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2022 年度 実績報告書

準粒子ミキサの量子効果による周波数変換利得を用いたマイクロ波低雑音増幅器の研究

研究課題

研究課題/領域番号 19H02205
研究機関国立天文台

研究代表者

小嶋 崇文  国立天文台, 先端技術センター, 准教授 (00617417)

研究分担者 鵜澤 佳徳  国立天文台, 先端技術センター, 教授 (00359093)
木内 等  国立天文台, アルマプロジェクト, 特任教授 (90358911)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワードマイクロ波増幅器 / 超伝導 / SISミキサ / 低雑音
研究実績の概要

昨年度から今年度にかけて実施した、「2つのSISミキサ間のミリ波伝送線路の位相遅延量」と「2つの局部発振器間の位相差」に着目した計算により、増幅器の利得および位相に非相反性が発現することを明らかにしている。これは2つのSISミキサを用いた増幅器構成に利得付きアイソレータや方向性増幅器としての機能を持たせることができることを意味する。この現象は、理論計算に加えて予備実験でも実証することができ、特許を出願するとともに査読論文も出版した。
次に、理論と予備実験の知見に基づき、昨年度構築した雑音温度評価系を用いて新たに増幅器の性能評価を実施した。局部発振器の位相差と増幅器利得の関係を検証した結果、予測通り、位相差に対して利得の最大最小値が現れることを実験的に確認した。また、増幅器利得が最大となるように局部発振器の振幅と位相を設定することで、5 GHz以下の周波数帯において、利得は6-8 dB、雑音温度は11 K程度の性能を得た。利得と雑音温度のブレークダウンにより、アップコンバータの増幅器性能への寄与が大きいことも明らかにした。本年度は、さらなる増幅器の性能向上を目指してSISミキサの作製にも取り組んだが、装置や設備の不具合等により、新たな素子作製ができなかった。しかしながら、本研究の当初目標である「2つのSISミキサを用いた構成による超伝導マイクロ波増幅器が、冷却型半導体増幅器とほぼ同等の性能を出すことが可能であること」を示すことができたと考えている。また、本成果に基づき記者会見を開き、電波天文のみならず量子コンピュータ等の分野に関心を持つ複数の新聞社やWebメディア等で取り上げていただいた。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 6件、 招待講演 4件) 備考 (3件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Characterization of a low-noise superconductor-insulator-superconductor-based microwave amplifier with local oscillator phase-adjusting architecture2023

    • 著者名/発表者名
      Kojima T.、Masui S.、Shan W.、Uzawa Y.
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 122 ページ: 072601~072601

    • DOI

      10.1063/5.0134595

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of an SIS Mixer-Based Low-Noise Amplifier Amenable to Josephson Oscillator Pumping2023

    • 著者名/発表者名
      Uzawa Yoshinori、Kojima Takafumi、Makise Kazumasa、Kawakami Akira、Kozuki Yuto、Masui Sho、Shan Wenlei
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 33 ページ: 1~4

    • DOI

      10.1109/TASC.2023.3254496

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Proof-of-Concept Experiment on a Wideband Microwave Gyrator with Two Superconductor-Insulator-Superconductor-Based Mixers2023

    • 著者名/発表者名
      Masui Sho、Kojima Takafumi、Uzawa Yoshinori、Makise Kazumasa、Ogawa Hideo、Onishi Toshikazu
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 33 ページ: 1~4

    • DOI

      10.1109/TASC.2023.3258368

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Novel Microwave Nonreciprocal Isolator Based on Frequency Mixers2023

    • 著者名/発表者名
      Masui Sho、Kojima Takafumi、Uzawa Yoshinori、Onishi Toshikazu
    • 雑誌名

