Design and simulation of a parametric amplifier using Josephson field-effect-transistor technology
Loading...
Files
bachelor_Kirjavainen_Juulia_2025.pdf (2.07 MB) (opens in new window)
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
33
Series
Abstract
Cryogenic, ultralow-noise microwave amplification is critical in superconducting qubit readout, microwave detection, and space technology. Josephson parametric amplifiers (JPAs) are widely used in microwave amplification. Parametric amplification occurs because a nonlinear element and a strong pump enable frequency mixing. The core component of a JPA is a Josephson junction, which acts as a nonlinear inductor and is formed by a thin layer of insulator or normal metal sandwiched between two superconductors. However, gate-controlled Josephson field-effect transistors (JoFETs) have been less studied in this context. In particular, graphene-based JoFETs have shown promising results in terms of scalability and electrostatic control, which could provide an alternative to magnetic field control. The aim of this thesis is to study graphene-based JoFETs as a nonlinear element in superconducting parametric amplifiers. The study was carried out as a literature review and circuit-level simulations using Keysight Advanced Design System (ADS) software. At first, an LC resonator-based JPA was implemented, in which the nonlinear element was a Verilog-A model of a nonlinear Josephson inductance. Harmonic balance (HB) simulation was performed to study the bandwidth, and gain as a function of signal frequency and the dependence on pump power. It showed that parametric gain occurs only when the pump is on. 30 dB gain and 290 MHz bandwidth were achieved. As the gain increased, the bandwidth became narrower. Finally, a gate-pumped JPA using a JoFET was simulated. The JoFET was implemented using a Verilog-A model, which was based on measurements by VTT of their graphene JoFETs. HB simulations showed the electrostatic control of the gate-pumped JPA and gain-bandwidth trade-off typical of JPAs. 15–35 dB gain and 150 MHz bandwidth were obtained, and the resonance frequency could be adjusted with the DC gate voltage. Overall, the observed behavior corresponds well with the reported results for JPAs and fabricated JoFET JPAs. These findings suggest that graphene JoFETs enable parametric gain that can be controlled electrostatically. Although their noise levels may not meet the requirements of quantum computers, they could be useful in other demanding applications, such as space technology.Kryogeenistä, erittäin matalan kohinan mikroaaltovahvistusta tarvitaan suprajohtavien kubittien mittausketjuissa, mikroaaltojen havaitsemisessa ja avaruusteknologiassa. Josephson parametrivahvistimet (JPA:t) ovat vakiintuneet tässä tarkoituksessa. Niiden toiminta perustuu epälineaariseen elementtiin sekä vahvaan pumppuun, jotka mahdollistavat taajuussekoittumisen. JPA:n ydinkomponentti on epälineaarisena induktanssina käyttäytyvä Josephson-liitos, joka muodostuu ohuesta eriste- tai metallikerroksesta suprajohteiden välissä. Sen sijaan porttiohjattuja Josephson-kanavatransistoreja (JoFETeja) on tutkittu vähän tässä kontekstissa. Erityisesti grafeenipohjaiset JoFETit ovat tuottaneet lupaavia tuloksia skaalautuvuudesta ja sähköstaattisesta ohjauksesta, mikä voisi tarjota vaihtoehdon magneettikenttien käyttöön. Tämän kandidaatintutkielman tavoitteena on tutkia grafeenipohjaisia JoFETeja suprajohtavien parametrivahvistimien epälineaarisena elementtinä. Tutkielma toteutettiin kirjallisuuskatsauksena sekä piiritason simulointina käyttäen Keysight Advanced Design System (ADS) -ohjelmistoa. Aluksi toteutettiin LC-resonaattoriin perustuva JPA, jossa Josephson-liitos mallinnettiin epälineaarisena induktanssina Verilog-A-mallilla. Harmonic balance (HB) -simulaatioilla tutkittiin kaistanleveyttä, vahvistusta signaalitaajuuden funktiona sekä vahvistuksen riippuvuutta pumpputehosta. Ne osoittivat, että parametrivahvistus tapahtuu vain pumpun ollessa päällä. Saavutettiin 30 dB vahvistus ja 290 MHz kaistanleveys. Mitä suuremmaksi vahvistus kasvoi, sitä kapeampi kaistanleveydestä tuli. Seuraavaksi simuloitiin JoFETiin perustuva porttipumpattu JPA. JoFET toteutettiin Verilog-A-mallilla, joka pohjautui VTT:n mittauksiin. HB-simulaatiot näyttivät porttipumpatun JPA:n sähköstaattisen ohjauksen ja JPA:lle tyypillisen vahvistus-kaistanleveys kompromissin. Saavutettiin 15–35 dB vahvistus ja 150 MHz kaistanleveys, ja resonanssitaajuus oli säädettävissä portin tasajännitteellä. Havainnot vastaavat raportoituja tuloksia kirjallisuudessa. Työn tulokset viittaavat siihen, että grafeeni JoFETit mahdollistavat sähköstaattisesti ohjatun parametrivahvistuksen. Vaikka näiden vahvistimien kohinataso ei täyttäisi kvanttitietokoneiden vaatimuksia, ne voisivat olla hyödyllisiä muissa vaativissa käyttökohteissa, kuten avaruusteknologiassa.Description
Supervisor
Turunen, MarkusThesis advisor
Gamaethige, ShanukaStadius, Kari