Терагерцовые смесители на эффекте электронного разогрева в ультратонких плёнках NbN и NbTiN
Диссертация
В качестве альтернативного пути разработки высокочастотных НЕВ смесителей в рамках диссертационного исследования был предложен смеситель с прямым поглощением излучения сверхпроводниковой плёнкой. В этом случае активный участок сверхпроводниковой плёнки располагается в фокальной плоскости вытянутой полусферической линзы, что позволяет сфокусировать на нём излучение гетеродина и значительно… Читать ещё >
Содержание
- Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
- 1. 1. Супергетеродинные приемники субмиллиметрового диапазона длин волн на основе ДБШ и СИС
- 1. 2. Эффект электронного разогрева в сверхпроводниках
- 1. 3. Смесители на электронном разогреве с фононным каналом охлаждения
- 1. 4. Квазиоптические схемы согласования с высокочастотным излучением
- 1. 5. Выбор объекта исследования и постановка задачи
- Глава II. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОПИСАНИЕ ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ
- 2. 1. Технология осаждения сверхпроводниковых плёнок и изготовление исследуемых смесителей
- 2. 2. Экспериментальная установка и методика исследования полосы преобразования смесителей на частоте 0,9 ТГц
- 2. 3. Экспериментальная установка и методика исследования полосы преобразования смесителей в магнитном поле и коэффициента диффузии электронов в плёнках сверхпроводников
- 2. 4. Экспериментальная установка и методика измерений шумовой температуры приёмника с НЕВ смесителем на частотах гетеродина
- 30. ТГц и 2,5 ТГц
- Глава III. ПОЛОСА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КВАЗИОПТИЧЕСКИХ СМЕСИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПЛЁНОК NbN И NbTiN НА РАЗЛИЧНЫХ ПОДЛОЖКАХ
- 3. 1. Полоса преобразования NbN и NbTiN смесителей на эффекте электронного разогрева на частотах вблизи 900 ГГц
- 3. 2. Полоса преобразования NbTiN смесителей вблизи критической температуры в магнитном поле на частоте гетеродина 140 ГГц
- 3. 3. Коэффициент диффузии электронов в ультратонких плёнках NbTiN
- 3. 4. Возможности увеличения полосы преобразования смесителей
- Глава IV. ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СМЕСИТЕЛЕЙ НА ЭЛЕКТРОННОМ РАЗОГРЕВЕ В УЛЬТРАТОНКИХ ПЛЁНКАХ NbN И NbTiN
- 4. 1. Шумовая температура приёмника с NbTiN смесителем на частоте гетеродина 2,5 ТГц
- 4. 2. Шумовая температура лабораторного прототипа гетеродинного приёмника на частоте гетеродина 30 ТГц, изготовленного на основе NbN смесителей на GaAs подложке
- 4. 3. Перспективы разработки смесителей на эффекте электронного разогрева с прямым согласованием чувствительного элемента с излучением
Список литературы
- T.W. Crowe et al GaAs Schottky Diodes for THz Mixing Applications //Proc. 1. EE, vol. 80, pp. 1827−1841, 1992
- S.S. Gearhart et al A Wide-band 760-GHz Planar Integrated Schottky Receiver//IEEE Microwave and Guided Wave Lett., vol. 3, pp. 205−297, 1993
- P.L. Richards et al Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions //Appl.Phys.Lett, v.34, p.345, 1979
- A.Karpov et al Low noise NbTiN 1.25 THz SIS mixer for Herschel Space Observatory //Proceedings of 16th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 450, 2005
- E.M. Gershenzon et al Millimeter and submillimeter range mixer based on electronic heating of superconducting films in the resistive state //Sov. Phys. Superconductivity, vol. 3, pp. 1582−1597, 1990
- J.J.A.Baselmans et al Doubling of sensitivity and bandwidth in phonon cooled hot electron bolometer mixers //Appl.Phys.Lett, v.84, n. l 1, pp. 1958−1960, 2004
- Daniel P. Marrone et al Observations in the 1.3.and 1.5 THz Atmospheric Windows with the Receiver Lab Telescope //Proceedings of 16th Int. Symp. on Space THz Techn., pp. 64−67, 2005
- 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
- E.M. Гершеизоп и др. Электрон-фононное взаимодействие в ультратонких плёнках Nb //ЖЭТФ, т.97, № 3, сс.901−911, 1990
- B.S. Karasik et al Diffusion cooling mechanism in a hot-electron NbC microbolometer mixer //Appl. Phys. Lett. 68, 16, pp.2285−2287, 1996
- M. Kroug et al НЕВ quasioptical heterodyne receiver for terahertz frequencies //Proceedings of 12th Int. Symp. On Space THz Techn., pp. 244−252, 2001
- C. Edward Tong et al A low-noise NbTiN hot electron bolometer mixer //Proceedings of 12th Int. Symp. On Space THz Techn., pp. 253−261, 2001
- Alexei Semenov et al Development of terahertz superconducting hot-electron bolometer mixer
- H. W. Hubers et al Investigation of a 2.5 THz quantum cascade laser as local oscillator //Proceedings of 16th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 18, 2005
- 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
- V. Belitsky MM and sub-mm instrumentation for radio astronomy //presented on Masers and Molecules workshop, Sept. 18−19, 2003, Sarohus, Sweden
- J.Black Scientific drivers for APEX //presented on Masers and Molecules workshop, Sept. 18−19, 2003, Sarohus, Sweden
- R. L. Brown Technical specification of the millimeter array //Proc.SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., no. 3357, pp. 231−441, 1998
- N. Wyborn The HIFI heterodyne instrument for FIRST: Capabilities and performance //in Eur. Space Agency Symp., Grenoble, France, Apr. 15−17, 1997, pp. 19−24, 199 726. http://AAflAA/.asc.rssi.ru/millimetron/rus/millim.htm
- J.L.Hesler et al The Design, Construction, and Evaluation of a 585 GHz Planar Schottky Mixer//Proceedings of 6th Int. Symp. on Space THz Techn., pp. 3444, 1995
- K.S.Hong et al Optimization of MOVPE Grown InxAli. x/Ino.53Gao.47As Planar Heteroepitaxial Schottky Diodes for Terahertz Applications //IEEE Trans. Electron Devices, ED-41, pp. 1489−1497, 1994
- P.L. Richards et al Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions //Appl. Phys. Lett, v.34, p.345, 1979
- N.R.Erickson Low noise Submillimeter receivers Using Single-Diode Harmonic Mixers//Proc. IEEE, 80, pp. 1721−1728, 1992
- J.R.Tucker Quantum limited detection in tunnel junction mixers //IEEE J. Quantum Electron., v.15, p.1234, 1979
- A.R.Kerr Some Fundamental and Practical Limitations on Broad-Band Matching to Capacitive Devices, and the Implications for SIS Mixer Design //IEEE Trans. Microwave. Theory Tech., 43, pp. 2−13, 1995
- C. Y.E. Tong et al Sub-mm distributed quasipartical receiveremploying a nonlinear transmission line //Proceedings of 7th Int. Symp. on Space THz Techn., p.47, 1996
- C. Y.E. Tong et al Design and characterization of 200−300 GHz fixed tuned SIS receiver //IEEE Trans, on Micr. Theory and Tech., v. 44, num.9, pp. 15 481 566, 1996
- A.Karpov et al A three photon noise SIS heterodyne receiver at submillimeter wavelength //IEEE Trans. Appl. Supercond., v.9, issue 2 part 3, pp.4456−4459, 1999
- G. Chattopadhyay et al A 530-GHz Balanced Mixer //IEEE Microwave and Guided Wave Lett., vol. 9, no. 11, pp.467−469, 1999
- G.de Lange et al Superconducting resonator circuits at frequencies above the gap frequency //J. Appl. Phys., vol. 77, p. 1795, 1995
- M.J. Wengler Submillimeter-Wave Detection with Superconducting Tunnel Diodes//Proc. of the IEEE, v.80, n. l 1, pp. 1810−1826, 1992
- G.de Lange et al Development of a 170−210 GHz 3×3 micromashined SIS imaging array //Proc. 8th Int. Symp. on Space THz Techn., p.518, 1997
- Belitsky V. et al SIS Junction Reactance Complete Compensation //IEEE Trans, on Magnetic, MAG- 27, v. 2, pt. 4, pp. 2638−2641, 1991
- V. Yu. Belitsky, E.L.Kollberg Tuning circuit for NbN SIS mixer //Proc. 7th Int. Symp. on Space THz Techn., p.234, 1996
- C. Y.E. Tong et al Theory of Distributed Mixing and Amplification in a Superconducting Quasi-Particle Nonlinear Transmission Line //IEEE Trans, on MTT., v. 45, num.7, pp. 1086−1092, 1997
- M.J.Feldman and S. Rudner Mixing with SIS arrays //Reviews of IR and MM Waves, K.J.Button, Ed. N. York, Plenum, p.47, 1983
- S.Shitov et al Superconducting integrated receiver as 400−600 GHz tester for coolable device //IEEE Trans. Appl. Supercond., 11, n. l, pp. 832−835, 2001
- S. Maas Microwave mixers //Artech House, Boston, 1993
- G. Chattopadhyay et al A 530-GHz Balanced Mixer //IEEE Microwave and Guided Wave Lett., vol. 9, no. 11, pp.467−469, 1999
- H.van de Stadt et al An improved ITHz waveguide mixer //Proc. 7th Int. Symp. on Space THz Techn., p.536, 1996
- B. Jackson et al Low noise 1 THz superconductor-insulator-superconductor mixer incorporating a NbTiN/Si02/Al tuning circuit //Appl. Phys. Lett., vol. 79, num.3, pp. 436−438, 2001
- K.H. Gundlach and M. Schicke Topical Review: SIS and bolometer mixers for terahertz frequencies //Supercond. Sci. Technol. 13, pp. 171−187, 2000
- A.Karpov et al Low noise 1.2 THz SIS receiver //Proc. 12th Int. Symp. on Space THz Techn., p.21, 2001
- F. Arams et al Millimeter mixing and detection in bulk InSb //Proc. IEEE, vol. 54, pp. 308−318, 1966
- T. G. Phillips and J. Keene Submillimeter astronomy //Proc. IEEE, vol. 80, pp. 1662−1678, 1992
- B.L.Altshuler and A.G.Aronov Modern Problems in Condenced matter Science //North-Holland Pub. Co. Amsterdam-NY, 1985
- W.H.Parker Modified heating theory of nonequilibrium superconductors //Phys.Rev. В 12,3667, 1975
- Гершензоп E.M. и др. Воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую плёнку ниобия в резистивном состоянии //Тезисы докладов 22 Всесоюзной конференции по физике низких температур, с.79−80, 1982
- E.M.Gershenzon et al Electron-phonon interaction in ultrathin Nb films //Sov.Phys.JETP, v.70, pp.505−511, 1990
- Yu.P.Gousev et al Broadband ultrafast superconducting NbN detector for electromagnetic radiation //J.Appl.Phys., v.75, pp.3695−3697, 1994
- A.Rothwarf and B.N.Taylor Measurements of recombination lifetimes in superconductors//Phys.Rev.Lett., v. 19, pp.27−30, 1967
- N.Perrin and C. Vanneste Response of superconducting films to periodic optical irradiation //Phys. Rev. В 28, 5150, 1983
- S. Cherednichenko et al. //Proc. 8th Int. Symp. on Space THz Techn., p.245, 1997
- E. M. Гершепзон и др. Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую пленку в резистивном состоянии //Письма в ЖЭТФ. Т. 36. Вып. 7. С. 241−244, 1982
- D.Prober Superconducting terahertz mixer using a transition-edge microbolometer //Appl.Phys.Lett. 62(17), 2119, 1993
- J.W.Bremer, and V.E. Nexvhouse//Phys.Rev. Lett., vol.1, p. 282, 1958
- J. Mather Electrical self-heating calibration of nonideal bolometers //Appl. Optics., vol. 23, no. 18, pp. 3181−3183, 1984
