(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる共振周波数を有するＭ個(ただし、Ｍは２以上の自然数)の超伝導共振回路を備える読出チップと、前記Ｍ個の超伝導共振回路の各共振周波数を検出信号に応じて互いに独立して変化させるＭ個の超伝導検出器を備える検出チップとからなる多重化チップが、Ｎ個(ただし、Ｎは２以上の自然数)互いに前記共振周波数を異ならせて縦続接続されており、Ｎ個の前記読出チップ内のＭ×Ｎ個の前記超伝導共振回路の共振周波数と同じ周波数のＭ×Ｎ個の周波数信号からなる高周波帯の第１の周波数分割多重信号が供給され、Ｍ×Ｎ個の超伝導検出器の検出信号に応じて振幅及び位相が制御された前記Ｍ×Ｎ個の周波数信号からなる高周波帯の第２の周波数分割多重信号を出力する縦続接続多重化チップと、
前記縦続接続多重化チップから出力される前記第２の周波数分割多重信号を増幅して出力する広帯域の増幅器と、
Ｍ個の周波数信号が周波数分割多重された任意波形で第１の帯域の信号であるベースバンド信号をＮ個、各周波数信号の周波数を互いに異ならせて生成し、そのＮ個のベースバンド信号を、前記高周波帯で、かつ、互いに帯域が異なるＮ個の高周波信号にアップコンバートし、アップコンバート後の前記Ｎ個の高周波信号を周波数分割多重して、全体の帯域幅を前記広帯域の増幅器の帯域幅以下の第２の帯域とした周波数分割多重信号を生成して前記縦続接続多重化チップへ前記第１の周波数分割多重信号として供給する周波数分割多重信号生成手段と、
前記広帯域の増幅器から出力される前記第２の周波数分割多重信号をＮ分配する信号分配手段と、
前記信号分配手段により分配されたＮ個の前記第２の周波数分割多重信号をそれぞれ互いに周波数が異なる前記Ｍ個の周波数信号からなる前記第１の帯域のＮ個のベースバンド信号にダウンコンバートするダウンコンバート手段と、
前記ダウンコンバート手段から出力される前記Ｎ個のベースバンド信号のうち対応するベースバンド信号をＡ／Ｄ変換し、帯域幅が入力されるベースバンド信号の帯域幅以下であるＮ個の信号処理器と、前記Ｎ個の信号処理器から出力されるデジタル信号に基づいて前記Ｎ個のベースバンド信号の振幅及び位相を解析するコンピュータとを含む解析手段と、
前記アップコンバート及び前記ダウンコンバートにおいて生成される対応する前記ベースバンド信号の周波数の同一性を担保するための基準周波数を規定する前記Ｎ個の発振器とを備え、
前記縦続接続多重化チップを構成する前記Ｍ×Ｎ個の超伝導検出器が大規模超伝導検出器アレイを構成し、前記縦続接続多重化チップ及び前記広帯域の増幅器は極低温環境下で動作するとともに、前記縦続接続多重化チップは、室温環境下で動作する前記周波数分割多重信号生成手段から前記第１の周波数分割多重信号が１本の第１の信号線を介して供給され、前記広帯域の増幅器を通して前記第２の周波数分割多重信号を室温環境下で動作する前記信号分配手段へ１本の第２の信号線を介して供給することを特徴とする周波数多重読出装置。
【請求項２】
前記高周波帯の第１及び第２の周波数分割多重信号は、前記Ｍ×Ｎ個の超伝導共振回路の共振周波数と同じ周波数の線スペクトルが櫛状に並んだ周波数コム信号からなるマイクロ波帯の周波数分割多重信号であることを特徴とする請求項１記載の周波数多重読出装置。
【請求項３】
前記縦続接続多重化チップは、前記検出チップ及び前記読出チップを兼用するＭ個のマイクロ波力学インダクタンス検出器が１個の前記多重化チップとして、Ｎ個縦続接続された構成であることを特徴とする請求項２記載の周波数多重読出装置。
【請求項４】
前記検出チップを構成するＭ個の前記超伝導体検出器は、Ｍ個の超伝導転移端検出器であることを特徴とする請求項１又は２記載の周波数多重読出装置。
【請求項５】
前記検出チップを構成するＭ個の前記超伝導体検出器は、超伝導体のＭ個の差動コイルからなる金属磁気カロリーメータであることを特徴とする請求項１又は２記載の周波数多重読出装置。
【請求項６】
前記検出チップを構成するＭ個の前記超伝導体検出器は、超伝導体の検出コイルを含む超伝導ループが、前記読出チップを構成するジョセフソン接合を有するＭ個の前記超伝導共振回路に別々に磁気結合したＭ個のＳＱＵＩＤ磁力計であることを特徴とする請求項１又は２記載の周波数多重読出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は周波数多重読出装置に係り、特に大規模超伝導検出器アレイのための周波数多重読出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導-常伝導間の転移に伴う急激な抵抗の温度依存性を利用した究極の低雑音性を誇る熱型検出器である超伝導転移端検出器(ＴＥＳ；Transition Edge Sensor)は、（i）Ｘ線・γ線分析(エネルギー分散分光)において半導体検出器より１桁以上優れたエネルギー分解能、（ii）近赤外領域の単一光子検出における１００％近い量子効率と２００ns以下の応答時間、（iii）ミリ波・サブミリ波領域で冷却半導体ボロメータに比べて格段に優れた低雑音性と高速応答性、をそれぞれ実証してきた。また、２０１４年春には、宇宙マイクロ波背景放射のＴＥＳによる偏光観測の結果、宇宙創成期に生成された重力波を発見した可能性があるとのニュースが世界を賑わせた。
【０００３】
しかし、ＴＥＳは室温検出器に比べ検出面積(受光面積)が小さくイメージング機能に劣る。ただし、ＴＥＳはエネルギーＥの光子入射に対し、熱容量Ｃvが小さいＴＥＳほど、温度上昇ΔＴ(＝Ｅ/Ｃv)が大きいという特性を有する。そこで、低Ｃvすなわち微小な受光面積のＴＥＳを多数並べて検出面積を増大させた多画素化により、低雑音・高速応答性と検出面積増大の両立とが初めて可能となり、空間分解能も向上する。
【０００４】
一方、ＴＥＳの多画素化は、極低温環境下で動作するＴＥＳから室温環境下で動作する信号処理系への信号取り出し用配線数が増大し、それに伴い室温から極低温への配線を経由した熱流入の増加をもたらす。試料を配置する極低温ステージ温度は、通例複数設けられる。ＴＥＳ用冷却系の場合、ＴＥＳを０.１Ｋステージに、後段の極低温読出デバイスを４Ｋステージに置くことが多い。超伝導検出器システムの体積・消費電力・価格を支配する極低温冷凍機の冷却効率は、１０-7％＠０.１Ｋ、１０-2％＠４Ｋと極めて低い。例えばＸ線ＴＥＳの典型的動作温度０.１Ｋで１０μＷの排熱能力を持つ冷凍機は、三相交流２００Ｖ電源で９ｋＷの消費電力、縦２０００ｍｍ、横６００ｍｍ、高さ１０００ｍｍ程度の体積、及び約３０００万円の価格であり、先端計測分析器としての普及・製品化の壁となる。
【０００５】
そこで、多数のＴＥＳからの信号を多重化して少ない配線数で信号を読み出すことで熱流入を減らす信号多重化技術が、（i）ＴＥＳの高い性能、（ii）受光面積増大・イメージング機能拡充、（iii）超伝導検出器システムの小型化・低消費電力化・低価格化、という一見相反する要求を満たす上で、多画素化したＴＥＳの特性均一化と並んで、極めて重要となる。信号多重化方法には時間多重法と周波数多重法とがあるが、ここでは、多重化数に伴い信号対雑音比が低下しない周波数多重法を取り上げる。
【０００６】
