テラヘルツ帯観測を目指した超伝導HEBミクサ受信機の開発

用于太赫兹波段观测的超导HEB混频接收器的研制

基本信息

批准号：
08J09892
负责人：
芝祥一
金额：
$ 1.15万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2010
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08J09892/
关键词：
テラヘルツ電波天文学超伝導素子

项目摘要

テラヘルツ帯量子カスケードレーザー(THz-QCL)の製作プロセスを改良し、特にドライエッチングを導入することによって、より小さな導波路を形成することができるようになった。導波路の幅を70μmから40μmにすることにより、発熱量をおさえることができ、連続発振での動作に成功した。フーリエ変換分光計による測定で、発信周波数は活性層の設計通りの3.1THzであることも確認した。また、バイアスや温度といった動作条件を変更することで、発振モードが変化すること、および同一のモードでの発振であっても周波数がわずかにシフトすることを確認した。この周波数可変性は、位相同期による周波数安定化制御を行う際に重要となる。今回の測定から、温度を固定して動作させた場合にバイアス電流を制御することで、十分に対応可能であることがわかった。ヘテロダイン受信機における局部発振器として重要な、周波数安定化について、実現の見通しをつけることができた。このTHz-QCLを局部発振器として適用し、独自に開発した準光学型超伝導HEBミクサを用いた3THz帯ヘテロダイン受信機を構築した。HEBミクサは、Si基板上に成膜したNbTiN薄膜を用いて製作しており、テラヘルツ波との結合にはツインスロットアンテナを用いている。位相敏感検波を利用したY-factor法で雑音温度の測定を行ったところ、最高で0.15dBのY-factorを得た。これは受信機雑音温度5600K(DSB)に相当し、さらにビームスプリッター等の光学系による損失を考慮すると受信機雑音温度は2100Kであった。これはTHz帯のHEBミクサ受信機としてほぼ世界的な水準を達成している。また、THz帯HEBミクサには一般にNbN薄膜が用いられているが、取扱いの容易なNbTiN薄膜を用いても、ほぼ同等な性能を得られることが示された。

Terahertz带量子级联激光器（THZ-QCL）的制造过程已得到改善，尤其是通过引入干蚀刻，可以形成较小的波导。通过将波导的宽度从70μm更改为40μm，可以减少产生的热量，并且连续振荡的运行成功。使用傅立叶变换光谱仪的测量还证实，透射频率为3.1THz，如有活性层设计。还可以确定，通过改变诸如偏差和温度之类的工作条件，振荡模式发生变化，即使在同一模式下进行振荡时，频率也会略有移动。当通过相位锁定执行频率稳定控制时，此频率可变性很重要。从此测量中，可以发现，以固定温度运行时可以充分处理偏置电流。有可能提供一个实现频率稳定的想法，这在异性恋接收器中作为局部振荡器很重要。我们使用此THZ-QCL作为局部振荡器，我们使用我们自己的开发开发的准精美超导HEB混合器构建了一个3THz带杂项接收器。 HEB混合器是使用在SI基板上形成的NBTIN薄膜制成的，并将双插槽天线与Terahertz Wave耦合。使用相位灵敏检测使用Y因子方法测量噪声温度，并获得最大0.15dB Y因子。这对应于接收器噪声温度为5600K（DSB），并考虑到由光束分离器等光学系统造成的损失，接收器噪声温度为2100K。作为THZ Band HEB搅拌机接收器，这几乎达到了全球标准。此外，尽管NBN薄膜通常用于THZ带HEB混合器，但已显示即使NBTIN薄膜易于处理，也可以实现几乎相等的性能。