Microwave Multiplexers in Matryoshka Manner for Large-Format Superconducting Detector Arrays with Small & Simple Cryocoolers

• Project/Area Number: 15H02251
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: Kohjiro Satoshi 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ付 (60356962)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山森 弘毅 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (00358293) ; 平山 文紀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (10357866) ; 佐藤 昭 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30357149) ; 永沢 秀一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 招聘研究員 (50500584) ; 福田 大治 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (90312991) ; 佐藤 泰 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (90357153) ; 大野 雅史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (90391896)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥44,200,000 (Direct Cost: ¥34,000,000、Indirect Cost: ¥10,200,000); Fiscal Year 2017: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000); Fiscal Year 2016: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000); Fiscal Year 2015: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
• Keywords: Microwave Multiplexer / 周波数多重読出回路 / 超伝導検出器 / 多画素化 / 超伝導マイクロ波共振器 / SQUID(超伝導量子干渉素子) / TES(超伝導転移端センサ) / クロストーク / 多画素化(アレイ化) / 超伝導材料・素子 / 電子デバイス・機器 / 量子エレクトロニクス / 計測工学 / 微小共振器 / SQUID（超伝導量子干渉素子） / TES（超伝導転移端センサ） / 多画素化（アレイ化）

Outline of Final Research Achievements

Superconducting microwave multiplexers (MW-Mux) are attracting much attention for decreasing the heat load to the cryocooler for superconducting detector arrays (SDA), which provide much lower noise than other detectors such as semiconductor-based, but also disadvantage such as smaller detection area and resulting longer measurement time. We have proposed a new-type MW-Mux that relaxes a restriction of number of pixels multiplexed on a readout line U attributed to the bandwidth or spurious-free power of a room-temperature electronics in a conventional MW-Mux. In our new MW-Mux, U can be increased up to the potential value that wideband cryogenic circuits can provide. We have demonstrated noise and inter-pixel crosstalk of the prototype are equal to those of a conventional MW-Mux. This result will open the door to the large format SDA implemented in a future high-resolving and compact spectrometer in x-ray and optical regions.