近年、数ＧＨｚのマイクロ波帯共振を用いる周波数多重読出装置が提案されている(例えば、非特許文献１参照)。図８は、上記の提案による周波数多重読出装置の要部の一例の構成図を示す。図８において、周波数多重読出装置の要部である多重化チップ５０は、検出チップ５１と読出チップ５２とがＭ個のコイル５４１〜５４Ｍ(図８では３個のみ図示)で接続された構成であり、マイクロ波信号源６４からのマイクロ波帯の周波数分割多重信号が入力される。マイクロ波信号源６４は、Ｍ個の周波数信号からなる周波数分割多重信号を発生する。なお、周波数多重読出装置は、上記の多重化チップ５０の入力側にベースバンド帯信号をマイクロ波帯信号にアップコンバートする変調部、出力側にはマイクロ波帯信号をベースバンド信号にダウンコンバートする復調部と復調信号の信号解析を行う解析部を有する。
【０００７】
図８において、検出チップ５１は、Ｍ個(図８はそのうちの３個のみ図示)のＴＥＳ５３１〜５３３等からなり、それぞれには抵抗Ｒを介して直流信号源６５から直流バイアス電流が供給されている。ＴＥＳ５３１〜５３Ｍは、外部の検出対象からの光子等のエネルギーあるいは電磁波振幅を検出する。読出チップ５２は、入力コイル５５１〜５５Ｍ、コイル５６１〜５６Ｍ、ジョセフソン接合５７１〜５７Ｍ、線路５８１〜５８Ｍ、キャパシタ５９１〜５９Ｍ、線路６１０、６１１〜６１Ｍからなる。
【０００８】
ここで、読出チップ５２内の、ｊ番目(ｊ＝１〜Ｍ：以下同じ)のコイル５６ｊはジョセフソン接合５７ｊとともに超伝導閉回路である超伝導量子干渉素子(ＳＱＵＩＤ；Superconducting Quantum Interference Devise)を構成し、また入力コイル５５ｊと誘導結合されている。そのＳＱＵＩＤの出力端は線路５８ｊ、キャパシタ５９ｊを直列に介して線路６１(ｊ−１)と６１ｊとの接続点に接続されている。線路６１Ｍは高電子移動度トランジスタ(ＨＥＭＴ；High Electron Mobility Transistor)により構成された増幅器(以下、ＨＥＭＴ増幅器という)６２及び線路６３を介して外部に接続されている。多重化チップ５０、ＨＥＭＴ増幅器６２は、極低温冷却装置６０に収容されている。
【０００９】
入力コイル５５ｊと、コイル５６ｊ及びジョセフソン接合５７ｊからなるＳＱＵＩＤと、線路５８ｊ及びキャパシタ５９ｊとは、ｊ番目の共振回路を構成している。このｊ番目の共振回路の共振周波数は、マイクロ波信号発生源６４からのマイクロ波帯の周波数分割多重信号を構成するＭ個の周波数信号のうちのｊ番目の周波数信号と同一に設定されている。これにより、多重化チップ５０は、ｊ番目のＴＥＳ５３ｊの検出信号に応じてｊ番目の共振回路の共振周波数が僅かな周波数幅内で変化し、これによりマイクロ波信号発生源６４からのマイクロ波帯の周波数分割多重信号中のｊ番目の周波数信号の位相及び振幅を変化させて出力する。
【００１０】
図９(ａ)は、多重化チップ５０から出力される周波数多重信号の周波数対透過率特性を示し、同図(ｂ)は同図(ａ)に丸印で示す部分を拡大した周波数対透過率特性を示す。図９(ａ)はＭ＝１６の例であり、１６個の周波数でディップを有する周波数分割多重信号(いわゆる周波数コム信号)中の例えば２番目(ｊ＝２)のディップの周波数信号は同図(ｂ)に示すように、２番目のＴＥＳからの信号に応じてその位相及び振幅が変化する。２番目のＴＥＳからの信号が弱くなるほど、２番目のディップの周波数信号の位相及び振幅は、図９(ｂ)にＩ、II、IIIで示すように変化する。この２番目のディップの周波数信号の位相及び振幅は、後段の信号処理器により復調され、それに基づきコンピュータを用いて検出結果が解析処理される。
【００１１】
ここで、読出信号線一対(往復)あたりに多重化可能な周波数分割多重信号の原理的画素数Ｍpは、次式で与えられることが知られている。
Ｍp＝Ｂ／(κＤ)        （１）
ただし、上式中、Ｂは読出信号線の帯域(読出回路で決まる)、Ｄは１画素信号の帯域(検出対象で決まる)、κは隣接共振周波数間隔とＤの比(なお、画素間の漏話が−３０ｄＢ未満を満たす条件は非特許文献１によれば、κ＞１０)である。
【００１２】
従来より周知の第一世代の超伝導検出器の周波数多重読出装置では、読出信号帯域Ｂは約５ＭＨｚ、１画素信号帯域１００ｋＨｚの計測対象を計測する場合、(１)式から原理的画素数Ｍpは、約５程度に過ぎない。これに対し、図９及び図１０と共に説明した読出しにマイクロ波を用いる第二世代の超伝導検出器の周波数多重読出装置では、極低温環境下で多重化を司る多重化チップ５０の後段に配置されるＨＥＭＴ増幅器６２の帯域Ｂが例えば、４ＧＨｚ≦Ｂ≦１０ＧＨｚであるので、(１)式から原理的画素数Ｍpは上記の第一世代の周波数多重読出装置のそれの２〜３桁も増大させることができ、多画素化が期待できる。
【００１３】
また、共振器長は一般的に共振周波数に反比例して低下するので、第二世代の周波数多重読出装置のように共振周波数が数ＧＨｚで動作させる共振器を有する場合、その共振器の寸法を共振周波数が数ＭＨｚである上記第一世代の周波数多重読出装置より３桁程度低減させることができることから、集積回路技術に基づくチップ上の超伝導薄膜による大規模集積化の可能性を拓くとともに、作製した共振器の特性の制御性・均一性の点で有利である。更に、第二世代の周波数多重読出装置によれば、マイクロ波帯で動作する多重化チップ内のＴＥＳ信号読出しに用いる素子の動作モード変更により、電力損失(よって、極低温での発熱)がＴＥＳの消費電力より小さい一画素あたり数ピコワット以下に抑制でき、かつ、直流駆動のＴＥＳからの信号を周波数分割多重できるという特長も得られる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】J.A.B.Mates,et al.:“Demonstration of a multiplexer of dissipationless superconducting quantum interference devices”,Appl.Phys.Lett.,92(2008),023514 1-3
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、第二世代の周波数多重読出装置によれば、多重化チップ５０の後段に配置される、室温環境下で動作する後述の信号処理器(図８には図示せず)の帯域が、例えば１４ビットの市販品では約０.２５ＧＨｚしかないため、ＨＥＭＴ増幅器６２の帯域Ｂが広帯域(前述したように、４ＧＨｚ≦Ｂ≦１０ＧＨｚ)であるにも拘らず、周波数多重読出装置の読出信号の帯域は信号処理器を構成するＡ／Ｄ変換部の帯域幅である約０.２５ＧＨｚに制約されてしまう。このため、(１)式における１画素信号の帯域Ｄを１００ｋＨｚ、隣接共振周波数間隔とＤとの比κを「１０」とすると、(１)式から原理的画素数Ｍpは、約２５０程度となる。このことから、１４ビットＡ／Ｄ変換部に相当するダイナミックレンジを必要とする検出対象に対して、原理的画素数Ｍpは高々「２５０」しか得られず、第一世代の周波数多重読出装置に比べて５０倍程度の画素数増加を図れる一方で、第二世代の周波数多重読出装置の原理的な画素数の僅か１／１６から１／４０程度の増加しか図れない。
【００１６】
このため、例えば欧米の数千画素超伝導検出器カメラの開発プロジェクトでは、図１０に示したように、極低温環境下の多重化チップ及び室温環境化の信号処理部の系統をＮ系統並列に設け、個別の各系統別のＫ画素の画素信号を多重化し、全系統でＫ画素のＮ倍の画素信号を読み出す構成とせざるを得ない。すなわち、図１０に示す周波数多重読出装置は、任意波形発生器７１１〜７１Ｎを備え、更にＮ個の任意波形発生器７１１〜７１Ｎのうちｉ番目(ｉは１〜Ｎ；以下同じ)の任意波形発生器７１ｉの出力側には、局部発振器７３ｉ及び周波数変換器７２ｉからなるアップコンバータ、レベル減衰器７４ｉ、多重化チップ５０ｉ、サーキュレータ７５ｉ、ＨＥＭＴ増幅器６２ｉ、増幅器７６ｉ、局部発振器７３ｉ及び周波数変換器７７ｉからなるダウンコンバータ、及び信号処理器７８ｉとが縦続に接続され、全部でＮ系統並列に接続された構成である。
