СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ СМЕСИТЕЛЬ НА ЭФФЕКТЕ ЭЛЕКТРОННОГО РАЗОГРЕВА ДЛЯ СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

February 15, 2013 by admin Комментировать »

Свечников С. И., Финкель М. И., Масленников С. Н., Вахтомин Ю. Б., Смирнов К. В., Селезнев В. А., Коротецкая Ю. П., Каурова Н. С., Воронов Б. М., Гольцман Г. Н.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский педагогический государственный университет» г. Москва, 119992, Россия тел.: 495-2461202, e-mail: svechnikov@mspu-phys.ru

Аннотация – Разработан смеситель на эффекте электронного разогрева с прямым поглощением излучения сверхпроводящей пленкой для среднего инфракрасного диапазона. Чувствительный элемент смесителя, размерами 30×20 мкм^, формировался из сверхпроводящей пленки NbN толщиной 5 нм на GaAs подложке и включался в 50 Ом копланарную линию. Исследована чувствительность приемника в детекторном режиме в частотном диапазоне 25- 64ТГц. Исследование шумовой температуры и диаграммы направленности приемника проводилось в смесительном режиме на частоте 30 ТГц. В качестве гетеродинного источника использовался СОг газоразрядный лазер с линей генерации 10,6 мкм.

I.                                       Введение

Сверхпроводящие смесители на эффекте электронного разогрева в настоящее время лидируют по чувствительности на частотах выше 1.3 ТГц [1], однако для частот выше 5.2 ТГц такие смесители еще не разрабатывались. Неселективность эффекта электронного разогрева в широком частотном диапазоне позволяет разрабатывать смесители на его основе для среднего инфракрасного диапазона. Для согласования смесителей на частотах 2-5 ТГц используются планарные антенны, однако их эффективность испытывает резкий спад на частотах выше 5ТГц [2], поэтому при разработке смесителей в частотном диапазоне 20-40 ТГц использовалась лишь вытянутая полусферическая линза из германия диаметром D=12 мм и вытяжением 1/6D. Применение такого приемника позволит решить принципиально новые задачи в микроэлектронике, генетической диагностике, дерматологических исследованиях, идентификации химических и биологических материалов, микроскопии, радиоастрономии (в диапазоне 7-14 мкм находится одно из важнейших окон прозрачности атмосферы).

II.                              Основная часть

Сверхпроводящая пленка NbN осаждалась на разогретую подложку из GaAs методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе Nb мишени в смеси аргона и азота, затем в том же вакуумном цикле магнетронным распылением на NbN наносилась пленка золота, толщиной 100 нм в установке Leybold Heraus Z-400. Формирование топологии чувствительных элементов размерами 30х20мкм^и золотых контактов осуществлялось методом прямой фотолитографии на установке МА 56, фирмы Karl Suss.

Гетеродином служил газоразрядный СОглазер, имеющий линию генерации 10.6 мкм. Его излучение фокусировалось при помощи двух внеосевых параболических зеркал. Источниками сигнального излучения служили глобары с радиояркостными температурами 600 К и 1200 К, спектр излучения которых близок к спектру АЧТ. Величина У-фактора была определена по стандартной методике с теплой (1200 или 600 К) и холодной (300 К) нагрузками в оптимальной рабочей

точке. Для значений шумовых температур вблизи квантового предела при вычислении У-фактора нельзя пренебречь членом, описывающим флуктуации нулевых колебаний (квантовый шум):

 где-отношение эквивалентной мощности шума к постоянной Больцмана (шумовая температура по Калену-Вельтону [3]), D(v,T), спектральная плотность излучения для АЧТ на частоте ν и при температуре Т и:

спектральная плотность излучения АЧТ на частоте V и при температуре Т. Рассчитанные значения составляли 2300 и 2400 К при двух значениях температур горячей нагрузки (сигнального источника) 1200 и 600 К, соответственно.

Значение требуемой оптимальной мощности гетеродина, поглощенной смесителем, определялось изотермическим методом [4] и составляло 16 мкВт.

Диаграмма направленности системы, содержащей смеситель и линзу, была исследована в гетеродинном режиме с модулятором и сигнальным источником (глобар Th=1200 К). Диаграмма направленности описанной системы не превышала 0,5° и была значительно уже по сравнению с диаграммой направленности системы линза- смеситель с логарифмической спиральной антенной, исследованной на частоте 2.5 ТГц [5].

Вольт-ваттная чувствительность приемника исследовалась в детекторном режиме. Источниками теплового излучения служили глобар (600 К) и поглотитель (296 К). Для выделения из спектра излучения АЧТ узкого спектрального интервала использовался набор полосовых дисперсионных фильтров, коэффициент пропускания которых в зависимости от частоты представлен на рисунке 1.

Значение вольт-ваттной чувствительности определялось как:

где ξ(ν)- зависимость коэффициента пропускания фильтра от частоты, =296 К и =1200 К- комнатная температура и температура нити глобара, соответственно, -переменная составляющая напряжения, снимаемая с образца. В эксперименте величина и,, измерялась с помощью фазового вольтметра для каждого фильтра в отдельности, а затем величина вольт-ваттной чувствительности вычислялась с использованием выражения (3) (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость вольт-ваттной чувствительности приемника от частоты (черные кружки) и зависимости коэффициентов пропускания фильтров, используемых в эксперименте от частоты (сплошные линии).

