CC BY
32
УДК 520.8.056
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНИКИ СУБТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ И НАЗЕМНОЙ РАДИОАСТРОНОМИИ
В. Кошелец1'2, К. Рудаков1'3, А. Худченко1'2, Л. Филиппенко1, Р. Хеспер3, Ж. Лепин4, Шен-Каи Ши5, А. Барышев3
В статье представлены результаты разработок в области создания малошумящих приемных систем субТ-Гц диапазона, выполненных в ИРЭ им. В. А. Котель-никова РАН в последние годы и направленных на создание приемников с квантовой чувствительностью для использования в радиотелескопах космического и наземного базирования. Смесители сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) на основе высококачественных туннельных переходов являются ключевыми элементами наиболее чувствительных гетеродинных приемников субтерагерцового (субТГц) диапазона. В статье представлены результаты разработки СИС-приемников диапазонов 211-275 ГГц и 800-950 ГГц с шумовой температурой в двухполосном режиме (DSB) около 20 К и 220 К соответственно. Эти разработки будут использованы при создании приемных систем для наземных телескопов APEX и LLMA, а также для космической миссии MiHimetron.
Ключевые слова: радиоастрономия, высококачественные туннельные переходы на основе ниобия, малошумящие СИС-приемники, смесители с квантовой чувствительностью терагерцового диапазона.
1 Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Россия, Москва.
2 Астрокосмический Центр ФИАН, 117997 Россия, Москва, ул. Профсоюзная, 84/32; e-mail: valery@hitech.cplire.ru.
3 Астрономический институт университета Гронингена, Нидерланды, Гронинген.
4 Астрономический институт университета Сан-Пауло, Бразилия, Сан-Пауло.
5 Лаборатория ММ и субММ волн, Обсерватория Пурпурной горя, Китай, Нанкин.
Введение. Туннельные структуры сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС) являются наилучшими входными элементами для когерентных приемников на частотах от 0.1 до 1.2 ТГц [1-10], они нашли применение в большинстве современных приемных устройств для радиоастрономии. Это объясняется чрезвычайно высокой нелинейностью сверхпроводниковых туннельных элементов и возможностью получения предельно низких шумовых температур, ограниченных только квантовым пределом; это обусловлено малыми токами утечки в высококачественных туннельных структурах и криогенной рабочей температурой. Гетеродинные СИС - приемники постоянно работают на большинстве наземных радиотелескопов; они используются во всех высокочастотных диапазонах самого большого многоэлементного интерферометра AtacamaLargeMillimeter/submillimeterArray (ALMA) [7-9]. СИС-приемники успешно работали на борту космической обсерватории Гершель, в составе которой находился гетеродинный инструмент HIFI (HeterodynelnstrumentfortheFarlnfrared) [5, 6, 11]. В настоящее время в стадии разработки находится несколько космических миссий, в том числе проект Российского Космического Агентства "Миллиметрон" [12, 13]. Проект "Милли-метрон" нацелен на проведение исследований астрономических объектов во вселенной в дальнем инфракрасном, субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах спектра электромагнитного излучения со сверхвысокой чувствительностью. Измерения планируется вести как в режиме одиночного телескопа, так и в режиме интерферометра Космос -Земля с рекордно высоким угловым разрешением.
Для выполнения научных задач проекта "Миллиметрон" необходимо создание целого ряда гетеродинных приемных систем с чувствительностью, близкой к квантовому пределу. Приемники диапазона 211-275 ГГц с шумовой температурой менее 45 К в однополосном режиме (SSB) требуются для работы как в режиме космического интерферометра Космос - Земля, так и для спектрометра высокого разрешения (R > 106) в режиме одиночного телескопа. Отметим, что приемники этого диапазона использовались для получения первого в истории "изображения" сверхмассивной черной дыры в центре галактики М 87 в рамках проекта Event Horizon Telescope (EHT). Для улучшения шумовых характеристик 7-пиксельного матричного приемника для телескопа APEX (AtacamaPathfinderEXperiment) [14] были разработаны и исследованы СИС приемные структуры с рабочей частотой до 950 ГГц. В данной статье представлены результаты разработки СИС-приемника диапазонов 211-275 и 790-950 ГГц, выполненных в ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН совместно с коллегами из Астрономического института университета Гронингена (Нидерланды).