【００１７】
任意波形発生器７１１〜７１Ｎの各々は、同一振幅の任意波形のベースバンド帯のＭ個の周波数信号からなる周波数分割多重信号を発生する。この周波数分割多重信号は、図２(ａ)に示すようなＭ個の周波数において線スペクトルを有する、いわゆる周波数コム(櫛)信号である。また、任意波形発生器７１１〜７１Ｎの全体では、互いに周波数が異なるＮ個の周波数コム信号を発生する。
【００１８】
局部発振器７３１〜７３Ｎは同一の局部発振周波数ｆcを発振出力する。Ｎ個のアップコンバータは、それぞれ入力されるベースバンド帯の周波数分割多重信号を、例えば数ＧＨｚのマイクロ波帯にアップコンバートして、それぞれ図８に示した構成の多重化チップ５０１〜５０Ｎに供給する。レベル減衰器７４１〜７４Ｎ、多重化チップ５０１〜５０Ｎ、サーキュレータ７５１〜７５Ｎ、及びＨＥＭＴ増幅器６２１〜６２Ｎは、同一の極低温冷却装置(クライオスタット)６０内に収容されて極低温環境下で動作する。それ以外は室温環境下で動作する。信号処理器７８１〜７８Ｎは、ダウンコンバートされたベースバンド帯の周波数分割多重信号に対して、互いに独立して高速フーリエ変換(ＦＦＴ；Fast Fourier Transform)により復調動作を行う。コンピュータ(ＰＣ)７９は信号処理器７８１〜７８Ｎからのデジタル信号を解析して、周波数分割多重信号を構成するＮ×Ｍ個の周波数信号のそれぞれの振幅及び位相を別々に検出する。
【００１９】
ところが、このＮ系統の構成の周波数多重読出装置は極低温冷却装置６０とその外部の室温環境下で動作させる、Ｎ系統のアップコンバータ及びＮ系統のダウンコンバータとの間の信号線(マイクロ波同軸線)の数は入出力計２Ｎ本となる。このため、Ｎ＝４０に対する検出器ステージ(≒０.１Ｋ)への信号線を経由した熱流入電力は、信号線に極細(外径０.８６ｍｍ)かつ熱伝導の悪いキュプロニッケル(ＣｕＮｉ)同軸線を用いても数μＷにも及ぶ。更に、極低温冷却装置６０の４Ｋステージに置く半導体増幅器群の発熱(≒２０ｍＷ／個)もＮ倍となる。これらは、天文・宇宙背景放射、暗黒物質の観測等、大型・大電力冷凍機を前提とする欧米の基礎科学プロジェクトでは許容されても、汎用型超伝導分析機器に適合する小型・低消費電力・低廉な冷凍機の排熱能力には過負荷である。
【００２０】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、室温と極低温との間の信号線数が２本のみの構成で、極低温環境下で動作する増幅器の全帯域を使用できる構成とすることで、１本の信号線あたりの画素数の飛躍的な増大を可能とした周波数多重読出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、互いに異なる共振周波数を有するＭ個(ただし、Ｍは２以上の自然数)の超伝導共振回路を備える読出チップ５２と、Ｍ個の超伝導共振回路の各共振周波数を検出信号に応じて互いに独立して変化させるＭ個の超伝導検出器を備える検出チップ５１とからなる多重化チップが、Ｎ個(ただし、Ｎは２以上の自然数)互いに共振周波数を異ならせて縦続接続されており、Ｎ個の読出チップ内のＭ×Ｎ個の超伝導共振回路の共振周波数と同じ周波数のＭ×Ｎ個の周波数信号からなる高周波帯の第１の周波数分割多重信号が供給され、Ｍ×Ｎ個の超伝導検出器の検出信号に応じて振幅及び位相が制御されたＭ×Ｎ個の周波数信号からなる高周波帯の第２の周波数分割多重信号を出力する縦続接続多重化チップ１７１〜１７Ｎと、縦続接続多重化チップから出力される第２の周波数分割多重信号を増幅して出力する広帯域の増幅器１９と、Ｍ個の周波数信号が周波数分割多重された任意波形で第１の帯域の信号であるベースバンド信号をＮ個、各周波数信号の周波数を互いに異ならせて生成し、そのＮ個のベースバンド信号を、高周波帯で、かつ、互いに帯域が異なるＮ個の高周波信号にアップコンバートし、アップコンバート後のＮ個の高周波信号を周波数分割多重して、全体の帯域幅を広帯域の増幅器の帯域幅以下の第２の帯域とした周波数分割多重信号を生成して縦続接続多重化チップへ第１の周波数分割多重信号として供給する周波数分割多重信号生成手段１１１〜１１Ｎ，１２１〜１２Ｎ，１３１〜１３Ｎと、広帯域の増幅器から出力される第２の周波数分割多重信号をＮ分配する信号分配手段２１１〜２１ｍと、信号分配手段により分配されたＮ個の第２の周波数分割多重信号をそれぞれ互いに周波数が異なるＭ個の周波数信号からなる第１の帯域のＮ個のベースバンド信号にダウンコンバートするダウンコンバート手段２２１〜２２Ｎ，２４１〜２４Ｎ，１２１〜１２１Ｎと、ダウンコンバート手段から出力されるＮ個のベースバンド信号の振幅及び位相を解析する解析手段２５１〜２５Ｎ，２６とを備える。ここで、縦続接続多重化チップを構成する前記Ｍ×Ｎ個の超伝導検出器が大規模超伝導検出器アレイを構成し、前記縦続接続多重化チップ及び前記広帯域の増幅器は極低温環境下で動作するとともに、前記縦続接続多重化チップは、室温環境下で動作する前記周波数分割多重信号生成手段から前記第１の周波数分割多重信号が１本の第１の信号線を介して供給され、前記広帯域の増幅器を通して前記第２の周波数分割多重信号を室温環境下で動作する前記信号分配手段へ１本の第２の信号線を介して供給することを特徴とする。
【００２２】
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、前記高周波帯の第１及び第２の周波数分割多重信号が、前記Ｍ×Ｎ個の超伝導共振回路の共振周波数と同じ周波数の線スペクトルが櫛状に並んだ周波数コム信号からなるマイクロ波帯の周波数分割多重信号であることを特徴とする。
【００２３】
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、前記縦続接続多重化チップが、前記検出チップ及び前記読出チップを兼用するＭ個のマイクロ波力学インダクタンス検出器が１個の多重化チップとして、Ｎ個縦続接続された構成であることを特徴とする。
【００２４】
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、前記検出チップ５１を構成するＭ個の前記超伝導体検出器が、Ｍ個の超伝導転移端検出器であることを特徴とする。
【００２５】
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、前記検出チップを構成するＭ個の前記超伝導体検出器が、超伝導体のＭ個の差動コイルからなる金属磁気カロリーメータであることを特徴とする。
【００２６】
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、検出チップを構成するＭ個の超伝導体検出器が、超伝導体の検出コイルを含む超伝導ループが、前記読出チップを構成するジョセフソン接合を有するＭ個の前記超伝導共振回路に別々に磁気結合したＭ個のＳＱＵＩＤ磁力計であることを特徴とする。
【００２７】