Fig. 1. Receiver sensitivity versus frequency (filled circles) and transmissions of bandpass filters used in the experiment (lines)

Из полученной зависимости можно заключить, что на частотах меньших или равных 30 ТГц величина отклика ограничивалась входным германиевым окном криостата и линзой, в то время как на частотах больших 30 ТГц величина вольт-ваттной чувствительности была почти ровной и приближалась к 70 В/Вт.

III.                                   Заключение

bandwidth divided by к given at the input (receiver’s Callen & Welton noise temperature [3]), and

whereis       the  receiver’s  equivalent noise power per unit

NbN смеситель с прямым поглощением излучения на высоких частотах продемонстрировал шумовую температуру меньшую, чем смеситель с планарной антенной. Это значение составляло 2300 К на частоте гетеродина 30 ТГц, что в 3 раза превышало квантовый предел. Для смесителя с размером чувствительного элемента 30×20 мкм^ оцененная величина оптимальной поглощенной мощности гетеродина составляла 16 мкВт. Такой уровень мощности легко реализовать в среднем инфракрасном диапазоне с помощью твердотельных источников. Зависимость вольт-ваттной чувствительности от частоты была практически ровной в частотном диапазоне 25- 60 ТГц, а ее значение составляло 70 В/Вт.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: 05-02-08207 и 04-02-39016.

IV.                          Список литературы

[1] Финкель М. И., Масленников С. Н., Гольцман Г. Н. «Су- пергетеродинные терагерцовые приемники со сверхпро- водниковым смесителем на эффекте электронного разогрева» Известия вузов. Радиофизика, 2005, XLVIII, (IQ- 11), с. 964-970.

[2] Semenov А., Hubers Η., Richter Η., Smirnov Κ., Gol’ts- man G., Kaurova N., Voronov B. «Superconducting Hot- Electron Bolometer Mixer for Terahertz Heterodyne Receivers.» Proc. of 14th International Symposium on Space Terahertz Technology, Atlanta, Georgia, 2003, p.33-40.

[3] A. Kerr, IVI. Feldman and S. -K. Pan, «Receiver noise temperature, the quantum noise limit, and zero-point flucua- tions,»in Proc. 8**^ international symposium on space terahertz technology, 1997, p.101-111.

[4] Yagoubov P., Merke! H., Kroug IVI., Kollberg E., Gol’ts- man G., Svechnikov S., and Gershenzon E. «Noise Temperature and LO Power Requirement of NbN Phonon- Cooled Hot-Electron Bolometric Mixers at Terahertz Frequencies.» Appl. Phys. Lett., 1998, 73, (19), p.2814-2816.

[5] Schubert J., Semenov A., Hubers H., Richter М., Krocka IVI., MairU., Smirnov K, Gol’tsman G. and Voronov B. «Performance of terahertz heterodyne receiver with a superconducting hot-electron mixer,» Proc. 13**^ International Symposium on Space Terahertz Technology, Cambridge, 2002, p. 229-234.

SUPERCONDUCTING HOT ELECTRON BOLOMETER MIXER FOR MIDDLE IR RANGE

Svechnikov S. I., Finkel M. I., Maslennikov S. N.,

Vachtomin Yu. B., Smirnov K. V., Seleznev V. A., Korotetskaya Yu. P., Kaurova N. S.,

Voronov B. М., Gol’tsman G. N.

Moscow State Pedagodgical University Moscow, 119992, Russia Ph.: 495-2461202, e-mail: svechnikov@,mspu-phys.ru

Abstract – Jhe developed directly lens coupled Hot electron bolometer (HEB) mixer was based on 5 nm superconduct- ingNbN deposited on GaAs substrate. The layout of the structure, including 30×20 мт^active area coupled with a 50 Ohm coplanar line, was patterned by photolithography. The respon- sivity of the mixer was measured in a direct detection mode in the 25-64 THz frequency range. The noise performance of the mixer and the directivity of the receiver were investigated in a heterodyne mode. A 10.6 мт wavelength CW CO2laser was utilized as a local oscillator.

I.                                         Introduction

The HEB mixers demonstrate the lowest noise temperature at frequencies higher than 1.3 THz, however these mixers have not been developed for higher than 5 THz until now. The directly lens coupled mixer for middle IR frequency range has been suggested. An extended hemispherical germanium lens (diameter -12 mm and extention length -D/6) was used to focus the LO radiation on the mixer.

II.                                        Main Part

For the noise temperatures close to the quantum limit the term correspondent to the zero fluctuations (quantum) noise is not negligible in the expression for Y—factor:

is the radiation spectral density of the black body load at a frequency v and a temperature T.

III.                                       Conclusion

At high frequencies directly lens coupled NbN HEB mixer shows lower noise temperature than antenna coupled one. First experiment with NbN HEB at 30 THz gives the noise temperature about 2300 К that is close to 3 times of the quantum limit. For the 30×20 мт^device the optimal absorbed LO power is about -16 μνν that is relatively easy to get from solid state sources in the middle IR. The responsivity ofthe device versus frequency is almost flat and is about 70 V/W in the frequency range of 25-60 THz.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты