η M = 1 at the time of magnetic coupling with respect to the self-inductance (SQUID ring inductance) L S values of the four SQUID annular electrodes, A combination of the resonance frequency f R and the maximum change amount Δf R with respect to the change in the input magnetic flux of the SQUID under the condition satisfying η D = 1 (hereinafter, both parameters are represented by “η” as a common value) at the time of coupling. Represents.
Also, the three dotted lines parallel to the horizontal axis indicate the readout in the frequency multiplex readout apparatus of the present invention for multiplex readout using a superconducting transition edge detector array optimized for the following measurement object as a detection unit. In the case of using the unit, the relationship between the resonance frequency f R and the signal band per pixel to be set in the reading unit (assuming that Δf R is realized because of the optimal condition) is shown.

応用A.ミリ波振幅測定用ボロメータ(下記参考文献1)やガンマ線光子計数検出器(下記参考文献2)等(信号帯域(≒Δf)=約300kHz(下記参考文献2参照))
応用B.天文観測(下記参考文献3)・基礎科学計測(下記参考文献4)用X線光子計数検出器(信号帯域(≒Δf)=約3MHz(下記参考文献5参照))
応用C.材料開発等、産業用途の元素分析用X線光子計数検出器(下記参考文献3)(信号帯域(≒Δf)=約25MHz(下記参考文献5参照))
参考文献1:D. Schwan et al.: “Invited Article: Millimeter-wave bolometer array receiver for the Atacama pathfinder experiment Sunyaev-Zel’dovich (APEX-SZ) instrument,” Rev. Sci. Instrum., 82 (2011) 091301(DOI: 10.1063/1.3637460).
参考文献2:B. L. Zink, et al.: “Array-compatible transition-edge sensor microcalorimeter g-ray detector with 42 eV energy resolution at 103 keV,” Appl. Phys. Lett., 89 (2006) 124101 (DOI: 10.1063/1.2352712).
参考文献3:K. Mitsuda et al.: “TES X-ray microcalorimeters for X-ray astronomy and material analysis,” Physica C: Superconductivity and its applications 530 (2016) 93 (DOI: 10.1016/j.physc.2016.03.018).
参考文献4: A. Giachero, et al,:“Development of multiplexed rf-SQUID based microcalorimeter detectors for the HOLMS experiment,” 1EOr2C-06, Applied Superconductivity Conference, Denver, U.S.A., 04-09 September, 2016.
A. Nucciotti et al.: “Status of the HOLMS detector development,” Nucl. Instrum. Meth. Phy. Res. A 824 (2016) 182.
参考文献5: K. D. Irwin, G. C. Hilton, D. A. Wollman, J. M. Martinis, “Thermal-response time of superconducting transition-edge microcalorimeters,” J. Appl. Phys. 83 (1998) 3978 (DOI: 10.1063/1.367153).
Application A. Millimeter wave amplitude measurement bolometer (Reference 1 below), gamma-ray photon counting detector (Reference 2 below), etc. (signal band (≈Δf R ) = about 300 kHz (see Reference 2 below))
Application B. X-ray photon counting detector for astronomical observation (reference 3 below) and basic scientific measurement (reference 4 below) (signal band (≈Δf R ) = about 3 MHz (see reference 5 below))
Application C. X-ray photon counting detector for elemental analysis for industrial use, such as material development (reference document 3 below) (signal band (≈Δf R ) = about 25 MHz (see reference document 5 below))
Reference 1: D. Schwan et al .: “Invited Article: Millimeter-wave bolometer array receiver for the Atacama pathfinder experiment Sunyaev-Zel'dovich (APEX-SZ) instrument,” Rev. Sci. Instrum., 82 (2011) 091301 (DOI: 10.1063 / 1.3637460).
Reference 2: BL Zink, et al .: “Array-compatible transition-edge sensor microcalorimeter g-ray detector with 42 eV energy resolution at 103 keV,” Appl. Phys. Lett., 89 (2006) 124101 (DOI: 10.1063 /1.2352712).
Reference 3: K. Mitsuda et al .: “TES X-ray microcalorimeters for X-ray astronomy and material analysis,” Physica C: Superconductivity and its applications 530 (2016) 93 (DOI: 10.1016 / j.physc.2016.03. 018).
Reference 4: A. Giachero, et al ,: “Development of multiplexed rf-SQUID based microcalorimeter detectors for the HOLMS experiment,” 1EOr2C-06, Applied Superconductivity Conference, Denver, USA, 04-09 September, 2016.
A. Nucciotti et al .: “Status of the HOLMS detector development,” Nucl. Instrum. Meth. Phy. Res. A 824 (2016) 182.
Reference 5: KD Irwin, GC Hilton, DA Wollman, JM Martinis, “Thermal-response time of superconducting transition-edge microcalorimeters,” J. Appl. Phys. 83 (1998) 3978 (DOI: 10.1063 / 1.367153).

図8中の曲線より下の領域は、η≦1、即ち、磁気結合型、直接結合型を問わず両方の結合方式で実現される。曲線より上の領域は、η≧1であり、磁気結合型では原理的に可能であるが、直接結合型では実現できない。η≦1の領域に限定されることは、一見、直接結合型の欠点と思われるが、実際には多くの応用に対し、そうではない。
前記式(5),(6)より明らかなように、共振周波数fの増大に対し、Δfは、共振周波数fの2乗に比例するとともに、共振器とSQUIDとの結合強度ηが一定値の条件下では、Δfが自己インダクタンスLに比例する。
共振周波数fは、周波数多重装置の出力側に配される極低温低雑音増幅器等の計測器の動作周波数帯に設定するので、決まった読出帯域を持つ計測器に対し、低周波信号読出では共振器とSQUIDとの結合強度ηを大きく、高周波信号読出では共振器とSQUIDとの結合強度ηを小さく設定することにより、Δfをfに依らず一定値とする。
The region below the curve in FIG. 8 is realized by η ≦ 1, that is, by both coupling methods regardless of the magnetic coupling type or the direct coupling type. The region above the curve is η ≧ 1, which is theoretically possible with the magnetic coupling type, but cannot be realized with the direct coupling type. Being limited to the region of η ≦ 1 seems to be a direct coupling type defect at first glance, but in practice it is not so for many applications.
Formula (5), (6) than Obviously, to increase the resonance frequency f R, Delta] f R, together with proportional to the square of the resonant frequency f R, is η bond strength between the resonator and SQUID Under a constant value condition, Δf R is proportional to the self-inductance L S.
The resonance frequency f R is set to the operating frequency band of a measuring instrument such as a cryogenic low noise amplifier arranged on the output side of the frequency multiplexing device. By setting the coupling strength η between the resonator and the SQUID to be large and setting the coupling strength η between the resonator and the SQUID to be small in high-frequency signal reading, Δf R is set to a constant value regardless of f R.

図8では、η≦1の領域において、4種類の自己インダクタンスL値(5pH,10pH,20pH,40pH)の全てに対し、極低温低雑音増幅器の典型的帯域である4GHz以上の領域において、前記応用A.及び前記応用B.の応用をカバーすることを示している。
また、L=40pHに対して、f≧4GHzにおいて前記応用C.をカバーするとともに、L=5pHに対しても、f≧10GHzにおいて、前記応用C.をカバーすることが分る。
マイクロ波帯で極めて低い雑音温度(絶対温度数K)を示すHEMT増幅器は、近年、高周波化が図られており、4GHz〜16GHz帯や6GHz〜20GHz帯をカバーする機種(下記参考文献6参照)が市場に出てきている。将来的に、これらの広帯域(高周波)HEMT増幅器の活用を視野に入れれば、現状4GHz〜8GHz帯では対応できない用途、例えば、10GHz以上の領域が必要とされる用途において、L=5pHの自己インダクタンス(SQUIDリングインダクタンス)値を有するSQUIDを用いた前記応用C.も想定される。
参考文献6:Low Noise Factory: http://www.lownoisefactory.com/
In FIG. 8, in the region of η ≦ 1, for all of the four types of self-inductance L S values (5 pH, 10 pH, 20 pH, 40 pH), in the region of 4 GHz or more, which is a typical band of a cryogenic low noise amplifier, Application A. And the application B. It shows that it covers the application of.
Further, with respect to L S = 40pH, the application C. in f R ≧ 4 GHz With covering, even for L S = 5 pH, in f R ≧ 10 GHz, the application C. You can see that it covers.
HEMT amplifiers exhibiting extremely low noise temperature (absolute temperature number K) in the microwave band have recently been increased in frequency, and models that cover the 4 GHz to 16 GHz band and the 6 GHz to 20 GHz band (see Reference 6 below). Are on the market. In the future, if the utilization of these broadband (high frequency) HEMT amplifiers is considered, in applications that cannot be supported in the current 4 GHz to 8 GHz band, for example, applications that require a region of 10 GHz or more, self of L S = 5 pH The application using the SQUID having an inductance (SQUID ring inductance) value C.I. Is also envisaged.
Reference 6: Low Noise Factory: http://www.lownoisefactory.com/

以上に説明した本発明の周波数多重読出装置では、従来では実現困難であった下記項目を同時に満たすことができる。
1)超伝導検出器−SQUID間結合を司るインダクタンスと、共振器−SQUID間結合を司るインダクタンスとを、独立に設計できる。画素毎に検出器−SQUID間結合度の異なる用途に、容易に対応可能であるとともに、画素間の設計値からのずれを均一に抑制できる。
2)各インダクタンスの設計値が、物理的イメージと結び付いた解析式として与えられるとともに、設計値の定量的実現性が、設計式の中に含まれるパラメータの広い範囲において検証されている。そのため、共振周波数の実現精度やデバイス性能の向上が可能となる。
3)共振周波数の設計値からのずれの一要因である、共振器の終端インダクタンスの寄与が無視できる。これは、共振周波数の実現精度を向上させる。
The frequency multiplex reading apparatus of the present invention described above can simultaneously satisfy the following items that have been difficult to realize in the past.
1) The inductance that controls the coupling between the superconducting detector and the SQUID and the inductance that controls the coupling between the resonator and the SQUID can be designed independently. It is possible to easily cope with a use in which the degree of coupling between the detector and the SQUID is different for each pixel, and the deviation from the design value between the pixels can be suppressed uniformly.
2) The design value of each inductance is given as an analytical expression associated with a physical image, and the quantitative feasibility of the design value is verified over a wide range of parameters included in the design expression. Therefore, it is possible to improve the accuracy of realizing the resonance frequency and the device performance.
3) The contribution of the termination inductance of the resonator, which is one factor of deviation from the design value of the resonance frequency, can be ignored. This improves the realization accuracy of the resonant frequency.

本発明の周波数多重読出装置は、下記のような、複数種類の超伝導検出器アレイへの利用が期待される。
・ 電子顕微鏡搭載用X線元素分析装置
・ 微弱光(可視・近赤外)の分光顕微鏡
・ 核管理用非破壊&遠隔検知元素(同位体)分析器
・ 秘匿武器・薬物の遠隔検知装置
また、本発明の周波数多重読出装置は、超伝導検出器以外にも、人口知能実現のハードウエア基本素子としての多数個の超伝導量子ビットの読出にも応用できる。
The frequency multiplexing readout apparatus of the present invention is expected to be used for a plurality of types of superconducting detector arrays as described below.
・ X-ray element analyzer for electron microscope ・ Spectroscopic microscope for faint light (visible and near infrared) ・ Non-destructive & remote sensing element (isotope) analyzer for nuclear control ・ Secret weapon ・ Remote sensing device for drugs In addition to the superconducting detector, the frequency multiplexing readout device of the present invention can be applied to readout of a large number of superconducting qubits as hardware basic elements for realizing artificial intelligence.

10,50 多重化チップ
11,51 検出チップ
12,52 読出チップ
131,132,133,531,532,533 超伝導検出器
141,142,143,541,542,543 配線インダクタンス
151,152,153,551,552,553 SQUID入力コイル
161,162,163,561,562,563 SQUIDリングインダクタンス
571,572,573 ジョセフソン接合素子
181,182,183,581,582,583 共振器
191,192,193,591,592,593 結合キャパシタ
20,60 極低温冷却装置
210,211,212,213,610,611,612,613 マイクロ波読出線
22,62 極低温低雑音増幅器
23,63 同軸線
24,64 マイクロ波信号源
25,65 検出器バイアス電流源
16 マイクロストリップ(鉛直)型SQUIDリング構造
16a グランド電極
16b 層間絶縁層
16c ストリップ電極