Research Products

• [Journal Article] Frequency-domain cascading microwave superconducting quantum interference device multiplexers; beyond limitations originating from room-temperature electronics (2018)
  • Author(s): Kohjiro Satoshi、Hirayama Fuminori
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume: 31 Issue: 3 Pages: 035005-035005
  • DOI: 10.1088/1361-6668/aaa3c1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Adjustable SQUID-resonator direct coupling in microwave SQUID multiplexer for TES microcalorimeter array (2017)
  • Author(s): H. Nakashima, F. Hirayama, S. Kohjiro, H. Yamamori, S. Nagasawa, N. Y. Yamasaki, K. Mitsuda
  • Journal Title: IEICE Electronics Express Volume: 14 Issue: 11 Pages: 20170271-20170271
  • DOI: 10.1587/elex.14.20170271
  • NAID: 130005695877
  • ISSN: 1349-2543
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study of Nb and NbN Resonators at 0.1 K for Low-Noise Microwave SQUID Multiplexers (2017)
  • Author(s): T. Irimatsugawa, F. Hirayama, H. Yamamori, S. Kohjiro, A. Sato, S. Nagasawa, D. Fukuda, M. Hidaka, Y. Sato, M. Ohno, H. Takahashi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 27 Issue: 4 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2016.2637865
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Interchannel Crosstalk and Nonlinearity of Microwave SQUID Multiplexers (2017)
  • Author(s): F. Hirayama, T. Irimatsugawa, H. Yamamori, S. Kohjiro, A. Sato, S. Nagasawa, D. Fukuda, H. Sasaki, M. Hidaka, Y. Sato, M. Ohno, H. Takahashi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 27 Issue: 4 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2016.2638082
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] マイクロ波SQUID多重読み出し室温回路の広帯域化 (2018)
  • Author(s): 平山文紀, 山田真也, 一戸悠人, 中島裕貴, 神代 暁, 山森弘毅
  • Organizer: 第65回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] マイクロ波多重読出し回路の共振器Q値と作製プロセス (2018)
  • Author(s): 山森弘毅, 入松川知也, 中島裕貴, 平山文紀, 佐藤 昭, 神代 暁, 永沢秀一, 日高睦夫, 藤井 剛, 大野雅史
  • Organizer: 第65回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] X 線検出用 TES 読み出しのためのマイクロ波 SQUID マルチプレクサ (2017)
  • Author(s): 中島裕貴、平山文紀、神代暁、山森弘毅、入松川知也、永沢秀一、日高睦夫、山崎典子、満田和久
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] TES のマイクロ波読出によるγ線光子検出 (2017)
  • Author(s): 入松川知也、平山文紀, 佐藤昭,山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 佐藤泰, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Evaluation and Improvement of Nb and NbN Microwave SQUID multiplexers for a gamma-ray TES with a Sn Absorber linked by Au Post (2017)
  • Author(s): T. Irimatsugawa, F. Hirayama, H. Yamamori, S. Kohjiro, A. Sato, S. Nagasawa, D. Fukuda, M. Hidaka, Y. Sato, M. Ohno, H. Takahashi
  • Organizer: 17th International Workshop on Low Temperature Detectors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Microwave Multiplexer Readout System Based on SQUIDs Directly Coupled to Resonators for TES X-ray Microcalorimeter (2017)
  • Author(s): Y. Nakashima, F. Hirayama, S. Kohjiro, H. Yamamori, S. Nagasawa, A. Sato, T. Irimatsugawa, H. Muramatsu, K. Sakai, N. Y. Yamasaki, K. Mitsuda
  • Organizer: 17th International Workshop on Low Temperature Detectors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単一同軸ケーブルと複数室温モジュールによるマイクロ波SQUID多重化 (2017)
  • Author(s): 平山文紀, 神代 暁, 山森弘毅, 入松川知也, 永沢秀一, 日高睦夫
  • Organizer: 第78回 応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] 超伝導遷移端検出器のマイクロ波帯多重化読出回路（超伝導検出器の最新情報３） (2017)
  • Author(s): 神代 暁
  • Organizer: 日本原子力学会2017年秋の大会
  • Invited
• [Presentation] マイクロ波読出し回路作製プロセスの改善と共振Q値の向上 (2017)
  • Author(s): 山森弘毅
  • Organizer: 電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] Microwave SQUID multiplexing for Ti/Au bilayer TES X-ray microcalorimeter (2017)
  • Author(s): Y. Nakashima, F. Hirayama, S. Kohjiro, H. Yamamori, S. Nagasawa, A. Sato, H. Hayashi, H. Muramatsu, N. Y. Yamasaki, K. Mitsuda
  • Organizer: 30th International Symposium on Superconductivity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study on Electrode Property and Resonators' Q of Readout Circuits for Microwave Multiplexers (2016)
  • Author(s): H. Yamamori, T. Irimatsugawa, F. Hirayama, A. Sato, S. Kohjiro, Y. Nakashima, H. Ishino
  • Organizer: 3rd International Workshop on Superconducting Sensors & Detectors
  • Place of Presentation: 産総研、茨城県つくば市
  • Year and Date: 2016-11-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of the Microwave SQUID Multiplexer for Fast TES X-ray Microcalorimeter Arrays (2016)
  • Author(s): Y. Nakashima, F. Hirayama, H. Yamamori, T. Irimatusgawa, S. Kohjiro, N. Y. Yamasaki, K. Mitsuda
  • Organizer: 3rd International Workshop on Superconducting Sensors & Detectors
  • Place of Presentation: 産総研、茨城県つくば市
  • Year and Date: 2016-11-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 産総研におけるマイクロ波SQUIDマルチプレクサ開発の現状 (2016)
  • Author(s): 平山文紀
  • Organizer: 東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究会
  • Place of Presentation: 東北大学、宮城県仙台市
  • Year and Date: 2016-10-26
