Шумовые характеристики и оптимальная поглощенная мощность гетеродина Nbn нев смесителя терагерцового диапазона

Глава 4. Исследование шумовой полосы и оптимальной поглощенной мощности HEB смесителя на частоте гетеродина 2,5 ТГц.

В §4.1 этой главы изложены экспериментальные результаты измерений шумовой полосы квазиоптического NbN HEB смесителя с оптимальными по шумовой температуре размерами сверхпроводящего мостика.

Приводимые в данном параграфе результаты были получены только для двух смесителей 1178/1 #21 и 1369/1 #6. Следует, однако, заметить, что в процессе работы мы измерили большое количество смесителей, изготовленных из ультратонких пленок NbN. Результаты по шумовой температуре для них отличаются незначительно, 17 смесителей из партий 1178/1 и 1178/2 имеют не корректированную шумовую температуру менее 1000 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц при близких значениях выходного шума. Поэтому можно с уверенностью полагать, что результаты, полученные в этом параграфе, являются типичными для наших смесителей, и все они имеют также близкие значения шумовой полосы. На Рис. 5 изображена зависимость шумовой температуры смесителя 1178/1 #21 с длиной сверхпроводящего мостика 0,25 мкм от промежуточной частоты. В рабочей точке 0,6 mV, 35 µА на промежуточной частоте 2 GHz шумовая температура составила 600 К. Измеренная в той же точке зависимость шумовой температуры от промежуточной частоты была ограничена сверху шумами холодного усилителя и составила 8 ГГц. На Рис. 6. представлена экспериментальная зависимость шумовой температуры от ПЧ для смесителя 1369/1 #6 с длинной мостика 0,14 мкм. Минимальная шумовая температура составила 1200 К. В экспериментальных данных зависимости шумовой температуры от ПЧ, представленных на Рис. 5 и Рис. 6, существенное возрастание шумовой температуры при приближении по частоте к 8 ГГц связано с увеличением вклада шумов холодного усилителя. Достаточно большой разброс по шумовой температуре между соседними по частоте точками связан именно с наличием резонансов в тракте между входом холодного усилителя и выходом смесителя.



Рис. 5. Экспериментальная зависимость шумовой температуры от ПЧ для образца 1178/1 #21 с длинной мостика 0,25 мкм аппроксимированная функцией вида T_N(f)~[1+(f/B_N)² ].


Рис. 6. Экспериментальная зависимость шумовой температуры от ПЧ для образца 1369/1 #6 с длинной мостика 0,14 мкм аппроксимированная функцией вида T_N(f)~[1+(f/B_N)² ].

Основной вклад в шумовую температуру смесителя вносят два источника шума: шум Джонсона и шум термодинамических флуктуаций. Так как шум Джонсона не зависит от частоты, то его вклад в шумовую температуру смесителя, при увеличении ПЧ, возрастает по мере уменьшения коэффициента преобразования η(f). Шум термодинамических флуктуаций определяется флуктуациями электронной температуры болометра и имеет такую же частотную зависимость, что и коэффициент преобразования η(f), поэтому экспериментальные результаты в рамках модели однородного разогрева можно аппроксимировать с помощью закона, описывающего поведение η(f):

T_N(f) ~ [1+(f/B_N)² ],

Аппроксимация результатов дала двукратный подъём шумовой температуры на частоте порядка 10 ГГц для смесителя 1178/1 #21 и 13 ГГц для смесителя 1369/1 #6. Исходя, из соотношения величины шумовой полосы и длины исследуемых сверхпроводящих мостиков смесителей и сравнивая её с характерными величинами шумовой полосы для смесителей только с фононным каналом охлаждения можно утверждать, что в механизме релаксации температуры электронной подсистемы плёнки сверхпроводящего мостика появился дополнительный диффузионный канал охлаждения электронной подсистемы.

