WO2020246112A1 - パラメトリック増幅器 - Google Patents

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signal line
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中村 秀司
晋久 金子
雄馬 岡崎
真太郎 高田
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国立研究開発法人産業技術総合研究所
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01P7/00Resonators of the waveguide type
    • H01P7/08Strip line resonators
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F7/00Parametric amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/10Junction-based devices

Definitions

  • the present invention relates to a parametric amplifier, and more specifically, to a parametric amplifier utilizing non-linearity caused by impurity levels in an oxide film.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 or Patent Document 1 discloses a parametric amplifier using a superconducting Josephson junction.
  • the conventional parametric amplifier using the superconducting Josephson junction uses the Josephson junction, so it is basically difficult to manufacture it.
  • additional means such as providing a magnetic shield and labor are required to use it in a magnetic field.
  • An object of the present invention is to provide a parametric amplifier that is relatively easy to manufacture and can be used as it is even in a magnetic field without using a superconducting Josephson junction.
  • the parametric amplifier of one aspect of the present invention comprises two ground wires consisting of an oxide layer on a substrate, a superconductor layer extending in parallel on the oxide layer, and each ground wire between the two ground wires.
  • a coplanar line type superconducting resonator including a signal line composed of superconductor layers extending in parallel at intervals, and a signal line in which a signal input part and an output part are separated from a main body part and capacitively coupled.
  • the parametric amplifier of the present invention has the following effects.
  • A Since the Josephson junction is not used, parametric amplification can be realized by a simple and inexpensive method without being affected by the magnetic field.
  • B Both noise and gain have the same parametric amplification characteristics as the conventional Josephson junction.
  • C Since the coplanar line type superconducting resonator constituting the parametric amplifier can be realized only by the oxide layer (for example, thermal silicon oxide) and the superconductor layer (for example, niobium), it has an affinity with the conventional semiconductor process. high.
  • FIG. 2 is a top view of the coplanar line type superconducting resonator according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It is a figure which shows the structural example of the signal line of the coplanar line type superconducting resonator of one Embodiment of this invention. It is a figure which shows the state that the parametric amplifier of one Embodiment of this invention is arranged in the sample holder for measurement. It is a figure which shows the input / output signal of the parametric amplifier of one Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining parametric amplification.
  • the parametric amplification by media exhibiting nonlinearity (nonlinear reactance) 1 to the input pump signal S P output different frequency f2 with the input signal S in a predetermined frequency f1 (applied), the input signal S in is amplified
  • the output signal S OUT is output.
  • a signal Side having a difference frequency (f2-f1) called an idler is also output.
  • Power p plus the pump signal S P is distributed to the two frequency signals of f1 (f2-f1). In the end, the power of the signal of frequency f2 is transferred to the signal of frequency f1, and it has a negative resistance type amplification action.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a coplanar line type superconducting resonator constituting the parametric amplifier according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a top view of the superconducting resonator.
  • the superconducting resonator is defined as two ground wires 14 and 16 composed of an oxide layer 12 on the substrate 10 and a superconductor layer extending in parallel on the oxide layer 12, and each ground wire between the two ground wires. Includes a signal line 18 composed of a superconductor layer extending in parallel with an interval W2. As shown in FIG.
  • the signal input unit 18A and the output unit 18C are separated from the main body unit 18B and are capacitively coupled to each other.
  • the length L of the main body of the signal line 18 has a length that constitutes a 1/2 wavelength ( ⁇ / 2) resonator.
  • the substrate 10 is made of, for example, a silicon (Si) substrate. Its thickness is, for example, about 500 ⁇ m and its relative permittivity is 11.2.
  • the oxide layer 12 is made of, for example, thermal silicon oxide (SiO 2 ). Its thickness is, for example, about 1 ⁇ m and its relative permittivity is 3.9.
  • the superconductor layer forming the ground lines 14 and 16 and the signal line 18 is made of, for example, niobium (Nb). Its thickness is, for example, 100 nm, and its width W1 is, for example, 10 ⁇ m. The distance W2 between the ground wires 14 and 16 and the signal line 18 is, for example, 4 ⁇ m. These can be produced using conventional semiconductor processes (thermal oxidation, film formation (sputtering), photolithography, etching, etc.).
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a signal line (main body portion 18B in FIG. 3) of the coplanar line type superconducting resonator according to the embodiment of the present invention.
  • the signal line of FIG. 4 includes a meanlined pattern 18D composed of a superconductor layer.
  • the underlined pattern 18D of FIG. 4 is composed of a front end portion that receives a signal input IN and a rear stage portion that connects to a signal output OUT with a central separation portion as a boundary.
  • the total length of the meander line is set to the length that constitutes the 1/2 wavelength ( ⁇ / 2) resonator.
  • the number of hairpins (folded back) in each of the front stage portion and the rear stage portion is set to, for example, about 11 to 12. In FIG. 4, only a part of the hairpin (folded back) is shown.
  • the line width and line spacing of the pattern 18D are both, for example, 10 ⁇ m.
  • FIG. 5 is a diagram showing a state in which the parametric amplifier according to the embodiment of the present invention is arranged in a sample holder for measurement.
  • the sample holder 20 of FIG. 5 has a structure that can be attached to a cooling device (not shown) of a measurement system capable of measuring the oscillation characteristics of a parametric amplifier at a cooling temperature of liquid helium.
  • the sample holder 20 is made of copper, and the parametric amplifier 22 is attached to a copper substrate 21 for connection which is placed inside.
  • the input unit and output unit of the parametric amplifier 22 are electrically connected to the input IN and output OUT of the sample holder 20, respectively.
  • the input IN and output OUT of the sample holder 20 are electrically connected to a vector network analyzer (VNA), an amplifier, an IQ mixer, an A / D converter, etc. that constitute the measurement system.
  • VNA vector network analyzer
  • the oscillation characteristics were measured under the cooling temperature of liquid helium (about 10 mK) in a state where the parametric amplifier of one embodiment of the present invention was placed in the sample holder for measurement shown in FIG.
  • the parametric amplifier used has a coplanar line type superconducting resonator illustrated in FIG. Figure 6 is a diagram showing a pump signal S P output parametric amplifier according to an embodiment of the present invention, an input signal S in, the resonance characteristics of the superconducting resonator.
  • the signal of the sum frequency and difference frequency is generated in the coplanar waveguide superconducting resonator .
  • signal of the generated sum frequency and difference frequency interacts with the pump signal S P, the signal strength at the same frequency and outputs the amplified signal light S OUT is more input signal S in the output OUT.
  • FIG. 7 shows the pump signal intensity dependence of the output signal of the parametric amplifier according to the embodiment of the present invention.
  • ) detected by homodyne at the frequency of is shown.
  • the signal intensity of the pump signal S P is -4dBm increments varied from -76dBm from -96 dBm.
  • FIG. 8 is a diagram showing the transmission characteristics (non-linearity) of the coplanar line type superconducting resonator according to the embodiment of the present invention.
  • the parametric amplifier (coplanar line type superconducting resonator) of one embodiment of the present invention exemplified in FIGS. 2 to 4 is used for the measurement of FIG. 5, as in the case of FIGS.
  • the measurement is performed under the cooling temperature of liquid helium (about 10 mK) in the state of being placed in the sample holder of.
  • the superconducting resonator according to the embodiment of the present invention exhibits a non-linear operation as the signal strength of the microwave input increases. Further, when the temperature dependence of the resonance frequency of the superconducting resonator according to the embodiment of the present invention was investigated experimentally, after the resonance frequency was once shifted to the low frequency side with respect to a temperature change from about 10 mK to about 500 mK. It turned out that it shifts to the high frequency side.
  • the phase noise has a frequency of 1 / (frequency f) in a temperature change from about 10 mK to about 500 mK. It was found to be dependent and decrease with increasing temperature. From the experimental results of the temperature dependence of the resonance frequency and the phase noise, it was clarified that the non-linearity of the superconducting resonator according to the embodiment of the present invention is induced by the two-level system.
  • the inventor of the present application predicts that the induction of non-linearity by this two-level system is due to the defect level (two-level system) of the oxide layer (12 in FIG. 2) of the superconducting resonator. Therefore, for the verification, a structure was prepared in which the oxide layer was removed and two ground lines and signal lines composed of the superconductor layer (Nb) were provided directly on the Si substrate, as in the case of FIG. The measurement was performed. That is, a microwave of 5.2565 GHz to 5.20585 GHz was applied to the input IN of the sample holder 20 of FIG. 5 in which the superconducting resonator from which the oxide layer was removed was arranged, and the transmitted signal was measured from the output OUT.
  • the parametric amplifier of the present invention can be used in measurement fields such as quantum information field, nuclear magnetic resonance (NMR), electron spin resonance (ESR), and ferromagnetic resonance (FMR).
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • ESR electron spin resonance
  • FMR ferromagnetic resonance

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

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。そ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る。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。

Description

パラメトリック増幅器
 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Sinと共に異なる周波数f2のポンプ信号Sを入力(印加)することで、その入力信号Sinが増幅されて出力信号SOUT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Sidも出力される。ポンプ信号S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)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と、入力信号Sin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と入力信号Sin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と相互作用することにより、出力OUTからより入力信号Sinと同じ周波数で信号強度が増幅された信号光SOUT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と入力信号Sinの周波数差Δfを5kHzとし、入力信号Sinの信号強度を-100dBmとし、ポンプ信号Sの信号強度を変化させた場合の信号光SOUT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、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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