JP7282344B2 - パラメトリック増幅器 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 刊行物名 日本物理学会講演概要集第７４巻第１号、第７４回年次大会（２０１９年）、Ｗｅｂ版 掲載場所 ｈｔｔｐｓ：／／ｊｐｓ２０１９ｓ．ｇａｋｋａｉ－ｗｅｂ．ｎｅｔ／ 発行年月日 平成３１年３月１日 〔刊行物等〕 刊行物名 日本物理学会、第７４回年次大会（２０１９年）プログラム 講演番号 １５ｐＥ２０１－３ 発行年月日 平成３１年３月１日 〔刊行物等〕 集会名 日本物理学会、第７４回年次大会（２０１９年）、九州大学 伊都キャンパス 開催年月日 平成３１年３月１５日

本発明は、パラメトリック増幅器に関し、より具体的には、酸化膜中の不純物準位に起因する非線形性を利用したパラメトリック増幅器に関する。

マイクロ波を非線形な媒質に入射することで増幅するパラメトリック増幅は、量子情報処理等で利用が期待される非常に重要な技術である。従来の技術では、主に超伝導ジョセフソン接合を用いたパラメトリック増幅が実現されている。例えば、非特許文献１、２、あるいは特許文献１は、超伝導ジョセフソン接合を用いたパラメトリック増幅器を開示する。

従来の超伝導ジョセフソン接合を用いたパラメトリック増幅器は、ジョセフソン接合を利用しているので、基本的にその作製が困難である。また、磁場の影響を受けやすいことから磁場中で使用するには磁気シールドを設ける等の追加の手段や手間が必要となる。

特開２００９－２２５２１３号公報

M. A. Castellanos-Beltran et al., Appl. Phys. Lett. 91, 083509 (2007) T. Yamamoto et al., Appl. Phys. Lett. 93, 042510 (2008)

本発明の目的は、超伝導ジョセフソン接合を用いることなく、比較的作製が簡易で、磁場中でもそのまま利用可能なパラメトリック増幅器を提供することである。

本発明の一態様のパラメトリック増幅器は、基板上の酸化層と、酸化層上に並行に伸び超伝導体層からなる２つの接地線と、２つの接地線の間に各々の接地線と所定の間隔を開けて平行に伸びる超伝導体層からなる信号線であって、信号の入力部と出力部が本体部と離間し容量結合する信号線と、を含むコプレーナ線路型の超伝導共振器を備え、液体ヘリウムによる冷却温度下において、信号線の入力部へマイクロ波信号と周波数の異なるポンプ信号とを入力することにより、出力部からより高周波な増幅されたマイクロ波信号を出力する。

本発明のパラメトリック増幅器は、以下の効果を奏する。
（ａ）ジョセフソン接合を利用しないので、磁場の影響を受けず、簡便かつ安価な方法でパラメトリック増幅を実現できる。
（ｂ）ノイズ、ゲイン共に従来のジョセフソン接合とそん色ない同等なパラメトリック増幅特性をもつ。
（ｃ）パラメトリック増幅器を構成するコプレーナ線路型の超伝導共振器は、酸化層（例えば熱酸化シリコン）と超伝導体層（例えばニオブ）だけで実現できるため、従来の半導体プロセスとの親和性が高い。

パラメトリック増幅を説明するための図である。 本発明の一実施形態のパラメトリック増幅器を構成するコプレーナ線路型の超伝導共振器の断面図である。 図２の本発明の一実施形態のコプレーナ線路型の超伝導共振器の上面図である。 本発明の一実施形態のコプレーナ線路型の超伝導共振器の信号線の構成例を示す図である。 本発明の一実施形態のパラメトリック増幅器を測定用のサンプルホルダーに配置した様子を示す図である。 本発明の一実施形態のパラメトリック増幅器の入出力信号を示す図である。 本発明の一実施形態のパラメトリック増幅器の出力信号のポンプ信号強度依存性を示す図である。 本発明の一実施形態のコプレーナ線路型の超伝導共振器の出力信号の強度変化（非線形性）を示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、パラメトリック増幅を説明するための図である。パラメトリック増幅では、非線形性を示す媒体（非線形リアクタンス）１に所定の周波数ｆ１の入力信号Ｓ_ｉｎと共に異なる周波数ｆ２のポンプ信号Ｓ_Ｐを入力（印加）することで、その入力信号Ｓ_ｉｎが増幅されて出力信号Ｓ_ＯＵＴが出力される。その際に、アイドラー（Ｉｄｌｅｒ）と呼ばれる差周波数（ｆ２－ｆ１）を持つ信号Ｓ_ｉｄも出力される。ポンプ信号Ｓ_Ｐから加えた電力ｐは、ｆ１と（ｆ２－ｆ１）の二つの周波数の信号に分配される。結局、周波数ｆ１の信号に周波数ｆ２の信号の電力が乗り移ったことになり、負性抵抗形の増幅作用をもつことになる。

本発明では、図１の非線形性を示す媒体１として、酸化層中欠陥準位とコプレーナ線路型の超伝導共振器を利用する。図２は、本発明の一実施形態のパラメトリック増幅器を構成するコプレーナ線路型の超伝導共振器の断面図である。図３は、その超伝導共振器の上面図である。超伝導共振器は、基板１０上の酸化層１２と、酸化層１２上に並行に伸びる超伝導体層からなる２つの接地線１４、１６と、２つの接地線の間に各接地線と所定の間隔Ｗ２を開けて平行に伸びる超伝導体層からなる信号線１８を含む。図３に示すように、信号線１８では、信号の入力部１８Ａと出力部１８Ｃが本体部１８Ｂと離間しそれぞれ容量結合する。信号線１８の本体部の長さＬは、１／２波長（λ／２）共振器を構成する長さを有する。

基板１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板からなる。その厚さは、例えば約５００μｍであり、比誘電率は１１．２である。酸化層１２は、例えば熱酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。その厚さは、例えば約１μｍであり、比誘電率は３．９である。接地線１４、１６と信号線１８をなす超伝導体層は、例えばニオブ（Ｎｂ）からなる。その厚さは、例えば１００ｎｍであり、幅Ｗ１は例えば１０μｍである。接地線１４、１６と信号線１８との間の間隔Ｗ２は例えば４μｍである。これらは、従来の半導体プロセス（熱酸化、成膜（スパッタリング）、フォトリソグラフィ、エッチング等）を用いて作成することができる。

図４は、本発明の一実施形態のコプレーナ線路型の超伝導共振器の信号線（図３の本体部１８Ｂ）の構成例を示す図である。図４の信号線は、超伝導体層からなるメアンダーライン状のパターン１８Ｄを含む。図４のメアンダーライン状のパターン１８Ｄは、中央の分離部を境に信号入力ＩＮを受ける前端部と信号出力ＯＵＴに接続する後段部から構成される。

メアンダーラインのトータルの長さは、１／２波長（λ／２）共振器を構成する長さに設定される。前段部と後段部の各々でのヘアピン（折り返し）の数は、例えば１１～１２程度に設定される。なお、図4では、ヘアピン（折り返し）の一部のみを記載している。パターン１８Ｄの線幅と線間隔はいずれも例えば１０μｍである。

図５は、本発明の一実施形態のパラメトリック増幅器を測定用のサンプルホルダーに配置した様子を示す図である。図５のサンプルホルダー２０は、液体ヘリウムによる冷却温度下において、パラメトリック増幅器の発振特性を測定可能な測定システムの冷却装置（図示なし）に取り付け可能な構造を有している。サンプルホルダー２０は、銅製であり、内部に置かれている接続用の銅製基板２１にパラメトリック増幅器２２が取り付けられている。