В данном параграфе, на основе полученных значений шумовой полосы в рамках модели однородного разогрева, рассчитаны значения для полосы преобразования смесителей 4,8 ГГц и 6,2 ГГц соответственно для смесителей 1178/1 #21 и 1369/1 #6.
Параграф 4.2 посвящен результатам исследования зависимости оптимальной поглощенной мощности гетеродина для квазиоптического NbN HEB смесителя на частоте гетеродина 2,5 ТГц от длины сверхпроводящего мостика. Поглощенная мощность гетеродина в оптимальной рабочей точке определялась в приближении эквивалентности разогрева смесителя током смещения и излучением гетеродина (изотермический метод). Это приближение справедливо, когда разогрев током смещения преобладает над разогревом излучением, то есть при значительно больших напряжениях смещения, чем в оптимальной рабочей точке [18]. На Рис. 7 представлена зависимость поглощенной мощности от длины мостика смесителя. Оптимальная поглощенная мощность уменьшалась с уменьшением размеров смесителя, но затем в пределах экспериментальной погрешности практически не менялась при уменьшении размеров от 0.2 мкм × 2 мкм до 0,1 мкм × 1 мкм в плане. Качественно это можно объяснить следующим образом. Поглощенная смесителем мощность пропорциональна его объёму, то есть при постоянной толщине плёнки пропорциональна площади его поверхности, поэтому, уменьшая размеры в плане можно уменьшить и требуемую мощность. Это будет продолжаться до некоторой длины, при которой становится эффективным диффузионное охлаждение, скорость которого обратно пропорциональна квадрату длины.



Рис. 7. Зависимость оптимальной поглощенной мощности гетеродина от длины мостика смесителя.

Учитывая, что при изготовлении соблюдается определенное отношение длины смесителя к его ширине, уменьшение длины в q раз приведет к уменьшению поглощенной мощности в q² раз, но при этом и скорость оттока энергии возрастет в q² раз. Исходя из этого, в первом приближении, уменьшение длины смесителя с целью уменьшить требуемую мощность эффективно лишь до определенного предела, то есть до длин, при которых еще не сказывается влияние диффузионного канала охлаждения.

Таким образом, минимальная поглощенная мощность гетеродина для HEB смесителей, изготовленных по технологии in situ, составила 100 нВт и практически не менялась при уменьшении размеров от 0.2 мкм × 2 мкм до 0,1 мкм × 1 мкм в плане. Для HEB смесителей с размерами в плане 0.25 мкм×2,5 мкм, демонстрирующих рекордные значения шумовой температуры 600 К, оценочная величина поглощенной мощности гетеродина для оптимальной ВАХ составила порядка 120 нВт.

В §4.3 кратко сформулированы основные результаты главы. Результаты, изложенные в данной главе, могут быть сформулированы следующем образом:

1. Шумовая полоса NbN НЕВ смесителей изготовленных по технологии in situ растёт с уменьшением длины сверхпроводящего мостика. Это объясняется появлением дополнительного диффузионного канала охлаждения электронной подсистемы сверхпроводящего мостика.

2. Измеренная шумовая полоса 8 ГГц была ограничена сверху полосой используемого в эксперименте охлаждаемого усилителя. Теоретически рассчитанная полоса преобразования в оптимальной по шумовой температуре точке на ВАХ равна 4,8 ГГц и 6,2 ГГц соответственно для смесителей с длиной 0,25 мкм и 0,14 мкм.

2. Минимальная поглощенная мощность гетеродина для NbN HEB смесителей изготовленных по технологии in situ составила 100 нВт и практически не менялась при уменьшении размеров от 0.2 мкм × 2 мкм до 0,1 мкм × 1 мкм в плане, что говорит о появлении дополнительного канала отвода энергии из сверхпроводящего мостика HEB смесителя.

3. Для NbN HEB смесителей с размерами в плане 0.25 мкм × 2,5 мкм, демонстрирующих рекордные значения шумовой температуры 600 К, величина поглощенной мощности гетеродина для оптимальной ВАХ составила порядка 120 нВт.

Заключение суммирует основные результаты диссертационного исследования.

1. 
   В результате оптимизации технологического процесса изготовления контакта между планарной антенной и сверхпроводниковым болометром HEB смесителя удалось существенно уменьшить его шумовую температуру до уровня 600 К на частоте гетеродина 2.5 ТГц. Достигнутые значения шумовой температуры для HEB смесителей на частоте гетеродина 2.5 ТГц являются лучшими в мире.
   
2. 
   Оптимизация технологического процесса изготовления контакта между планарной антенной и сверхпроводниковым болометром HEB смесителя позволила реализовать в нём, кроме основного - фононного механизма релаксации электронной подсистемы болометра, дополнительный диффузионный механизм. При этом измеряемое значение шумовой полосы такого смесителя увеличилось до 7 ГГц на частоте гетеродина 2.5 ТГц, и ограничивается лишь рабочей полосой используемого в измерениях охлаждаемого усилителя.
   
3. 
   Показано, что оптимальная поглощенная мощность гетеродина на частоте 2.5 ТГц, при которой реализуется минимальная шумовая температура для NbN HEB смесителя, изготовленного по оптимизированной технологии, составляет 120 нВт.
   
4. 
   Показано, что использование in situ технологии при изготовлении HEB смесителей позволяет существенно улучшить их шумовые характеристики за счёт уменьшения потерь в местах контакта планарной антенны и сверхпроводящего мостика, а также значительно стабилизировать процесс изготовления по выходу годных и однородности характеристик в партии.
   

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

Публикации в журналах из списка ВАК РФ

1. S. A. Ryabchun, I. V. Tretyakov, I. V. Pentin, N. S. Kaurova, V. A. Seleznev, B. M. Voronov, M. I. Finkel, S. N. Maslennikov and G. N. Gol’tsman «Low-noise wide-band hot-electron bolometer mixer based on an NbN film» Journal Radiophysics and Quantum Electronics. – 2009 – vol. 52, number 8 – pp. 576-582.

2. Третьяков И.В., Рябчун С.А., Каурова Н.С., Ларионов П.А., Лобастова А.А., Воронов Б.М., Финкель М.И., Гольцман Г.Н. «Оптимальная поглощенная мощность гетеродина для терагерцового сверхпроводникового NbN смесителя на электронном разогреве» ПЖТФ. – 2010 – том 36, выпуск 23 – стр. 78-84.

3. Ivan Tretyakov, Sergey Ryabchun, Matvey Finkel, Sergey Maslennikov, Anna Maslennikova, Natalia Kaurova, Anastasia Lobastova, Boris Voronov, Gregory Goltsman «Ultrawide noise bandwidth of NbN hot-electron bolometer mixers with in situ gold contacts» IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2011 – vol. 21, issue 3 – pp. 620 – 623.

4. Ivan Tretyakov, Sergey Ryabchun, Matvey Finkel, Anna Maslennikova, Natalia Kaurova, Anastasia Lobastova, Boris Voronov, and Gregory Gol’tsman «Low noise and wide bandwidth of NbN hot-electron bolometer mixers» Applied Physics Letters. – 2011 – 98 – p. 033507.

Другие публикации

1.  S. A. Ryabchun, I. V. Tretyakov, M. I. Finkel, S. N. Maslennikov, N. S. Kaurova, V. A. Seleznev,B. M. Voronov and G. N. Goltsman. “Fabrication and characterisation of NbN HEB mixers with in situ gold contacts,” in the Proceedings of the 19^th International Symposium on Space Terahertz Technology, Groningen, 2008, pp. 62-67.

2.  I. V. Ttretyakov, S. A. Ryabchun, S. N. Maslennikov, M. I. Finkel, N. S. Kaurova, V. A. Seleznev, B. M. Voronov, G. N. Goltsman. “NbN HEB mixer: fabrication, noise temperature reduction and characterization”, in the Proceedings of the 3rd International Conference “Fundamental Problems of High-Temperature Superconductivity,” Zvenigorod, Russia: 2008, pp. 284-285.

3.  S. A. Ryabchun, I. V. Tretyakov, M. I. Finkel, S. N. Maslennikov, N. S. Kaurova, V. A. Seleznev, B. M. Voronov, G. N. Gol'tsman. “NbN Phonon-Cooled Hot-Electron Bolometer Mixer with Additional Diffusion Cooling”, in the Proceedings of the 20^th International Symposium on Space Terahertz Technology, Charlottesville, Virginia, USA, 2009,   pp. 151-154.

4.  A. Maslennikova, I. Tretyakov, S. Ryabchun, M. Finkel, N. Kaurova, B. Voronov, G. Gol'tsman. “Gain Bandwidth and Noise Temperature of NbN HEB Mixers with Simultaneous Phonon and Diffusion Cooling”, in the Proceedings of the 21^th International Symposium on Space Terahertz Technology, Oxford, United Kingdom, 2010, pp. 218-219.

5.  S. Ryabchun, M. Finkel, I. Tretyakov, A. Maslennikova, N. Kaurova, B. Voronov, and G. Gol'tsman. “Next Generation of Hot-Electron Bolometer Mixers for Future Heterodyne Missions”, in the Proceedings of the 22^th International Symposium on Space Terahertz Technology, Tuscon, USA, 2011, p. 187.

6.  I. Tretiakov, M. Finkel, P. Larionov, A. Maslennikova, S. Ryabchun, N. Kaurova, B. Voronov, Gregory Goltsman. “Study of the superconductor-normal metal interface in hot-electron bolometer mixers”, in the Proceedings of the 23^th International Symposium on Space Terahertz Technology, Tokyo, Japan, 2012, p. 75.
Список используемой литературы.