СИС-смеситель диапазона 211-275 ГГц. В качестве приемного элемента для волно-водного смесителя диапазона 211-275 ГГц был использован туннельный СИС переход КЬ-А10Ж-КЬ, изготовленный на кварцевой подложке толщиной 125 мкм. СИС переход площадью 1 мкм2 был включен в планарную структуру на основе копланарных и мик-рополосковых линий КЬ/8Ю2/КЬ, которая позволила компенсировать емкость СИС перехода в рабочем диапазоне частот и согласовать импеданс СИС перехода на высокой частоте (порядка 20-40 Ом) с импедансом волновода. Для предотвращения утечки ВЧ сигнала через структуру образца на его поверхности изготовлены ВЧ заграждающие фильтры. Волноводный приёмный элемент размещается в прямоугольном волноводе 500x1000 мкм2 ортогонально к плоскости распространения волны на расстоянии 230 мкм от оконечности волновода [15].
На вольт-амперной характеристике (ВАХ) перехода КЬ-А10Ж-КЬ, изготовленного по стандартной технологии, присутствует коленообразная особенность, возникающая на ВАХ чуть выше щелевого напряжения Уд. Эта особенность обусловлена наличием нормального слоя алюминия вблизи туннельного барьера, его присутствие существенно модифицирует плотность состояний электронов в сверхпроводящем электроде. Наличие коленообразной особенности приводит к появлению падающего участка на квазичастичных ступенях при воздействии мощности гетеродина, вызывая нестабильность работы СИС-смесителя и существенно сокращая рабочий диапазон.
Для решения этой проблемы была модернизирована технология изготовления туннельных структур, в нижний электрод был введен дополнительный слой алюминия толщиной 5 нм на расстоянии 50 нм от туннельного барьера. Этот слой не только улучшил морфологию пленки ниобия вблизи барьера, но и существенно изменил функцию распределения электронов в электроде вблизи барьера. Все это привело к полному подавлению коленообразной особенности, ВАХ туннельной структуры КЬ/А1/КЬ-А10Ж-КЬ представлена на рис. 1. Новая технология изготовления позволила не только получать туннельные переходы без падающих участков и особенностей, но и реализовывать чрезвычайно малый ток утечки на напряжениях ниже щелевого (отношение сопротивлений под и над щелью ^/Яп = 37). Это близко к предельно возможному значению для переходов на основе ниобия и позволяет реализовывать шумовые температуры, ограниченные лишь квантовым пределом. При воздействии на туннельный переход сигнала гетеродина с частотой /¿о на ВАХ возникают квазичастичные ступени, размер которых по напряжению определяется частотой гетеродина АУдр = Н/ьо/е (к - постоянная Планка, е - заряд электрона).
200
150
ё 100-з
и
С/3 —<
С/3
50-
1 1 1 1 1 Яп = 22 ОНт
Щ,г = 37 У/ /у
. /¿0 = 262СНг
я « _____/' * 1 1 1 1 1 1 1 1 '
1 2 3
818 Уокаёе, тУ
Рис. 1: ВАХ смесительного элемента на основе структуры Ш/А1/Ш-АЮХ-Ш площадью 1 мкм2: сплошной кривой показана автономная ВАХ, штрих-пунктирной - ВАХ при воздействии гетеродина оптимальной мощности на частоте 262 ГГц.
Экспериментальная ВАХ при воздействии гетеродина частотой 262 ГГц с мощностью, оптимальной для работы СИС-смесителя, показана на рис. 1 штрих-пунктирной линией. Для экспериментального измерения отклика приёмного элемента был использован Фурье интерферометр Майкельсона (ФТС). В качестве широкополосного источника субТГц излучения был использован резистивный нагреватель. Для измерения отклика приёмного элемента на СИС переходе задавалась рабочая точка по напряжению на уровне 2.5 мВ (чуть ниже щелевого напряжения); результаты ФТС продемонстрировали хорошее соответствие требуемому частотному диапазону.
Шумовая температура была измерена стандартным У-фактор методом, в качестве "теплой" нагрузки использовался поглотитель при 295 К, а в качестве "холодной" нагрузки был использован охлаждённый до 78 К поглотитель. Температура поглотителей измерялась и постоянно контролировалась с помощью калиброванных термометров с точностью 0.2 К. На рис. 2 показаны зависимости выходного сигнала СИС-приемника от напряжения смещения, измеренные при частоте гетеродина 262 ГГц на промежуточной частоте (ПЧ) 6.5 ГГц (полоса фильтра ПЧ 40 МГц); отклик для холодной нагрузки на входе показан сплошной кривой, для теплой нагрузки - штрих-пунктирной. Разница этих кривых дает значение У-фактора, который в лучших точках достигает величины
SIS Voltage, mV
Рис. 2: Зависимости выходного сигнала СИС-приемника для структур Nb/Al/Nb-AlOx-Nb без колена, измеренные на промежуточной частоте 6.5 ГГц при "холодной" и "горячей" нагрузке на входе (сплошная и штрих-пунктирная линия, соответственно).
5 дБ, что соответствует шумовой температуре приемника менее 20 К. Измеренные зависимости двухполосной шумовой температуры (DSB) СИС-приемника были получены без каких-либо коррекций на потери в тракте приемника (потери в разделителе луча, во входном окне криостата и фильтрах на ступенях 78 и 4.2 К не вычитались). Полученные значения двухполосной шумовой температуры, измеренные в полосе ПЧ 4-8 ГГц, лишь немного превышают величину квантового предела hf/kß и составляют 19±2 К на частоте 251 ГГц. Приведенные в статье точности итоговой шумовой температуры (±2 К) учитывают не только погрешности в измерении температуры поглотителей, но и другие возможные погрешности измерений. Полученные значения шумовой температуры удовлетворяют техническим требованиям к приемнику диапазона 211-275 ГГц для приемного комплекса космического радиотелескопа "Миллиметрон".
Матричный приемник диапазона 790-950 ГГц для телескопа APEX. Для модернизации 7-пиксельного матричного приемника на телескопе APEX [14] диапазона 790950 ГГц (см. рис. 3) были разработаны СИС-смесители на основе туннельных переходов Nb-AlN-NbN с высокой критической плотностью тока, включенные в микрополосковую линию, состоящую из нижнего электрода толщиной 320 нм, изготовленного из NbTiN, и верхнего электрода толщиной 500 нм из Al, разделенных изолятором SiO2 толщиной 250 нм. Критическая температура пленки NbTiN составляет 14.5 К; детали конструк-
Рис. 3: Фото 7-пиксельного матричного приемника диапазона 790-950 ГГц для телескопа APEX (Atacam,aPathfinderEXperim,ent), видны входные рупора смесителей.
ции и технологии изготовлении были представлены в нашей статье [14]. Существенным преимуществом новых Nb-AlN-NbN смесителей является более высокое щелевое напряжение по сравнению со старыми смесителями с Nb-электродами: 3.15 мВ и 2.8 мВ соответственно. Это играет важную роль для высокочастотных применений, поскольку для частоты 950 ГГц размер фотонной ступени составляет 3.9 мВ и превышает щелевое напряжение перехода. Для модернизированных смесителей диапазон напряжения, доступный для работы СИС смесителя, примерно на 0.7 мВ шире, чем у существующих, что является существенным преимуществом.
СИС переходы Nb-AlN-NbN [10, 16] позволяют реализовывать плотности туннельного тока перехода вплоть до 30 кА/см2 при сохранении высокого качества (отношение сопротивления утечки к нормальному 25-30). Использование конструкции с двойными СИС переходами дает возможность получать широкополосный отклик и обеспечивать хорошую шумовую температуру в требуемом диапазоне частот (см. рис. 4). Скорректированная шумовая температура DSB смесителей варьируется от 200 K на низких частотах до 400 K на частоте 950 ГГц. В шумовую температуру внесена поправка на потери в делителе луча (примерно 10%) и на вклад от источника гетеродина, который находился при температуре 300 K [17]. Из данных на рис. 4 можно сделать вывод, что модернизация СИС-смесителей позволяет существенно улучшить чувствительность
700 600 ff 500
<D —
3
"S
<D Он
e2
CD
'о Z
400 300 200 100 0
■ — New 1 nixers ;st pixel
■ t— Old b
■
• 1 S,—
3 hflk
■ ■
800 825 850 875 900 Frequency, GHz
925
950
Рис. 4: Зависимость шумовой температуры пикселей матричного приемника от частоты гетеродина, измеренная в диапазоне ПЧ 4-12 ГГц. Для сравнения приведены данные для центрального пикселя предшествующего приемника.
приемника CHAMP +. Для модернизированного центрального пикселя шумовая температура смесителя составляет 203, 283 и 407 К на частотах 800, 864 и 938 ГГц, что в 1.7, 1.35 и 1.75 раза лучше, чем для предыдущей версии (345, 381 и 716 К соответственно). Такое улучшение чувствительности позволяет примерно вдвое увеличить скорость астрономических измерений, а также открывает возможность для наблюдения недоступных ранее источников.
Таким образом, разработаны и исследованы СИС-смесители диапазона 211-275 ГГц с шумовой температурой менее 20 К. Полученные значения двухполосной шумовой температуры лишь немного превышают величину hf /кв, что делает такие приемники основными кандидатами для новых наземных и космических радиоастрономических проектов. Представлены результаты модернизации 7-пиксельного матричного приемника на телескопе APEX диапазона 790-950 ГГц; шумовая температура разработанных Nb-AlN-NbN смесителей варьируется от 200 K до 400 K. Модернизация СИС-смесителей позволила улучшить чувствительность CHAMP + примерно в 1.5 раза, что позволит сократить вдвое время измерений.
Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ № 19-52-80023, разработка смесителя диапазона 211-275 поддержана проектом РНФ 19-19-00618. Туннельные
структуры изготовлены в ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН в рамках государственного задания с использованием УНУ 352529.
ЛИТЕРАТУРА
[1] J. R. Tucker, IEEE J. Quantum Electronics 15, 1234 (1979). DOI: 10.1109/JQE.1979.1069931.
[2] J. R. Tucker, M. J. Feldman, Reviews of Modern Physics 57, 1055 (1985). DOI: 10.1103/RevModPhys.57.1055.
[3] J. W. Kooi, M. Chan, T. G. Phillips, et al., IEEE Trans. Microwaves Theory and Techniques 40, 812 (1992). DOI: 10.1109/22.137383.
[4] A. Karpov, J. Blondell, M. Voss, K. H. Gundlach, IEEE Trans on Appl. Superconductivity 5, 3304 (1995). DOI: 10.1109/77.403298.
[5] B. D. Jackson, G. de Lange, T. Zijlstra, et al., IEEE Trans. Microw. Theory Techn. MTT-54(2), 547 (2006). DOI: 10.1109/TMTT.2005.862717.
[6] A. Karpov, D. Miller, F. Rice, et al., IEEE Transactions on Applied Superconductivity 17, 343 (2007). DOI: 10.1109/TASC.2007.898277.
[7] A. R. Kerr, S-K. Pan, S. M. X. Claude, et al., IEEE Trans. THz Sci. Technol. 4, 201
(2014). DOI: 10.1109/TTHZ.2014.2302537.
[8] A. M. Baryshev, R. Hesper, F. P. Mena, et al., Astronomy & Astrophysics 577, A129
(2015). DOI: 10.1051/0004-6361/201425529.
[9] Y. Uzawa, Y. Fujii, A. Gonzalez, et al., IEEE Trans. on Appl. Supercond. 25, 2401005 (2015). DOI: 10.1109/TASC.2014.2386211.
[10] A. Khudchenko, A. M. Baryshev, K. Rudakov, et al., IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 6(1), 127 (2016). DOI: 10.1109/TTHZ.2015.2504783.
[11] Th. de Graauw, F. P. Helmich, T. G. Phillips, et al., Astronomy & Astrophysics 518, L6 (2010). DOI: 10.1051/0004-6361/201014698.
[12] A. V. Smirnov, A. M. Baryshev, P. de Bernardis, et al., Radiophysics and Qunatum Electronincs 54(8-9), 557 (2012). DOI: 10.1007/s11141-012-9314-z.
[13] http://millimetron.ru/en/
[14] R. Güsten, R. Booth, C. Cesarsky, et al., Proc. of SPIE 6267, 626714-1 (2006). DOI: 10. 1117/12/670798.
[15] K. Rudakov, P. Dmitriev, A. Baryshev, et al., Radiophysics and Quantum Electronics 62(7-8), 547 (2019). DOI: 10.1007/s11141-020-10001-7.
[16] P. N. Dmitriev, I. L. Lapitskaya, L. V. Filippenko, et al., IEEE Trans. on Appl. Supercond. 13(2), 107 (2003). DOI: 10.1109/TASC.2003.813657.
[17] A. Khudchenko, A. M. Baryshev, P. Dmitriev, et al., Proceedings of the 28th International Symposium on Space Terahertz Technology, International Symposium on Space Terahertz Technology ISSTT 2017; pp. 87-90, 2017; ISBN:9781510859722.
Поступила в редакцию 28 апреля 2021 г.
После доработки 1 августа 2021 г. Принята к публикации 2 августа 2021 г.
Публикуется по рекомендации оргкомитета 1-ой "Московской Международной конференции по миллиметровой и субмиллиметровой астрономии", 12-16 апреля 2021, АКЦ ФИАН.