10, 50 Multiplexing chip 11, 51 Detection chip 12, 52 Reading chip 131, 132, 133, 531, 532, 533 Superconducting detector 141, 142, 143, 541, 542, 543 Wiring inductance 151, 152, 153 551,552,553 SQUID input coil 161,162,163,561,562,563 SQUID ring inductance 571,572,573 Josephson junction element 181,182,183,581,582,583 resonator 191,192,193 591, 592, 593 Coupling capacitor 20, 60 Cryogenic cooling device 210, 211, 212, 213, 610, 611, 612, 613 Microwave readout line 22, 62 Cryogenic low noise amplifier 23, 63 Coaxial line 24, 64 micro wave Issue source 25,65 detector bias current source 16 microstrip (vertical) type SQUID ring structure 16a ground electrode 16b interlayer insulating layer 16c strip electrodes

Claims (8)

SQUID、共振器及びキャパシタがこの順で直列接続され、固有の共振周波数を有する共振回路として形成される読出部と、前記SQUIDと接続され、検出信号に応じて前記読出部の前記共振周波数を変化させる検出部とを各々有し、前記共振周波数が互いに異なる複数の画素と、
前記画素と前記キャパシタ側で接続され、入力端から前記画素毎の前記共振周波数と同一周波数の信号を周波数軸上で分散し多重化させた周波数分散多重化信号が供給されるとともに、出力端から前記共振周波数の変化前後における前記周波数分散多重化信号の変調信号が出力可能とされる一本の読出線とが配され、
前記SQUIDが、前記検出部と接続される入力コイルと、前記共振器と電気的に接続されるとともにジョセフソン接合が形成される環状電極と、前記環状電極と対向して配されるグランド電極と、前記環状電極−前記グランド電極間を電気的に接続するグランドコンタクトとを有し、前記環状電極が前記共振器と前記グランドコンタクトとを並列接続させる構成とされ、
複数の前記画素における各々の前記SQUIDが、前記入力コイル、前記環状電極及び前記グランド電極を共通させて形成されるとともに前記環状電極に対する前記グランドコンタクトの形成位置が異なるように形成されることを特徴とする周波数多重読出装置。
A SQUID, a resonator, and a capacitor are connected in series in this order, and a readout unit formed as a resonance circuit having a specific resonance frequency, and connected to the SQUID, and changes the resonance frequency of the readout unit according to a detection signal A plurality of pixels each having a resonance frequency different from each other,
A frequency dispersion multiplexed signal obtained by dispersing and multiplexing a signal having the same frequency as the resonance frequency for each pixel on the frequency axis is connected from the input side to the pixel on the capacitor side, and from the output end. A single readout line capable of outputting a modulation signal of the frequency dispersion multiplexed signal before and after the change of the resonance frequency is arranged;
The SQUID is connected to the detection unit, an annular electrode that is electrically connected to the resonator and forms a Josephson junction, and a ground electrode that is disposed to face the annular electrode. The annular electrode and a ground contact that electrically connects the ground electrode, and the annular electrode is configured to connect the resonator and the ground contact in parallel.
Each of the SQUIDs in the plurality of pixels is formed by sharing the input coil, the annular electrode, and the ground electrode, and is formed so that the formation position of the ground contact with respect to the annular electrode is different. A frequency multiplex reading apparatus.
環状電極の自己インダクタンスをLとして、前記環状電極の並列接続を構成する共振器−グランドコンタクト間の2つの接続における自己インダクタンスを、それぞれaLと(1−a)Lとする分割パラメータaが、次式、0.02≦a≦0.98を満たす請求項1に記載の周波数多重読出装置。 The self-inductance of the annular electrode as L S, resonators constitutes a parallel connection of the annular electrode - dividing parameter a to the self-inductance of the two connections between the ground contacts, respectively aL S and (1-a) L S The frequency multiplex readout apparatus according to claim 1, wherein: satisfies the following expression: 0.02 ≦ a ≦ 0.98. 分割パラメータaが、次式、0.29≦a≦0.77を満たす請求項2に記載の周波数多重読出装置。   The frequency division multiplex reading apparatus according to claim 2, wherein the division parameter a satisfies the following expression: 0.29≤a≤0.77. 環状電極の自己インダクタンスが5pH以上である請求項1から3のいずれかに記載の周波数多重読出装置。   4. The frequency multiplex readout apparatus according to claim 1, wherein the self-inductance of the annular electrode is 5 pH or more. 各画素における共振周波数が4GHz以上である請求項4に記載の周波数多重読出装置。   5. The frequency multiplex readout apparatus according to claim 4, wherein the resonance frequency in each pixel is 4 GHz or more. SQUID、共振器及びキャパシタがこの順で直列接続され、固有の共振周波数を有する共振回路として形成される読出部と、前記SQUIDと接続され、検出信号に応じて前記読出部の前記共振周波数を変化させる検出部とを有し、前記共振周波数が互いに異なる複数の画素と、
前記画素と前記キャパシタ側で接続され、入力端から前記画素毎の前記共振周波数と同一周波数の信号を周波数軸上で分散し多重化させた周波数分散多重化信号が供給されるとともに、出力端から前記共振周波数の変化前後における前記周波数分散多重化信号の変調信号が出力される一本の読出線とが配され、
前記SQUIDが、前記検出部と接続される入力コイルと、前記共振器と電気的に接続されるとともにジョセフソン接合が形成される環状電極と、前記環状電極と対向して配されるグランド電極と、前記環状電極−前記グランド電極間を電気的に接続するグランドコンタクトとを有し、前記環状電極が前記共振器と前記グランドコンタクトとを並列接続させる構成とされる周波数多重読出装置に対し、
複数の前記画素における各々の前記SQUIDを、前記入力コイル、前記環状電極及び前記グランド電極が共通するように設計するとともに前記環状電極に対する前記グランドコンタクトの形成位置が異なるように設計することを特徴とする周波数多重読出装置の設計方法。
A SQUID, a resonator, and a capacitor are connected in series in this order, and a readout unit formed as a resonance circuit having a specific resonance frequency, and connected to the SQUID, and changes the resonance frequency of the readout unit according to a detection signal A plurality of pixels having different resonance frequencies;
A frequency dispersion multiplexed signal obtained by dispersing and multiplexing a signal having the same frequency as the resonance frequency for each pixel on the frequency axis is connected from the input side to the pixel on the capacitor side, and from the output end. A single readout line from which a modulation signal of the frequency dispersion multiplexed signal before and after the change of the resonance frequency is output is arranged;
The SQUID is connected to the detection unit, an annular electrode that is electrically connected to the resonator and forms a Josephson junction, and a ground electrode that is disposed to face the annular electrode. A frequency multiplex readout device having a ground contact that electrically connects the annular electrode to the ground electrode, and the annular electrode is configured to connect the resonator and the ground contact in parallel.
Each of the SQUIDs in the plurality of pixels is designed so that the input coil, the annular electrode, and the ground electrode are common, and is designed so that the formation position of the ground contact with respect to the annular electrode is different. Design method for frequency multiplex readout apparatus.
環状電極の自己インダクタンスをLとして、前記環状電極の並列接続を構成する共振器−グランドコンタクト間の2つの接続における自己インダクタンスを、それぞれaLと(1−a)Lとする分割パラメータaが、次式、0.02≦a≦0.98を満たすように前記環状電極に対するグランドコンタクトの形成位置を設計する請求項6に記載の周波数多重読出装置の設計方法。 The self-inductance of the annular electrode as L S, resonators constitutes a parallel connection of the annular electrode - dividing parameter a to the self-inductance of the two connections between the ground contacts, respectively aL S and (1-a) L S 7. The design method of the frequency multiplex readout apparatus according to claim 6, wherein the formation position of the ground contact with respect to the annular electrode is designed so as to satisfy the following expression: 0.02 ≦ a ≦ 0.98. 分割パラメータaが、次式、0.29≦a≦0.77を満たすように環状電極に対するグランドコンタクトの形成位置を設計する請求項7に記載の周波数多重読出装置の設計方法。