1. 
   Submillimeter, Millimeter, and Microwave Spectral Line Catalog / H. M. Pickett, R. L. Poynter, E. A. Cohen, M. L. Delitsky, J. C. Pearson, and H.S.P. Muller // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. – 1998. – Vol. 60 – p. 883.
   
2. 
   SMA – Submillimeter Array. – Internet page. – 2008. http://sma-www.cfa.harvard.edu.
   
3. 
   550-650 GHz spectrometer development for TELIS / P.A. Ygoubov, W-J Vreeling, H. van de Stadt, R.W.M. Hoogeveen, O.V. Koryukin, V.P. Koshelets, O.M. Pylypenko and A. Murk // Proc. of 16th int. symp. on space terahertz technology. – Chalmers, Sweden: 2005. – Pp. 438-443.
   
4. 
   Wyborn N. /The HIFI heterodyne instrument for FIRST: Capabilities and performance // Eur. Space Agency Symp. – Grenoble, France: 1997. – Pp.19-24.
   
5. 
   P. L. Richards et al, “Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions”, Appl.Phys.Lett, v.34, p.345, 1979.
   
6. 
   G. J. Dolan et al, “Low-noise 115 GHz mixing in superconductring oxide-barrier tunnel junctions”, Appl.Phys.Lett, v.34, p.347, 1979.
   
7. 
   Low noise 1.4GHz SIS mixer for SOFIA / A. Karpov, D. Miller, J. A. Stern, B. Bumbl, H. G. LeDuc, J. Zmuidzinas // Proc. of 19th int. symp. on space terahertz technology. – Groningen, The Netherlands: 2008. – P. 68.
   
8. 
   Doubling of sensitivity and bandwidth in phonon cooled hot bolometer mixers // J. J. A Baselmans, M. Hajenius, J. Gao, P. d. Korte, T. M. Klapwijk. Voronov. Gol'tsman / Appl. Phys. Lett. – 2004. – Vol. 84 (11). – Pp. 1958-1960.
   
9. 
   SOFIA – Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. – Internet page. – 2008. http://www.sofia.usra.edu.
   
10. 
    Проект Миллиметрон. – Страница в Интернете. – 2008. http://www.asc.rssi.ru/millimetron/rus/millim.htm.
    
11. 
    G. N. Goltsman et al /Sensitive picosecond NbN detector for radiation from millimeter wavelength to visible light //Supercond.: Sci. and Technol., vol. 4, pp. 453-456, 1991.
    
12. 
    J. R. Gao, M. Hajenius, Z.Q. Yang, T.M. Klapwijk, W. Miao, S. C. Shi, B. Voronov, G. Gol'tsman // 17th International Symposium on Space Terahertz Technology / Direct comparison of the sensitivity of a spiral and a twin-slot antenna coupled HEB mixer at 1 6 THz; 2006. Pp. 59-62.
    
13. 
    W. Zhang, P. Khosropanah, J. R. Gao, E. L. Kollberg, K. S. Yngvesson, T. Bansal, J. N. Hovenier, T. M. Klapwijk // 20th International Symposium on Space Terahertz Technology/ - Quantum Noise Contribution to NbN Hot Electron Bolometer Receiver; 2009. P. 155.
    
14. 
    Pourya Khosropanah, Wouter M. Laauwen, Merlijn Hajenius, Jian-Rong Gao, Teun M. Klapwijk // 19th International Symposium on Space Terahertz Technology/ - Sensitivity of a hot electron bolometer heterodyne receiver at 4.3 THz; 2008. Pp. 48-52.
    
15. 
    Th. de Graauw et al Exploratory submm space radio-interferometric telescope (ESPRIT), in Optical, Infrared, and Millimeter Space Telescopes //Proceedings of the SPIE conference Astronomical Telescopes and Instrumentation 2004, Glasgow, UK, Vol. 5487, p. 1522-1525, 2004.
    
16. 
    Benford, D. J. and Kooi, J. W. /Heterodyne receiver requirements for the single aperture far-infrared (SAFIR) observatory //Proceedings of 14th Int. Symp. on Space THz Techn., pp. 529-534, 2003.
    
17. 
    M. Tinkham, Introduction to Superconductivity, Dover Publications Inc., New York, 2004.
    
18. 
    А. И. Елантьев, В. С. Карасик, «Воздействие высокочастотного тока на резистивное состояние сверхпроводниковой плёнки Nb», Физика низких температур, Т. 15 № 7, с. 675 — 683, 1989.