パラメトリック増幅器２２の入力部と出力部は、それぞれサンプルホルダー２０の入力ＩＮと出力ＯＵＴに電気的に接続されている。サンプルホルダー２０の入力ＩＮと出力ＯＵＴは、測定システムを構成するベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）、増幅器、ＩＱミキサー、Ａ／Ｄ変換器等へ電気的に接続される。

本発明の一実施形態のパラメトリック増幅器を図５の測定用のサンプルホルダーに配置した状態で、液体ヘリウムによる冷却温度下（約１０ｍＫ）において、発振特性の測定を行った。使用したパラメトリック増幅器は、図４に例示のコプレーナ線路型の超伝導共振器を有している。図６は、本発明の一実施形態のパラメトリック増幅器のポンプ信号Ｓ_Ｐと、入力信号Ｓ_ｉｎと、超伝導共振器の共鳴特性を示す図である。

パラメトリック増幅器が配置されたサンプルホルダー２０の入力ＩＮに周波数の異なるポンプ信号Ｓ_Ｐと入力信号Ｓ_ｉｎを入力することにより、コプレーナ線路型の超伝導共振器において和周波と差周波の信号が発生する。その発生した和周波と差周波の信号がポンプ信号Ｓ_Ｐと相互作用することにより、出力ＯＵＴからより入力信号Ｓ_ｉｎと同じ周波数で信号強度が増幅された信号光Ｓ_ＯＵＴが出力する。

図７に本発明の一実施形態のパラメトリック増幅器の出力信号のポンプ信号強度依存性を示す。図７は、ポンプ信号Ｓ_Ｐと入力信号Ｓ_ｉｎの周波数差Δｆを５ｋＨｚとし、入力信号Ｓ_ｉｎの信号強度を－１００ｄＢｍとし、ポンプ信号Ｓ_Ｐの信号強度を変化させた場合の信号光Ｓ_ＯＵＴの周波数でホモダイン検波した信号強度（電力利得：Ｒｅａｌ｜Ｓ２１｜）を示している。ポンプ信号Ｓ_Ｐの信号強度は、－９６ｄＢｍから－７６ｄＢｍまで－４ｄＢｍづつ変化させている。

図７の測定結果において、ポンプ信号Ｓ_Ｐの信号強度を－９６ｄＢｍとした時の出力Ｓ１に対して、ポンプ信号Ｓ_Ｐの信号強度を－７６ｄＢｍとした時の出力Ｓ２では信号強度の電力利得が約１４ｄＢ増加している。この結果は、パラメトリック増幅が得られていることを示している。

図７のパラメトリック増幅が図２～図４に例示した本発明の一実施形態の酸化層中欠陥準位による超伝導共振器の非線形性に起因していることを以下に説明する。図８は、本発明の一実施形態のコプレーナ線路型の超伝導共振器の透過特性（非線形性）を示す図である。図８の測定は、図６、図７の場合と同様に、図２～図４に例示する本発明の一実施形態のパラメトリック増幅器（コプレーナ線路型の超伝導共振器）を図５の測定用のサンプルホルダーに配置した状態で、液体ヘリウムによる冷却温度下（約１０ｍＫ）において行っている。

パラメトリック増幅器が配置されたサンプルホルダー２０の入力ＩＮに、５．２０５６５ＧＨｚ～５．２０５８５ＧＨｚのマイクロ波を印加し、出力ＯＵＴからその透過信号を測定したところ以下の結果を得た。
（ｉ）入力するマイクロ波の信号強度を－１１６ｄＢｍから－７７ｄＢｍまで増加させた場合、図８のスペクトルＡとして示すように、共鳴周波数に変化はなかった。
（ｉｉ）入力するマイクロ波の信号強度を－５８ｄＢｍから－４１ｄＢｍまで増加させた場合、図８のスペクトルＢとして示すように、共鳴周波数がより高周波側へシフトした。

図８の結果から本発明の一実施形態の超伝導共振器が入力するマイクロ波の信号強度の増加に伴い、非線形な動作を示すことが明らかになった。また、本発明の一実施形態の超伝導共振器の共鳴周波数の温度依存性を実験により調べたところ、約１０ｍＫ～約５００ｍＫまでの温度変化に対して共鳴周波数が一端低周波数側にシフトした後に高周波側にシフトすることが分かった。

さらに、本発明の一実施形態の超伝導共振器の位相雑音の温度依存性を実験により調べたところ、約１０ｍＫ～約５００ｍＫまでの温度変化において、位相雑音は１／（周波数ｆ）的な周波数依存性を有し、かつ温度上昇と共に減少することが分かった。これらの共鳴周波数と位相雑音の温度依存性の実験結果から、本発明の一実施形態の超伝導共振器の非線形性が二準位系によって誘起されていることが明らかになった。

本願の発明者は、この二準位系による非線形性の誘起は、超伝導共振器の酸化層（図２の１２）の欠陥準位（二準位系）に起因していると予測することから、その検証のために、酸化層を除去しＳｉ基板上に直接超伝導体層（Ｎｂ）からなる２つの接地線と信号線を設けた構造を準備して、図８の場合と同様な測定を行った。すなわち、酸化層を除去した超伝導共振器が配置された図５のサンプルホルダー２０の入力ＩＮに、５．２０５６５ＧＨｚ～５．２０５８５ＧＨｚのマイクロ波を印加し、出力ＯＵＴからその透過信号を測定した。

その結果、図８の上記した（ｉｉ）のスペクトルＢとして示す共鳴周波数の高周波側へのシフトを観測することができなかった。このスペクトルＢの消失は、本発明の超伝導共振器の二準位系による非線形性の誘起が、超伝導共振器の酸化層の欠陥準位（二準位系）に起因していることを明示している。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

本発明のパラメトリック増幅器は、量子情報分野、核磁気共鳴（ＮＭＲ）、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）、強磁性共鳴（ＦＭＲ）等の計測分野において利用することができる。

１ 非線形性を示す媒体（非線形リアクタンス）
１０ 基板
１２ 酸化層
１４、１６ 接地線
１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ 信号線
２０ サンプルホルダー
２１ 接続用の基板
２２ パラメトリック増幅器

Claims (6)

1. 基板上の酸化層と、
   酸化層上に並行に伸びる超伝導体層からなる２つの接地線と、
   ２つの接地線の間に各々の接地線と所定の間隔を開けて平行に伸びる超伝導体層からなる信号線であって、信号の入力部と出力部が本体部と離間し容量結合し、かつ前記本体部の長さが１／２波長共振器を構成する長さに設定される信号線と、を含むコプレーナ線路型の超伝導共振器を備え、
   液体ヘリウムによる冷却温度下において、信号線の入力部へマイクロ波信号と周波数の異なるポンプ信号とを入力することにより、出力部から、前記マイクロ波信号の周波数以上の周波数を持つ増幅されたマイクロ波信号を出力する、パラメトリック増幅器。
2. 前記信号線の本体部は、前記超伝導体層からなるメアンダーライン状のパターンを含む、請求項１に記載のパラメトリック増幅器。
3. 前記基板上の酸化層は、シリコン基板上の酸化シリコンを含み、前記超伝導体層はいずれもニオブを含む、請求項１または２に記載のパラメトリック増幅器。
4. 前記酸化層は１μｍの厚さを有し、前記超伝導体層は１００ｎｍの厚さを有する、請求項３に記載のパラメトリック増幅器。
5. 前記信号線の本体部は１０μｍの幅を有し、前記接地線と前記信号線の間の前記所定の間隔は４μｍである、請求項１に記載のパラメトリック増幅器。
6. 前記メアンダーライン状のパターンの信号線の各々は１０μｍの幅を有し、隣接する２つの信号線間の間隔は１０μｍである、請求項２に記載のパラメトリック増幅器。

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