8. The design method of a frequency multiplex readout apparatus according to claim 7, wherein the formation position of the ground contact with respect to the annular electrode is designed so that the division parameter a satisfies the following expression: 0.29 ≦ a ≦ 0.77.

JP2017100717A 2017-05-22 2017-05-22 Frequency division multiplexing and its design method Active JP6896272B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017100717A JP6896272B2 (en) 2017-05-22 2017-05-22 Frequency division multiplexing and its design method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017100717A JP6896272B2 (en) 2017-05-22 2017-05-22 Frequency division multiplexing and its design method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018194518A true JP2018194518A (en) 2018-12-06
JP6896272B2 JP6896272B2 (en) 2021-06-30

Family

ID=64570779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017100717A Active JP6896272B2 (en) 2017-05-22 2017-05-22 Frequency division multiplexing and its design method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6896272B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111327369A (en) * 2020-03-13 2020-06-23 电子科技大学 Frequency domain multiplexing quantum channel basic link of optical fiber communication waveband
WO2020179554A1 (en) * 2019-03-01 2020-09-10 国立大学法人横浜国立大学 Photon detection device
CN113092857A (en) * 2021-03-05 2021-07-09 中国科学院紫金山天文台 Method for judging working state and position of MKIDs superconducting detector array pixel

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016183213A1 (en) * 2015-05-14 2016-11-17 D-Wave Systems Inc. Frequency multiplexed resonator input and/or output for a superconducting device
JP2017028635A (en) * 2015-07-27 2017-02-02 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Frequency multiple reading device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016183213A1 (en) * 2015-05-14 2016-11-17 D-Wave Systems Inc. Frequency multiplexed resonator input and/or output for a superconducting device
JP2017028635A (en) * 2015-07-27 2017-02-02 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Frequency multiple reading device

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020179554A1 (en) * 2019-03-01 2020-09-10 国立大学法人横浜国立大学 Photon detection device
JP7344499B2 (en) 2019-03-01 2023-09-14 国立大学法人横浜国立大学 photon detection device
CN111327369A (en) * 2020-03-13 2020-06-23 电子科技大学 Frequency domain multiplexing quantum channel basic link of optical fiber communication waveband
CN111327369B (en) * 2020-03-13 2021-07-02 电子科技大学 Frequency domain multiplexing quantum channel basic link of optical fiber communication waveband
CN113092857A (en) * 2021-03-05 2021-07-09 中国科学院紫金山天文台 Method for judging working state and position of MKIDs superconducting detector array pixel
CN113092857B (en) * 2021-03-05 2022-08-05 中国科学院紫金山天文台 Method for judging operating state and position of MKIDs superconducting detector array pixel

Also Published As

Publication number Publication date
JP6896272B2 (en) 2021-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kempf et al. Physics and applications of metallic magnetic calorimeters
Maleeva et al. Circuit quantum electrodynamics of granular aluminum resonators
Lee et al. Graphene-based Josephson junction microwave bolometer
Axline et al. An architecture for integrating planar and 3D cQED devices
Shearrow et al. Atomic layer deposition of titanium nitride for quantum circuits
Ade et al. Antenna-coupled TES bolometers used in BICEP2, Keck array, and SPIDER
Santavicca et al. Microwave dynamics of high aspect ratio superconducting nanowires studied using self-resonance
JP2018194518A (en) Frequency multiplexing read-out device and design method of the same
Dober et al. A microwave SQUID multiplexer optimized for bolometric applications
Deak et al. Tunneling magnetoresistance sensor with pT level 1/f magnetic noise
Rementer et al. Tuning static and dynamic properties of FeGa/NiFe heterostructures
Zobrist et al. Design and performance of hafnium optical and near-IR kinetic inductance detectors
Hähnle et al. Superconducting microstrip losses at microwave and submillimeter wavelengths
Feng et al. A compact bellows-driven diamond anvil cell for high-pressure, low-temperature magnetic measurements
Kohjiro et al. White noise of Nb-based microwave superconducting quantum interference device multiplexers with NbN coplanar resonators for readout of transition edge sensors
Le Floch et al. Addressing a single spin in diamond with a macroscopic dielectric microwave cavity
Bandler et al. Magnetically coupled microcalorimeters
LeFebvre et al. Series arrays of planar long Josephson junctions for high dynamic range magnetic flux detection
Boyd et al. Integrated SQUID/sensor metallic magnetic microcalorimeter for gamma-ray spectroscopy
Chakraborty et al. Thermoelectric radiation detector based on a superconductor-ferromagnet junction: Calorimetric regime
Kuzmin et al. Terahertz transition-edge sensor with kinetic-inductance amplifier at 4.2 k
Das et al. Enhanced room-temperature spin Seebeck effect in a YIG/C60/Pt layered heterostructure
Nakashima et al. Adjustable SQUID-resonator direct coupling in microwave SQUID multiplexer for TES microcalorimeter array
Otelaja et al. Design and operation of a microfabricated phonon spectrometer utilizing superconducting tunnel junctions as phonon transducers
Talanov et al. High-bandwidth, variable-resistance differential noise thermometry

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200218

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210127

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210302

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210416

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210518

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210602

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6896272

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150