  • Invited
• [Presentation] TES型X線マイクロカロリメータアレイの読み出しに向けたマイクロ波SQUIDマルチプレクサの高速化 (2016)
  • Author(s): 中島裕貴、平山文紀、神代暁、山森弘毅、入松川知也、山崎典子、満田和久
  • Organizer: 電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 東北大学、宮城県仙台市
  • Year and Date: 2016-10-26
• [Presentation] マイクロ波読み出し回路共振器のQ値と電極特性 (2016)
  • Author(s): 山森弘毅, 入松川知也, 平山文紀, 佐藤昭, 神代暁, 中島裕貴, 石野宏和
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟市
  • Year and Date: 2016-09-15
• [Presentation] Interchannel Crosstalk and Nonlinearity of Microwave SQUID Multiplexers (2016)
  • Author(s): F. Hirayama, T. Irimatsugawa, H. Yamamori, S. Kohjiro, A. Sato, S. Nagasawa, D. Fukuda, H. Sasaki, M. Hidaka, Y. Sato, M. Ohno, H. Takahashi
  • Organizer: Applied Superconductivity Conference 2016
  • Place of Presentation: Colorado Convention Center, Denver, アメリカ合衆国
  • Year and Date: 2016-09-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of NbN Resonators at 0.1 K for Low-Noise Microwave SQUID Multiplexers (2016)
  • Author(s): T. Irimatsugawa, F. Hirayama, H. Yamamori, S. Kohjiro, A. Sato, S. Nagasawa, D. Fukuda, M. Hidaka, Y. Sato, M. Ohno, H. Takahashi
  • Organizer: Applied Superconductivity Conference 2016
  • Place of Presentation: Colorado Convention Center, Denver, アメリカ合衆国
  • Year and Date: 2016-09-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロ波読出しによるTES模擬信号の測定 (2016)
  • Author(s): 入松川知也, 平山文紀, 佐々木仁, 佐藤昭, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 佐藤泰, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
  • Organizer: 第63回応用物理学春季学術講演会
• [Presentation] マイクロ波SQUIDマルチプレクサのチャネル間漏話 (2016)
  • Author(s): 平山文紀, 入松川知也, 佐々木仁, 佐藤昭, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
  • Organizer: 第63回応用物理学春季学術講演会
• [Presentation] Low Temperature Characterization of NbN Resonators for Microwave SQUID Multiplexer (2015)
  • Author(s): 平山文紀, 佐藤昭, 入松川知也, 山森弘毅, 福田大治, 永沢秀一, 日高睦夫, 神代暁
  • Organizer: 15th International Superconductive Electronics Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Characterization of Niobium Nitride Resonators at 0.1 K in Microwave SQUID Multiplexers for Readout of Transition Edge Sensors & Metallic Magnetic Calorimeters (2015)
  • Author(s): 神代暁, 平山文紀, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 佐藤昭, 日高睦夫, 入松川知也
  • Organizer: Int. Workshop on Low Temp. Detectors 2015
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超伝導検出器多画素読み出しのためのマルチプレクシング技術とマイクロ波多重化読出法に関する展望 (2015)
  • Author(s): 神代暁
  • Organizer: 日本学術振興会第186委員会研究会
  • Invited
• [Presentation] TESマイクロ波マルチプレクサの室温エレクトロニクス (2015)
  • Author(s): 平山文紀, 入松川知也, 佐々木仁, 佐藤昭, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
  • Organizer: 第76回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] TESマイクロ波線形化読出し回路の評価 (2015)
  • Author(s): 入松川知也, 平山文紀, 佐々木仁, 佐藤昭, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
  • Organizer: 第76回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] TESマイクロ波読み出しにおけるランプ磁束変調を用いた入出力特性の線形化 (2015)
  • Author(s): 入松川知也, 平山文紀, 佐藤昭, 佐々木仁, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 佐藤泰, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
  • Organizer: 電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会
• [Presentation] Fabrication and Characterization of Nb and NbN Microwave Resonators for Multiplexed Readout of Superconducting Detector Arrays (2015)
  • Author(s): 山森弘毅, 平山文紀, 神代暁, 佐藤昭, 入松川知也, 福田大治, 永沢秀一, 日高睦夫, 石野宏和
  • Organizer: Int. Sympo. Supercond. 2015
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] プレス発表 光子・粒子・電磁波用超伝導検出器の画素数を飛躍的に増大する読出回路
  • URL: http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2018/pr20180201/pr20180201.html
• [Remarks] 産総研ナノエレクトロニクス研究部門超伝導計測信号処理グループホームページ
  • URL: https://unit.aist.go.jp/neri/sscg/ja/index.html
• [Remarks] 産総研Clean Room for Analog digital superconductiVITY
  • URL: https://unit.aist.go.jp/neri/cravity/ja/index.html
• [Remarks] 産総研研究者紹介 神代 暁
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=JT2Eq23iotU&t=1s
• [Patent(Industrial Property Rights)] 周波数多重読出装置及びその設計方法 (2021)
  • Inventor(s): 平山 文紀, 中島 裕貴, 神代 暁, 山森 弘毅
  • Industrial Property Rights Holder: 産業技術総合研究所
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-100717
  • Acquisition Date: 2021
• [Patent(Industrial Property Rights)] 周波数多重読出装置 (2019)
  • Inventor(s): 神代 暁, 平山 文紀, 山本 弘毅, 福田 大治, 佐藤 昭, 永沢 秀一, 佐藤 泰
  • Industrial Property Rights Holder: 産業技術総合研究所
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2015-148140
  • Acquisition Date: 2019
• [Patent(Industrial Property Rights)] 周波数多重読出装置及びその設計方法 (2017)
  • Inventor(s): 平山文紀、中島裕貴、神代 暁、山森弘毅
  • Industrial Property Rights Holder: 産業技術総合研究所
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-100717
  • Filing Date: 2017
• [Patent(Industrial Property Rights)] 周波数多重読出装置 (2015)
  • Inventor(s): 神代暁,平山文紀,山森弘毅,福田大治,佐藤昭,永沢秀一,佐藤泰
  • Industrial Property Rights Holder: 神代暁,平山文紀,山森弘毅,福田大治,佐藤昭,永沢秀一,佐藤泰
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2015-000187
  • Filing Date: 2015-07-07