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、前記解析手段が、前記ダウンコンバート手段から出力される前記Ｎ個のベースバンド信号のうち対応するベースバンド信号をＡ／Ｄ変換する、帯域幅が入力されるベースバンド信号の帯域幅以下であるＮ個の信号処理器と、前記Ｎ個の信号処理器から出力されるデジタル信号に基づいて解析を行うコンピュータとよりなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、室温環境と極低温冷却装置との間の信号線数を大幅に少なくし、極低温冷却装置への信号線を介しての熱流入を大幅に抑圧できる。また、本発明によれば、極低温環境下で動作する広帯域の増幅器の全帯域幅を使用できるため、従来に比べて極めて高画素数の画素信号(周波数分割多重信号)を読み出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る周波数多重読出装置の一実施形態の構成図である。
【図２】(ａ)は図１中の１個あたりの任意波形発生器の出力スペクトル、(ｂ)は図１中のＬ１の入力スペクトル、(ｃ)は図１中の縦続接続多重化チップのうち１個あたりの透過率の周波数依存性を示す図である。
【図３】本発明における多重化チップの縦続接続方法の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る周波数多重読出装置の第２の実施形態の要部の構成図である。
【図５】本発明に係る周波数多重読出装置の第３の実施形態における多重化チップの要部である検出チップの構成図である。
【図６】本発明に係る周波数多重読出装置の第４の実施形態における多重化チップの要部である検出チップの構成図である。
【図７】本発明における多重化チップの縦続接続方法の他の例を示す図である。
【図８】従来の周波数多重装置の要部の多重化チップの一例の構成図である。
【図９】図８の多重化チップから出力される周波数多重信号の周波数対透過率特性図の一例と、その一部分を拡大した周波数対透過率特性図である。
【図１０】従来の周波数多重読出装置の一例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る周波数多重読出装置の一実施形態の構成図を示す。同図に示すように、本実施形態の周波数多重読出装置１０は、Ｎ個の任意波形発生器１１１〜１１Ｎと、Ｎ個の局部発振器１２１〜１２Ｎと、Ｎ個の周波数変換器(シングルサイドバンドミキサ)１３１〜１３Ｎと、Ｎ個の低域フィルタ(ＬＰＦ)１４１〜１４Ｎと、２入力１出力型合波器１５１〜１５ｍと、レベル減衰器１６と、縦続接続されたＮ個の多重化チップ１７１〜１７Ｎと、サーキュレータ１８と、単一のＨＥＭＴ増幅器１９と、単一の低雑音増幅器２０と、ｍ個の１入力２出力型の分波器２１１〜２１ｍと、Ｎ個の帯域フィルタ(ＢＰＦ)２２１〜２２Ｎと、Ｎ個の増幅器２３１〜２３Ｎと、Ｎ個の周波数変換器(ミキサ)２４１〜２４Ｎと、Ｎ個の信号処理器２５１〜２５Ｎと、コンピュータ(ＰＣ)２６とから構成され、極低温冷却装置Ｃry内の多重化チップ１７１〜１７Ｎ及びＨＥＭＴ増幅器１９等が一系統の構成である。
【００３１】
任意波形発生器１１１〜１１Ｎの各々は、周波数の異なるＭ個の周波数信号が多重された任意波形のベースバンド帯の周波数分割多重信号を発生する。ここでは、任意波形発生器１１１〜１１Ｎの各々は、任意波形として、図２(ａ)に示すような櫛状にＭ個の線スペクトル(周波数信号)が並んだ周波数コム(櫛)信号を発生する。また、任意波形発生器１１１〜１１Ｎがそれぞれ出力する周波数コム信号の信号帯域幅Ａは同一で、後述する信号処理器２５１〜２５Ｎのそれぞれの帯域幅以下で、かつ、できるだけ近い帯域幅である。また、任意波形発生器１１１〜１１Ｎは、それぞれ発生する周波数コム信号中のＭ個のピークの周波数は互いに異なるように設定されている。従って、任意波形発生器１１１〜１１Ｎは、全体としては同一振幅のベースバンド帯の互いに異なるＭ×Ｎ個の周波数信号からなる周波数コム信号を発生する。なお、本明細書において、便宜上、他と区別するため、任意波形発生器１１１が発生する周波数コム信号を第１の周波数コム信号といい、同様に任意波形発生器１１２、１１３、・・・、１１Ｎがそれぞれ発生する周波数コム信号を第２、第３、・・・、第Ｎの周波数コム信号という。
【００３２】
局部発振器１２１〜１２Ｎは互いに異なる局部発振周波数ｆc1〜ｆcNを発振出力する。周波数変換器１３１〜１３Ｎは、局部発振器１２１〜１２Ｎのうち対応する一の局部発振器とアップコンバータを構成している。すなわち、周波数変換器１３１〜１３Ｎのうちｉ番目(ｉ＝１〜Ｎ；以下同じ)の周波数変換器１３ｉは、局部発振器１２１〜１２Ｎのうち対応するｉ番目の局部発振器１２ｉとアップコンバータを構成しており、任意波形発生器１１ｉから供給される第ｉの周波数コム信号を、局部発振器１２ｉから供給される局部発振周波数ｆciを基準とする周波数変換を行い、例えば数ＧＨｚのマイクロ波帯にアップコンバートして出力する。以上の任意波形発生器１１１〜１１Ｎ、局部発振器１２１〜１２Ｎ、及び周波数変換器１３１〜１３Ｎは、ＬＰＦ１４１〜１４Ｎ及び２入力１出力型合波器１５１〜１５ｍとともに、本発明の構成要素の周波数分割多重信号生成手段を構成している。
【００３３】
なお、局部発振器１２１〜１２Ｎから出力されるアップコンバートされたＮ個の周波数コム信号の各帯域は、いずれもマイクロ波帯であるが、後述するように、局部発振周波数ｆc1〜ｆcNの設定により、重複しないように互いに異なるようにされ、かつ、アップコンバート後のＮ個の周波数コム信号全体の帯域幅が、本発明における広帯域の増幅器の一例であるＨＥＭＴ増幅器１９の帯域幅Ｂと同一か若干小なる帯域幅にされる。
【００３４】
レベル減衰器１６、多重化チップ１７１〜１７Ｎ、サーキュレータ１８及びＨＥＭＴ増幅器１９は、極低温冷却装置Ｃry内に収容されて極低温環境下で動作する。多重化チップ１７１〜１７Ｎはそれぞれ同一構成で、Ｍ個の超伝導検出器で構成された検出チップと、検出チップからの検出信号により共振周波数が可変制御されるＭ個の超伝導共振回路を通して入力信号を読み出す読出チップとからなる。ここでは、一例として、多重化チップ１７１〜１７Ｎは、それぞれ図８に示した多重化チップ５０と同一構成であり、Ｍ個の超伝導検出器としてＭ個のＴＥＳを備える検出チップ５１と、Ｍ個の超伝導共振回路を備える読出チップ５２とを有し、Ｍ個の超伝導共振回路とＭ個のＴＥＳとがＭ個のコイル５４１〜５４３等で各別に接続された構成である。また、Ｍ個の超伝導共振回路のそれぞれは入力コイル、ＳＱＵＩＤ及び線路から構成されている。また、多重化チップ１７１〜１７Ｎは、後述するように、読出信号を得るための信号線が縦続接続されるように、ボンディングワイヤで結線され、各々の透過率の積が観測される透過率となるようにされている。縦続接続された多重化チップ１７１〜１７Ｎの全部でＮ個の検出チップ５１を構成するＮ×Ｍ個のＴＥＳは、大規模超伝導検出器アレイを構成している。
【００３５】
また、多重化チップ１７１の読出チップ内のＭ個の超伝導共振回路は、入力周波数分割多重信号中のＮ×Ｍ個のピークの周波数信号のうち、ＬＰＦ１４１が出力するアップコンバート後の第１の周波数分割多重信号のＭ個のピークの周波数信号と同一の周波数をそれぞれ共振周波数とする。同様に、多重化チップ１７２、１７３、・・・、１７Ｎの各読出チップ内のＭ個の超伝導共振回路は、入力周波数分割多重信号中のＮ×Ｍ個のピークの周波数信号のうち、ＬＰＦ１７２、１７３、・・・、１７Ｎが出力するアップコンバート後の第２、第３、・・・、第Ｎの周波数コム信号のピークの周波数信号と同一の周波数をそれぞれ共振周波数とする。
【００３６】
周波数変換器２４１〜２４Ｎは、局部発振器１２１〜１２Ｎのうち対応する一の局部発振器とダウンコンバータを構成している。すなわち、周波数変換器２４１〜２４Ｎのうちｉ番目の周波数変換器２４ｉは、局部発振器１２１〜１２Ｎのうちｉ番目の局部発振器とダウンコンバータを構成しており、分波器からＢＰＦ２２１〜２２Ｎ及び増幅器２３１〜２３Ｎを介して供給されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号を、局部発振器１２ｉから供給される局部発振周波数ｆciを基準とする周波数変換を行い、ベースバンド帯のＭ個の周波数からなる周波数分割多重信号にダウンコンバートして出力する。したがって、局部発振器１２１〜１２Ｎは、アップコンバータとダウンコンバータとで共用されている。Ｎ個の信号処理器２５１〜２５Ｎは、それぞれＡ／Ｄ変換部からなる。ＢＰＦ２２１〜２２Ｎ、増幅器２３１〜２３Ｎ、周波数変換器２４１〜２４Ｎ及び局部発振器１２１〜１２Ｎは本発明の構成要素のダウンコンバート手段を構成している。
【００３７】
次に、本実施形態の動作について説明する。
周波数変換器１３１〜１３Ｎは、任意波形発生器１１１〜１１Ｎから出力された、Ｍ個のピークの周波数信号が多重された帯域幅Ａのベースバンド帯の周波数コム信号に対し、局部発振器１２１〜１２Ｎから供給された局部発振周波数ｆc1〜ｆcNを基準とする周波数変換を行い、例えば数ＧＨｚのマイクロ波帯にアップコンバートした信号を出力する。ＬＰＦ１４１〜１４Ｎは、１対１に対応して設けられた周波数変換器１３１〜１３Ｎから出力されるマイクロ波帯のシングルサイドバンドの基本波成分のみを通過させ、不要な高調波成分を除去する。基本波成分は、マイクロ波帯にアップコンバートされた帯域幅Ａの周波数コム信号である。
【００３８】
図２(ａ)は、任意波形発生器１１１〜１１Ｎのうち任意の一つの任意波形発生器から出力された周波数コム信号を示す。この周波数コム信号は、異なるＭ個(この例ではＭ＝１６)の周波数において同一パワー(レベル)の線スペクトルのピークを有する周波数コム信号である。図２(ｂ)は、ＬＰＦ１４１〜１４Ｎから出力されるマイクロ波帯にアップコンバートされた周波数コム信号の周波数スペクトラムの一例を示す。同図(ｂ)において、点線で示すｆc1〜ｆcNは局部発振周波数で、周波数ｆに対して矩形で示すｆcｉ＜ｆ＜(ｆcｉ＋Ａ)を満たすＮ個の離散的領域がそれぞれアップコンバートされた周波数コム信号の帯域幅Ａを示している。図２(ｂ)に示すように、ＬＰＦ１４１〜１４Ｎから出力されるマイクロ波帯にアップコンバートされた周波数コム信号は、局部発振周波数ｆc1〜ｆcNの設定により、各信号帯域が重複することなく、かつ、Ｎ個のマイクロ波帯の周波数コム信号全体の帯域幅をＨＥＭＴ増幅器１９の帯域幅Ｂに等しくなるまで増大できる。
【００３９】
ＬＰＦ１４１〜１４Ｎからそれぞれ取り出された、互いに周波数帯域が異なるＮ個のマイクロ波帯の各周波数コム信号は、合波器１５１〜１５ｍにより順次に合成されて最終的にすべて合成されて帯域幅Ｂの１個の周波数分割多重信号とされて１本の信号線(マイクロ波同軸線)Ｌ１に出力される。この１本の信号線Ｌ１の入力周波数分割多重信号は、互いに異なるＮ×Ｍ個の周波数のそれぞれにて同一振幅のピークを有するマイクロ波帯の周波数分割多重信号である。
【００４０】
レベル減衰器１６は、室温系の雑音を、微弱信号を扱う極低温系に影響しないレベルにまで減衰する目的で設けられる。このレベル減衰器１６により１本の信号線Ｌ１の入力マイクロ波帯周波数分割多重信号も減衰を受け、縦続接続されたＮ個の多重化チップ１７１〜１７Ｎ中の初段の多重化チップ１７１に入力される。多重化チップ１７１は、検出チップ内のＭ個のＴＥＳが外部から入力される光子等のエネルギーを検出し、その検出信号に応じて読出チップ内のＭ個の超伝導共振回路の共振周波数が僅かな周波数幅内で変化し、信号線Ｌ１の入力マイクロ波帯周波数分割多重信号中の共振周波数と同じ周波数信号の位相及び振幅を変化させて出力する。多重化チップ１７１内のＭ個の超伝導共振回路の共振周波数は、前述した第１の周波数コム信号のＭ個の周波数信号の周波数であり、多重化チップ１７１は、入力マイクロ波帯周波数分割多重信号中の第１の周波数コム信号のＭ個の共振周波数と同じ周波数信号の位相及び振幅をＴＥＳの検出結果に応じて変化させて次の多重化チップ１７２に出力する。このような変調により、図２(ａ)に示す周波数コム信号に図２(ｃ)に示す透過率を乗じた出力スペクトルが、多重化チップ１７１から出力される。
【００４１】
同様に、多重化チップ１７２は、多重化チップ１７１から供給されるマイクロ波帯周波数分割多重信号中の、前述した第２の周波数コム信号のＭ個の周波数信号の位相及び振幅を、その検出チップ内のＭ個のＴＥＳの検出結果に応じて変化させて次の多重化チップ１７３に出力する。多重化チップ１７３から多重化チップ１７Ｎまでの各多重化チップも上記と同様の動作を行う。
【００４２】
このようにして、縦続接続されたＮ個の多重化チップ１７１〜１７Ｎ中の最終段の多重化チップ１７Ｎからは、互いに異なるＮ×Ｍ個の周波数信号のそれぞれにおいてＴＥＳの検出結果に応じて位相及び振幅が変化したマイクロ波帯の周波数分割多重信号(周波数コム信号)が取り出される。
【００４３】
最終段の多重化チップ１７Ｎから取り出されたマイクロ波帯の周波数分割多重信号は、サーキュレータ１８を通してＨＥＭＴ増幅器１９に供給されて増幅された後、１本の信号線(マイクロ波同軸線)Ｌ２へ出力される。すなわち、本実施形態では、極低温冷却装置Ｃryの入力信号線(マイクロ波同軸線)はＬ１の１本のみであり、また出力信号線(マイクロ波同軸線)もＬ２の１本のみである。信号線Ｌ２を介して出力されたマイクロ波帯の周波数分割多重信号(周波数コム信号)は、室温環境下で動作する低雑音増幅器２０により増幅された後、１入力２出力型の分波器２１１〜２１ｍによりＮ分配される。Ｎ分配されたマイクロ波帯の周波数分割多重信号は、それぞれＢＰＦ２２１〜２２Ｎに供給される。
【００４４】
ＢＰＦ２２１〜２２Ｎは、その通過帯域が図２(ｂ)に示した周波数ｆc1＜ｆ＜(ｆcN＋Ａ)に離散的に存在し、Ｎ個のマイクロ波帯の周波数コム信号の各信号帯域と同じ帯域に設定されており、供給される帯域幅Ｂの周波数分割多重信号から自己に割り当てられた通過帯域の１個の帯域幅Ａの周波数コム信号のみを周波数選択して出力する。すなわち、ＢＰＦ２２１〜２２Ｎのうちｉ番目のＢＰＦ２２ｉは、供給されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号から周波数ｆci＜ｆ＜(ｆci＋Ａ)の範囲のｉ番目の帯域幅Ａの周波数コム信号を周波数選択し、ｉ番目の増幅器２３ｉへ供給する。増幅器２３１〜２３Ｎは、マイクロ波帯の周波数分割多重信号の分波器２１１〜２１ｍによるＮ分配に伴う信号対雑音比の低下を補償するために設けられている。
【００４５】
周波数変換器２４１は、増幅器２３１を介して入力されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号と局部発振器１２１から供給される局部発振周波数ｆc1を基準とする周波数変換を行い、ベースバンド帯にダウンコンバートされた帯域幅Ａの第１の周波数分割多重信号(周波数コム信号)を出力する。このダウンコンバートされた第１の周波数コム信号は、多重化チップ１７１から出力された周波数コム信号の復調信号であり、Ｍ個のディップの周波数において多重化チップ１７１のＴＥＳの検出結果に応じて位相及び振幅が変化している。
【００４６】
