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2020 Fiscal Year Annual Research Report

SIS接合における量子論的周波数アップコンバージョン過程の探求と応用

Research Project

Project/Area Number 18H03881
Research InstitutionNational Astronomical Observatory of Japan

Principal Investigator

鵜澤 佳徳  国立天文台, 先端技術センター, 教授 (00359093)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小嶋 崇文  国立天文台, 先端技術センター, 准教授 (00617417)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
KeywordsNb/AlOx/Nb接合 / アップコンバージョン利得 / マイクロ波増幅器 / 低雑音 / 低消費電力 / インピーダンス整合
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、超伝導体-絶縁体-超伝導体(SIS)接合の新たな可能性を見出すために、周波数アップコンバータとしての性能を明らかにし、さらに低雑音かつ低消費電力で動作する世界初のSISミキサによるマイクロ波増幅器へ応用することを目指したものである。
初年度の2018年度にTuckerの量子論的ミキシング理論を周波数アップコンバージョンに適用したシミュレータの構築、SISアップコンバータの設計・解析に必要な接合容量などのパラメータの実験的導出、さらにネットワークアナライザを用いたミリ波帯SISアップコンバータ実験系を整備した。2019年度は、本ミリ波帯実験系を用いて、国立天文台で作製したNb/AlOx/Nb接合のアップコンバージョン特性について測定を行い、世界で初めてSISアップコンバータ単体における周波数変換利得の実験的観測に成功した。
最終年度である2020年度には、マイクロ波からミリ波へのSISアップコンバータの利得を利用し、逆過程のSISダウンコンバータを縦続接続することで、マイクロ波増幅器としての特性評価を行った。その結果、10 dB以上の利得が観測され、また雑音温度は10 K以下と従来の冷却半導体増幅器と同程度な低雑音特性が得られた。増幅器全体の消費電力は約1μWと算出され、mW級の半導体増幅器に比べ格段に低い消費電力を実現できる可能性を明らかにした。利得と雑音温度について、両コンバータのバイアス電圧依存性を求めた結果、ダウンコンバータは従来と同様である一方、アップコンバータはバイアス点の微分抵抗値が入力負荷の同軸系インピーダンス(50 Ω)となる付近において最大利得と最小雑音温度が得られることを見出した。このことから、SISアップコンバータの入力インピーダンス整合が、増幅器の低雑音性能を引き出す重要な鍵の一つであり、今後のさらなる高性能化への有益な設計指針が得られた。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (12 results)

All 2021 2020 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] CfA, Harvard Smithsonian(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      CfA, Harvard Smithsonian
  • [Journal Article] Development of Superconducting Devices Supporting Radio Astronomy2021

    • Author(s)
      UZAWA Yoshinori、KROUG Matthias、KOJIMA Takafumi、TAKEDA Masanori、MAKISE Kazumasa、EZAKI Shohei、SHAN Wenlei、MIYACHI Akihira、FUJII Yasunori、TERAI Hirotaka
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Electronics

      Volume: E104-C Pages: ―

    • DOI

      10.1587/transele.2020SUI0003

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Superconducting Receiver Technologies Supporting ALMA and Future Prospects2021

    • Author(s)
      Uzawa Y.、Fujii Y.、Kojima T.、Kroug M.、Shan W.、Ezaki S.、Miyachi A.、Kiuchi H.、Gonzalez A.
    • Journal Title

      Radio Science

      Volume: ― Pages: ―

    • DOI

      10.1029/2020RS007157

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] An SIS-mixer-based amplifier for multi-pixel heterodyne receivers2020

    • Author(s)
      Uzawa Yoshinori、Kojima Takafumi、Kozuki Yuto、Fuji Yasunori、Miyachi Akihira、Tamura Tomonori、Ezaki Shohei、Shan Wenlei
    • Journal Title

      Proc. SPIE 11453, Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy X

      Volume: 11453 Pages: 114530Q

    • DOI

      10.1117/12.2563183

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 150 GHz帯SISミキサを用いたマイ クロ波増幅器特性の実験的評価2021

    • Author(s)
      鵜澤佳徳、小嶋崇文、上月雄人、藤井泰範、宮地晃平、田村友範、江﨑翔平、単文磊
    • Organizer
      第21回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
  • [Presentation] スカラミキサ校正法を用いたSISアップ・ダウンコンバータのオンウエハ特性評価2021

    • Author(s)
      小嶋崇文, 鵜澤佳徳, 単文磊, 田村友範, 上月雄人
    • Organizer
      第21回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
  • [Presentation] Technical challenges toward a large-format heterodyne focal-plane array at mm/sub-mm waves2021

    • Author(s)
      Wenlei Shan, Shohei Ezaki, Takafumi Kojima, Yoshinori Uzawa, Jonsoo Kim
    • Organizer
      (サブ)ミリ波単一鏡の革新で挑む、天文学の未解決問題
    • Invited
  • [Presentation] An SIS-mixer-based amplifier for multi-pixel heterodyne receivers2020

    • Author(s)
      Uzawa Yoshinori、Kojima Takafumi、Kozuki Yuto、Fuji Yasunori、Miyachi Akihira、Tamura Tomonori、Ezaki Shohei、Shan Wenlei
    • Organizer
      SPIE ASTRONOMICAL TELESCOPES + INSTRUMENTATION
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電波天文学における超電導技術2020

    • Author(s)
      鵜澤佳徳
    • Organizer
      つくば応用超電導コンステレーションズ(ASCOT)セミナー
    • Invited
  • [Presentation] ミリ波帯低雑音SISミキサを用いたマイクロ波増幅特性評価2020

    • Author(s)
      鵜澤佳徳、小嶋崇文、上月雄人、藤井泰範、単文磊
    • Organizer
      応用物理学会秋季年会
  • [Presentation] 連続波を用いたWバンドSISアップコンバータの利得測定2020

    • Author(s)
      上月雄人, 酒井剛, 鵜澤佳徳, 小嶋崇文, 単文磊
    • Organizer
      日本天文学会秋季年会
  • [Patent(Industrial Property Rights)] Low-noise microwave amplifier utilizing superconductor-insulator-superconductor2018

    • Inventor(s)
      Yoshinori Uzawa, Takafumi Kojima
    • Industrial Property Rights Holder
      Yoshinori Uzawa, Takafumi Kojima
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      US 10680567 B2
    • Overseas

URL: 

Published: 2021-12-27  

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