      IEEE Microwave and Wireless Technology Letters

      巻: - ページ: 1~4

    • DOI

      10.1109/LMWT.2023.3253124

    • 査読あり
  • [学会発表] 2030年代のミリ波サブミリ波電波天文学に向けたSISデバイスの研究と高感度受信機の開発2023

    • 著者名/発表者名
      小嶋 崇文,牧瀬 圭正,江崎 翔平, 田村 友範, 宮地 晃平, 単 文磊,金子 慶子, 坂井 了, 今田 大皓, 上水 和典, 増井 翔, 鵜澤 佳徳
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会 超伝導分科会企画シンポジウム 【時空間制御による新規超伝導デバイスの創出】
    • 招待講演
  • [学会発表] 2つの周波数コンバータおよび位相遅延回路を用いた広帯域アイソレータの概念実証実験2023

    • 著者名/発表者名
      増井翔, 小嶋崇文, 鵜澤佳徳, 大西利和
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Research and Development toward ALMA Upgrades2023

    • 著者名/発表者名
      鵜澤佳徳
    • 学会等名
      2022年度宇宙電波懇談会シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] Noise temperature and S-parameter measurements of an SIS-based microwave amplifier2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kojima, Y. Uzawa, S. Masui, Y. Kozuki, Y. Fujii, K. Makise, W. Shan
    • 学会等名
      32nd International Symposium on Space Terahertz Technolgy
    • 国際学会
  • [学会発表] 2030年代のミリ波サブミリ波電波天文学に向けたSIS受信機の技術開発2022

    • 著者名/発表者名
      小嶋崇文
    • 学会等名
      応用物理学会超伝導分科会第65回研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Microwave performance of an SIS-based amplifier with a millimeter-wave isolator2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kojima, Y. Uzawa, S. Masui, Y. Kozuki, Y. Fujii, K. Makise, W. Shan
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Non-reciprocal microwave circuit based on phase-controlled two-frequency-converter configuration2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kojima, S. Masui, K. Makise, W. Shan, Y. Uzawa
    • 学会等名
      The 23rd East Asia Sub-mm-wave Receiver Technology Workshop
    • 国際学会
  • [学会発表] Proof-of-concept experiment on a novel microwave circulator based on frequency converters2022

    • 著者名/発表者名
      Sho Masui, Hideo Ogawa, Toshikazu Onishi, Kazumasa Makise, Takafumi Kojima, Yoshinori Uzawa
    • 学会等名
      32nd International Symposium on Space Terahertz Technolgy
    • 国際学会
  • [学会発表] Concept of a novel microwave isolator for a large integrated circuit2022

    • 著者名/発表者名
      Sho Masui, Takafumi Kojima, Kazumasa Makise, Hideo Ogawa, Toshikazu Onishi, and Yoshinori Uzawa
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of an SIS-mixer-based low-noise amplifier with Josephson oscillator pumping2022

    • 著者名/発表者名
      Uzawa, Y., Kojima, T., Makise, K., Kawakami, A., Kozuki, Y., Masui, S., Shan, W.
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] 周波数コンバータを用いたマイクロ波帯 アイソレータの原理確認実験2022

    • 著者名/発表者名
      増井翔, 小嶋崇文, 牧瀬圭正, 小川英夫, 大西利和, 鵜澤佳徳
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 大規模ヘテロダインアレイ用超伝導マイクロ波増幅器の開発2022

    • 著者名/発表者名
      鵜澤佳徳
    • 学会等名
      日本学術振興会 超伝導エレクトロニクス第146委員会 第102回研究会
    • 招待講演
  • [備考] 超伝導増幅器の研究

    • URL

      https://atc.mtk.nao.ac.jp/radiowave/

  • [備考] 超低消費電力・低雑音動作するマイクロ波帯超伝導増幅器

    • URL

      https://innovation.nins.jp/seeds/2021/seeds2021-05/

  • [備考] 冷却型としては超低消費電力なマイクロ波増幅器の実証に成功

    • URL

      https://atc.mtk.nao.ac.jp/news/20230320/

  • [産業財産権] アイソレータ2022

    • 発明者名
      小嶋崇文、増井翔、鵜澤佳徳
    • 権利者名
      小嶋崇文、増井翔、鵜澤佳徳
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2022-172655

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公開日: 2023-12-25  

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