同様に、周波数変換器２４２、２４３、・・・、２４Ｎは、それぞれ増幅器２３２、２３３、・・・、２３Ｎを介して入力されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号と局部発振器１２２、１２３、・・・、１２Ｎから供給される局部発振周波数ｆc2、ｆc3、・・・、ｆcNとの周波数変換を行ってベースバンド帯にダウンコンバートされた各Ｍ個のディップの周波数において多重化チップ１７２、１７３、・・・、１７ＮのＴＥＳの検出結果に応じて位相及び振幅が変化している第２、第３、・・、第Ｎの周波数コム信号を復調出力する。
【００４７】
Ｎ個の信号処理器２５１〜２５Ｎは、それぞれ対応して設けられた周波数変換器２４１〜２４Ｎから供給されるベースバンド帯の周波数コム信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号とする。コンピュータ(ＰＣ)２６は、信号処理器２５１〜２５Ｎより並列に供給されるデジタル信号を、例えば高速フーリエ変換して各ディップの周波数信号の位相及び振幅の変化を解析し、ＴＥＳの検出結果を得る。検出結果は必要に応じて記憶される。ここで、信号処理器２５１〜２５Ｎ内のＡ／Ｄ変換部は、入力信号が任意波形発生器１１１〜１１Ｎから出力される信号と同じ狭帯域幅Ａのベースバンド信号であるため、従来と同じ市販品を用いることができ、扱う検出信号のダイナミックレンジが例えば１４ビット必要な場合、帯域幅は市販品の仕様である約０.２５ＧＨｚでよい。
【００４８】
一方、本実施形態の周波数多重読出装置１０によれば、ＨＥＭＴ増幅器１９に供給されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号はＮ個の周波数コム信号を周波数多重した信号であり、図２(ｂ)に示したその帯域幅ＢはＨＥＭＴ増幅器１９の帯域幅をフルに使用可能な１ＧＨｚ以上１０ＧＨｚ以下の範囲内にある。すなわち、１画素信号の帯域Ｄを１００ｋＨｚ、隣接共振周波数間隔とＤの比κを「１０」とすると、本実施形態の周波数多重読出装置１０は(１)式から多重化可能な原理的画素数Ｍpが、
１×１０3≦Ｍp≦１×１０4
である極めて高画素数の画素信号(周波数分割多重信号)を読み出すことができる。
【００４９】
また、本実施形態の周波数多重読出装置１０によれば、極低温冷却装置Ｃry内の多重化チップ１７１〜１７Ｎ及びＨＥＭＴ増幅器１９等が一系統の構成であり、極低温冷却装置Ｃryと外部の室温環境との間の信号線(マイクロ波同軸線)はＬ１及びＬ２の２本のみでよいため、２Ｎ本の信号線が必要であった従来装置に比べて室温環境から極低温冷却装置Ｃryへの信号線を介しての熱流入を大幅に抑圧できる。
【００５０】
以上により、本実施形態の周波数多重読出装置１０によれば、小型・低消費電力の極低温冷凍機上に実装した大規模超伝導器検出アレイによる先端分析器の可能性が拓かれる。また、本実施形態の周波数多重読出装置１０によれば、多重化チップ１７１〜１７Ｎ内の検出チップの超伝導検出器としてＴＥＳを用いているので、熱に変換できる物理量なら、電磁波、エネルギー粒子等、原理的に何でも検出可能であり、電磁波(光子)検出器として使う場合は、検出対象波長域が極めて広いという特長がある。これまで実証されたのは、長波長(低周波)側はミリ波から、短波長(高周波)側はガンマ線までの、９桁にも及び範囲での動作である。特に、Ｘ線領域ではセンサに入射した光子１個１個のエネルギーを半導体検出器より３０倍以上良好な分解能での検出実例がある。
【００５１】
次に、超伝導共振器と複数の局部発振周波数を併用する周波数多重化法の特徴について説明する。
超伝導金属のマイクロ波帯表面抵抗は、銅などの良導体と比較すると２桁以上小さいことが報告されている。この特徴を用いて、急峻な周波数特性を持つ超伝導マイクロ波フィルタを、携帯無線の基地局へ応用するための研究開発が各国で盛んに行われている。本発明の周波数多重読出装置における多重化チップ上の超伝導共振器は、このようにマイクロ波帯で極めて低い電極損失と高い周波数分離度を示す超伝導フィルタの原理を適用したものである。
【００５２】
周波数多重化法は通信分野で従来から広く用いられているが、キャリアの周波数弁別に用いるフィルタの周波数特性の急峻さにより、隣接キャリア間の周波数幅と単位読出帯域への多重化画素数とが制約される宿命を持つ。このため、単に変・復調の局部発振周波数を複数設定するだけでは、常伝導金属フィルタの周波数弁別度に制約され、結果的に単位読出帯域への多重化画素数の飛躍的向上は不可能との問題があった。一方、急峻な周波数特性を持つ超伝導フィルタだけの周波数多重では、極低温下での多重化画素数を稼ぐことは可能であるが、室温処理系では前述したＡ／Ｄ変換器帯域の制約を受け、総合的な多重化画素数を伸ばせない。これに対し、本発明によれば、上記の実施形態のように超伝導共振器と複数周波数の変・復調を組み合わせるようにしたため、極低温から室温までのトータル信号処理システムにおける多重化画素数の飛躍的増大を図ることができる。
【００５３】
次に、本発明における複数の多重化チップの縦続接続方法について説明する。
図３は、本発明における多重化チップの縦続接続方法の一例を示す。図３において、Ｎ個の多重化チップ３１〜３Ｎは単一のボード４０上に搭載されてモジュール４１を構成している。多重化チップ３１〜３Ｎは各マイクロ波読出線が縦続接続されるようにモジュール４１内において順次に一対のボンディングワイヤ等で結線されている。初段の多重化チップ３１の入力は入力側同軸ケーブル４４に一対のボンディングワイヤ４３１で結線され、最終段の多重化チップ３Ｎの出力が出力側同軸ケーブル４５に一対のボンディングワイヤ４３２で結線されている。多重化チップ３１〜３Ｎのそれぞれは、Ｍ(＝Ｍp/Ｎ)個の超伝導共振回路を有している。なお、多重化チップ３１〜３Ｎは図１の多重化チップ１７１〜１７Ｎに相当する。
【００５４】
この構成によれば、入力側同軸ケーブル４４に供給されるＮ個の任意波形発生器１１１〜１１Ｎからの各周波数コム信号の変調信号(アップコンバートされた信号)は、多重化チップ３１〜３Ｎを順次に経由して出力側同軸ケーブル４５から取り出される。この構成の透過率は、多重化チップ３１〜３Ｎの各々の透過率の積である。
【００５５】
次に、本発明に係る周波数多重読出装置の他の実施形態について説明する。
図４は、本発明に係る周波数多重読出装置の第２の実施形態の要部の構成図を示す。同図中、図８と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本発明に係る周波数多重読出装置の第２の実施形態は、図１に示した実施形態の構成図におけるＮ個の多重化チップ１７１〜１７Ｎそれぞれを、図４に示した多重化チップ６７０に変更した構成である。図４において、多重化チップ６７０は、Ｍ個の超伝導体のマイクロ波力学インダクタンス検出器(ＭＫＩＤ；Microwave Kinetic Inductance Detector)６８１〜６８Ｍ(図４では３個のみ図示)と、Ｍ個のキャパシタ６９１〜６９Ｍ(図４では３個のみ図示)と、Ｍ本の線路６１０〜６１Ｍ(図４では３本のみ図示)とを有し、極低温冷却装置６０に収容されている。ＭＫＩＤ６８１はキャパシタ６９１を介して線路６１０及び６１１の接続点に接続された第１の超伝導共振回路を構成している。同様に、ＭＫＩＤ６８２はキャパシタ６９２を介して線路６１１及び６１２の接続点に接続されて第２の超伝導共振回路を構成し、ＭＫＩＤ６８３はキャパシタ６９３を介して線路６１２及び６１３の接続点に接続されて第３の超伝導共振回路を構成している。
【００５６】
本実施形態における多重化チップ６７０は、超伝導検出器である公知のＭＫＩＤを用いた、検出チップ及び読出チップを共用した構成である。超伝導体のＭＫＩＤ６８１〜６８Ｍは、超伝導体の固有エネルギーよりも大きなエネルギーを持つ光子や粒子が入射すると、超伝導薄膜内で電気抵抗ゼロで流れる超伝導電子対が壊れ、電気抵抗を伴う常伝導電子(準粒子)が励起され、準粒子の励起数に伴い超伝導薄膜のインダクタンス(磁界を伴わない力学インダクタンス成分)の値が変化することが知られている。この原理により、ＭＫＩＤ６８１〜６８Ｍは、入射光子等のエネルギー分光可能な量子型(非熱型)検出器として動作する。
【００５７】
このため、ＭＫＩＤ６８１〜６８Ｍとキャパシタ６９１〜６９ＭとからなるＭ個の超伝導共振回路の共振周波数は、ＭＫＩＤ６８１〜６８Ｍへの超伝導体の固有エネルギーよりも大きなエネルギーを持つ光子や粒子の入射に応じて変化する。ここでは、上記のＭ個の超伝導共振回路は、互いに異なる共振周波数に設定されており、かつ、入力されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号の所定のＭ個(図４ではＭ＝３の場合を示す)の周波数信号と同一周波数に設定されている。本実施形態の周波数多重読出装置は、図１の多重化チップ１７１〜１７Ｎのそれぞれを図４に示した多重化チップ６７０で構成し、これをＮ個縦続接続した構成である。
【００５８】
これにより、本実施形態の周波数多重読出装置では、縦続接続されたＮ個の多重化チップ６７０に対して、互いに異なるＮ×Ｍ個の周波数のそれぞれにて同一振幅のピークを有するマイクロ波帯の周波数コム信号が入力されると、そのＮ×Ｍ個の周波数信号の位相及び振幅を、Ｎ×Ｍ個のＭＫＩＤへの光子入射に応じて変化した周波数コム信号を出力する。なお、ＭＫＩＤは、ＴＥＳのようにバイアス電流を流す必要がないので、本実施形態ではＴＥＳを検出チップで用いた前記実施形態で必要であったバイアス線が不要である利点を有する。また、ＭＫＩＤは、典型的な超伝導体のギャップエネルギーであるミリ波・サブミリ波(〜１０11Ｈｚ)より高周波数の電磁波やエネルギー粒子の検出器として動作し、ミリ波領域ではＴＥＳに匹敵する感度を実証した。
【００５９】
次に、本発明に係る周波数多重読出装置の第３の実施形態について説明する。
図５は、本発明に係る周波数多重読出装置の第３の実施形態における多重化チップの要部である検出チップ５１Ｂの構成図を示す。同図中、図８と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本発明に係る周波数多重読出装置の第３の実施形態は、図１に示した実施形態の構成図におけるＮ個の多重化チップ１７１〜１７Ｎのそれぞれの検出チップを、図８に示した構成中の検出チップ５１の代わりに図５に示す検出チップ５１Ｂを用いるものである。すなわち、本実施形態は、各多重化チップ１７１〜１７Ｎは図８に示した多重化チップ５０と同様の構成であるが、検出チップが図８の５１ではなく、図５に示す検出チップ５１Ｂを用いるものである。
【００６０】
図５に示す検出チップ５１Ｂは、温度依存性の強い帯磁率を持つ薄膜が磁気的結合されている超伝導体の第１のコイルと、該薄膜が結合されていない超伝導体の第２のコイルとの並列回路が、全部でＭ個(図５ではそのうちの３個のみ図示)形成された、超伝導検出器の一例の公知の金属磁気カロリーメータ(ＭＭＣ；Metallic Magnetic Calorimeter)の構成とされている。また、図５において、第１のコイルＬS1L及び第２のコイルＬS1Rが並列に接続された一方の接続点は図８に示したコイル５４１の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続され、他方の接続点は図８に示した入力コイル５５１の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続されている。同様に、第１のコイルＬS2L及び第２のコイルＬS2Rの接続点の一方は、図８に示したコイル５４２の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続され、他方の接続点は図８に示した入力コイル５５２の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続されており、第１のコイルＬS3L及び第２のコイルＬS3Rの接続点の一方は、図８に示したコイル５４３の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続され、他方の接続点は図８に示した入力コイル５５３の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続されている。他も同様である。
【００６１】
検出チップ５１Ｂでは、温度依存性の強い帯磁率を持つ薄膜(常磁性体)を光子吸収体として機能させる。並列に接続された第１及び第２のコイルは、自己インダクタンス値が等しく差動(差分)コイルを構成しており、これらのコイルに一様磁界を印加する。この状態の差動コイルに電磁波(光子)が入射すると、それに伴う温度上昇を生じる薄膜(常磁性体)が磁気的結合された第１のコイル(ＬS1L、ＬS2L、ＬS3L等)のみに、入射光子のエネルギーに起因するインダクタンス変化が生じ、第２のコイル(ＬS1R、ＬS2R、ＬS3R等)のインダクタンス値は変化しない。従って、光子の入射が無い時に打ち消し合って出力が生じなかった差動コイルが、光子の入射があると入射光子のエネルギーを反映した出力を発生する。このような動作をする金属磁気カロリーメータを検出チップ５１Ｂとして用いることにより、読出チップ５２を構成するＭ個の超伝導共振回路の共振周波数が、対応して設けられた検出チップ５１Ｂ内のＭ個の差動コイルへの光子の入射に応じて互いに独立して変化する。
【００６２】
従って、本実施形態の周波数多重読出装置では、図１の多重化チップ１７１〜１７Ｎのそれぞれの検出チップとして図５に示す検出チップ５１Ｂを用いることにより、縦続接続された多重化チップ１７１〜１７Ｎに入力されたマイクロ波帯の周波数コム信号のＮ×Ｍ個の周波数信号の位相及び振幅を、Ｎ×Ｍ個の金属磁気カロリーメータへの光子の入射エネルギーに応じて変化させて出力することができる。なお、金属磁気カロリーメータは、熱に変換できる物理量なら電磁波、エネルギー粒子等、原理的に何でも検出することができる熱型検出器であり、Ｘ線領域でのエネルギー分解能の最良値は、ＴＥＳの最良値に遜色ない実験結果が得られることが知られている。
【００６３】
次に、本発明に係る周波数多重読出装置の第４の実施形態について説明する。
図６は、本発明に係る周波数多重読出装置の第４の実施形態における多重化チップの要部の構成図を示す。同図中、図８と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本発明に係る周波数多重読出装置の第４の実施形態は、図１に示した実施形態の構成図におけるＮ個の多重化チップ１７１〜１７Ｎのそれぞれの検出チップを、図８に示した構成中の検出チップ５１の代わりに図６に示す検出チップ５１Ｃを用いるものである。すなわち、本実施形態は、各多重化チップ１７１〜１７Ｎは図８に示した多重化チップ５０と同様の構成であるが、検出チップが図８の５１ではなく、図６に示す検出チップ５１Ｃを用いるものである。
【００６４】
