Development of a lumped element Josephson parametric amplifier for frequencies below 1 GHz

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-05-12
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
SCI3028
Degree programme
Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
6+62+3
Series
Abstract
It is important to measure temperature fast and accurately in many experiments in low-temperature physics and nanophysics. The accuracy of the measurement is compromised by noise. A Josephson parametric amplifier (JPA) can provide us with low-noise amplification in the microwave frequency range (300 MHz - 30 GHz) for, e.g., radio frequency thermometry and radiation detection. This Master's thesis presents a lumped element JPA made in collaboration by Aalto University and VTT and reports its refection coefficient, gain, bandwidth, 1 dB compression point, noise temperature and quality factors. Experimental results are compared with nonlinear circuit simulations done with APLAC, which gives us information about component properties for fabrication of a new device. Reflection coefficient measurement gives us the resonance frequency (642.0 MHz) and the bifurcation frequency (640.2 MHz) of the JPA. Gain measurement reveals the maximal gain (26.2 dB), the optimal operating frequency (641.3 MHz) and the optimal pump power (-96 dBm). The gain-bandwidth product is simulated as a function of coupling capacitance and pump power and it is observed to be lower than what theory suggests. The noise temperature of the JPA is measured to be between 1 K and 4 K in thefrequency range 639.25 MHz ... 640.45 MHz according to both the Y-factor method and the signal-to-noise ratio (SNR) method, but according to the SNR method the noise temperature is roughly 50 % lower than according to the Y-factor method. When the pump generator is off, the noise temperature of the system is between 25 K and 80 K in the frequency range 639.15 MHz ... 640.30 MHz according to the SNR method.

Monissa kylmä- ja nanofysiikan kokeissa on tärkeää mitata tutkittavan näytteen lämpötila nopeasti ja tarkasti. Mittauksen tarkkuutta heikentää kohina. Josephsonin parametrivahvistimella (JPA) voidaan vahvistaa näytteen läpi kulkevaa mikroaaltosignaalia (taajuus 300 MHz - 30 GHz) niin, että kohinaa syntyy vain vähän. JPA:ta voidaan hyödyntää esimerkiksi radiotaajuuksilla toimivissa lämpömittareissa ja säteilynilmaisimissa. Tässä diplomityössä esitellään Aalto-yliopiston ja VTT:n valmistama keskitetyillä elementeillä toteutettu JPA ja raportoidaan sen mitattu heijastuskerroin, vahvistus, kaistanleveys, kohinalämpötila ja 1 desibelin kompressiopiste. Lisäksi työssä tehdään APLAC-ohjelmistolla epälineaarisia piirisimulaatioita, jotka tuottavat samankaltaisia tuloksia kuin mittaukset ja antavat hyödyllistä tietoa uusien vastaavien vahvistimien valmistamista varten. Heijastuskertoimen mittaus kertoo JPA:n resonanssitaajuuden (642,0 MHz) ja bifurkaatiotaajuuden (640,2 MHz). Vahvistuksen mittaus kertoo suurimman vahvistuksen (26,2 dB) sekä optimaalisen signaalitaajuuden (641,3 MHz) ja pumpputehon (-96 dBm). Vahvistus-kaistanleveys -tuloa tutkitaan kytkentäkapasitanssin ja pumpputehon funktiona simulaatioiden avulla. Simulaatioiden mukaan tämä tulo on pienempi kuin mitä teoria antaa olettaa. JPA:n kohinalämpötilaksi saadaan sekä Y-kerroinmenetelmällä että signaali-kohinasuhteeseen (SNR) perustuvalla menetelmällä 1 K ... 4 K taajuuskaistalla 639,25 MHz ... 640,45 MHz. SNR-menetelmä antaa kuitenkin noin 50 % matalamman kohinalämpötilan kuin Y-kerroinmenetelmä. Vertailun vuoksi systeemin kohinalämpötila on ilman JPA:ta 25 K ... 80 K taajuuskaistalla 639,15 MHz ... 640,30 MHz SNR-menetelmän mukaan.
Description
Supervisor
Pekola, Jukka
Thesis advisor
Saira, Olli-Pentti
Keywords
parametric amplifier, Josephson junction, reflection coefficient, gain, bandwidth, noise temperature
Other note
Citation