図６に示す検出チップ５１Ｃは、検出コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３等の、全部でＭ個の検出コイルからなる、超伝導検出器の一例の公知のＳＱＵＩＤ磁力計の構成である。ＳＱＵＩＤ磁力計は、超伝導ループの中にジョセフソン接合素子を１又は２個含むＳＱＵＩＤに、超伝導検出コイルを含む超伝導ループを磁気結合した電子素子である。ここで、図６に示す検出コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３が上記の超伝導検出コイルに相当する。図６において、検出コイルＬ１の一端は図８に示したコイル５４１の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続され、他端は図８に示した入力コイル５５１の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続されている。同様に、検出コイルＬ２の一端は図８に示したコイル５４２の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続され、他端は図８に示した入力コイル５５２の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続されており、検出コイルＬ３の一端は図８に示したコイル５４３の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続され、他端は図８に示した入力コイル５５３の一端(読出チップ５２と反対側端子)に接続されている。他も同様である。
【００６５】
本実施形態では、検出チップ５１Ｃを構成するＭ個の検出コイル(Ｌ１〜Ｌ３等)に信号磁界が印加されると、検出コイル(Ｌ１〜Ｌ３等)に鎖交する磁束に応じて図８のＳＱＵＩＤリング５７１、５７２、５７３、・・・のインダクタンス値が変化する。このため、検出コイルに対応して接続されている読出チップ内の超伝導共振回路の共振周波数が変化する。従って、本実施形態の周波数多重読出装置では、図１の多重化チップ１７１〜１７Ｎのそれぞれの検出チップとして図６に示す検出チップ５１Ｃを用いることにより、縦続接続された多重化チップ１７１〜１７Ｎに入力された、互いに異なるＮ×Ｍ個の周波数のそれぞれにて同一振幅のピークを有するマイクロ波帯の周波数コム信号に対して、Ｎ×Ｍ個のＳＱＵＩＤ磁力計への信号磁界の入力強度に応じて、Ｎ×Ｍ個の周波数信号の位相及び振幅を変化させて出力することができる。なお、ＳＱＵＩＤ磁力計は、現存する磁気センサの中で最も磁界分解能が高く、脳、脊髄、心臓等の生体から発生する微弱磁界の検出や帯磁率計に用いられている。
【００６６】
次に、縦続接続されたＮ個の多重化チップの接続方法の他の例について説明する。図７は、本発明における多重化チップの縦続接続方法の他の例を示す。図３に示した多重化チップの縦続接続方法は、各々Ｍ(＝Ｍp/Ｎ)個の超伝導共振回路を有する多重化チップ３１〜３Ｎの各マイクロ波読出線を縦続接続してモジュール化する方法である。これは多重化チップの上限寸法が、露光装置の照射寸法等の制約により限定されている場合に有効な方法である。
【００６７】
これに対し、大照射面積を有する露光装置の場合には、図７に示すように、照射面の上限値に対応し、コイルで接続された検出チップと読出チップとからなる組をＮ×Ｍ組縦続接続するように集積した１つの拡張多重化チップ３００をボード４６上に用いることができる。つまり、拡張多重化チップ３００は、Ｍ個の超伝導共振回路とＭ個の超伝導検出器とがＭ個のコイルで個別に接続された多重化回路部が、図７に３００１〜３００Ｎで示すように全部でＮ回路あり、かつ、多重化回路部のＭ個の超伝導共振回路の出力端が次の多重化回路部のＭ個の超伝導共振回路の入力端に接続された構成である。このような構成も本発明の縦続接続された多重化チップに含まれる。
【００６８】
図３に示した縦続接続された多重化チップの構成では、マイクロ波読出線を縦続接続するＮ＋１対のボンディングワイヤが多重化チップ間の結線に必要となり、実装に手間がかかる。これに対し、図７に示した拡張多重化チップ３００の構成では、マイクロ波読出線はチップ内で縦続接続されて完結しているため、ボンディングワイヤはチップの入力端子４７とボード４６間、及びチップの出力端子４８とボード４６間の計２箇所の結線だけで済む利点がある。
【００６９】
なお、図３では縦続接続された多重化チップは直線的に配置されているが、本発明はこのような配置に限定されるものではなく、極低温ステージの形状、寸法や、周辺部品との配置上の制約に応じて直線状以外の任意の配置も可能である。一方、図４では縦続接続された多重化チップは複数行複数列の二次元的に配置されているが、これは露光装置の円又は正方形の照射面積の上限値までチップ寸法を稼ぐ場合を想定しているためであり、本発明では図４の配置に限定されず、多重化チップは円又は正方形の照射面内で配置される。
【００７０】
なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、例えば、多重化チップ内の検出チップには、ＴＥＳ、ＭＫＩＤ、ＭＭＣ、ＳＱＵＩＤ磁力計以外の超伝導検出器も使用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
小型・低消費電力の極低温冷凍機上に本発明の周波数多重読出装置を実装した大規模超伝導器検出アレイによる先端計測分析器の可能性が拓かれる。
【符号の説明】
【００７２】
１０  周波数多重読出装置
１６、７４１〜７４Ｎ  レベル減衰器
１８、７５１〜７５Ｎ  サーキュレータ
１９、６２、６２１〜６２Ｎ  ＨＥＭＴ増幅器
２０、７６１〜７６Ｎ  低雑音増幅器
２６、７９  コンピュータ(ＰＣ)
３１〜３Ｎ、５０、１７１〜１７Ｎ、３１〜３Ｎ、５０１〜５０Ｎ、６７０  多重化チップ
４０、４６  ボード
４１  モジュール
４４  入力側同軸ケーブル
４５  出力側同軸ケーブル
４７  チップの入力端子
４８  チップの出力端子
５１、５１Ｂ、５１Ｃ  検出チップ
５２  読出チップ
６０、Ｃry  極低温冷却装置
６４  マイクロ波信号発生源
６５  直流信号源
１１１〜１１Ｎ、７１１〜７１Ｎ  任意波形発生器
１２１〜１２Ｎ、７３１〜７３Ｎ、  局部発振器
１３１〜１３Ｎ  周波数変換器(シングルサイドバンドミキサ)
１４１〜１４Ｎ  低域フィルタ(ＬＰＦ)
１５１〜１５ｍ  ２入力１出力型合波器
２１１〜２１ｍ  １入力２出力型の分波器
２２１〜２２Ｎ  帯域フィルタ(ＢＰＦ)
２３１〜２３Ｎ  増幅器
２４１〜２４Ｎ、７２１〜７２Ｎ、７７１〜７７Ｎ  周波数変換器(ミキサ)
２５１〜２５Ｎ、７８１〜７８Ｎ  信号処理器
３００  拡張多重化チップ
４３１、４３２  ボンディングワイヤ
５３１、５３２、５３３  超伝導転移端検出器(ＴＥＳ；Transition Edge Sensor)
５４１〜５４３、５６１〜５６Ｍ  コイル
５５１〜５５Ｍ  入力コイル
５７１〜５７Ｍ  ジョセフソン接合
５８１〜５８Ｍ、６１０、６１１〜６１Ｍ、６３  線路
５９１〜５９Ｍ、６９１〜６９Ｍ  キャパシタ
６８１〜６８Ｍ  マイクロ波力学インダクタンス検出器(ＭＫＩＤ；Microwave Kinetic Inductance Detector)
３００１〜３００Ｎ  多重化回路部
ＬS1L、ＬS2L、ＬS3L  第１のコイル
ＬS1R、ＬS2R、ＬS3R  第２のコイル
Ｌ１〜Ｌ３  検出コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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