- J.Kawamura et al Low noise NbN lattice-cooled superconducting hot-electron bolometric mixers at submillimeter wavelengths //Appl. Phys. Lett., 70(12), pp.1619−1621, 1997
- H.Ekstrom et al Conversion Gain and Noise of Nb Superconducting Hot Electron Mixers //IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 43, pp. 938−947, 1995
- G.N. Gol’tsman et al //IEEE Trans, on Appl. Supercond 5, 3065, 1995
- B.S. Karasik and A.I. Elantiev//Appl. Phys. Lett. 68, 853, 1996
- E.Tong et al Successful Operation of a 1 THz NbN Hot-Electron Bolometer Receiver//Proc.of 11th of Space Terahertz Technology, p.49−59, 2000
- J.Kawamura et al Ground-based terahertz CO spectroscopy towards Orion //A&A394, 271−274, 2002
- A.Semenov et al Hot-Electron Effect in Superconductors and Its Applications for Radiation Sensors //LLE Review, V 87, pp 134−152, 2002
- S. Claude Sideband-Separating SIS mixer For ALMA Band 7, 275−370 GHz //Proc. 14th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 41, 2003
- S. Shi et al Development of a 600−720 GHz SIS Mixer for the SMART //Proc. 12th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 215, 2001
- A.Baryshev et al Fixed-tuned waveguide 0.6 THz SIS mixer with Wide band IF //Proc. 13th Int. Symp. on Space THz Techn., 2002
- P. Grimes et al Investigation of the performance of a 700 GHz nline mixer //Proc. 14th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 247, 2003
- A.Karpov et al Low-noise SIS mixer for far-infrared radio astronomy //Proc. SPIE, vol. 5498, pp. 616−621, 2004
- LGalin et al 177−207 GHz Radiometer Front End, Single-Side-Band Measurements //Proc. 10th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 70, 1999
- J. L. Hesler et al A Fixed-tuned 400 GHz Subharmonic Mixer Using Planar Schottky Diods //Proc. 10th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 95, 1999
- B. Maddison et al A Compact 500 GHz Planar Schottky Diode Receiver with a Wide Instantaneous Bandwidth //Proc. 9th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 367, 1998
- S. M. Marazita et al Progress in submillimeter wavelength integrated mixer technology //Proc. 10th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 74, 1999
- A.Betz and R. Borejko A practical Schottky mixer for 5 THz //Proc. 7th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 503, 1996
- T. Suzuki et al Quasi-integrated planar Schottky barrier diodes for 2.5 THz receivers //Proc. 9th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 187, 1998
- C. Mann et al On the design and measurement of a 2.5 THz waveguide mixer //Proc. 9th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 161, 1998
- J. Hesler et al Submm wavelength waveguide mixers using planar Schottky barier diods //Proc. 7th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 462, 1996
- IV. Ross Stonel ed. Millimeter and Submillimeter Techniques //ser. Review of radio science 1993−1996. New York: Oxford University Press Inc, 1996
- J. Kawamura et al Phonon-cooled NbN HEB Mixers for Submillimeter Wavelengths //Proc. 8th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 23, 1997
- C.-Y. Edward Tong et al Successful Operation of a 1 THz NbN Hot-Electron Bolometer Receiver//Proc. 11th Int. Symp. on Space THz Techn., pp. 49−59, 2000
- D. Loudkov et al An investigation of the performance of the superconducting HEB mixer as a function of its RF embedding impedance //IEEE Trans, on Appl. Supercond., 2004
- P. Yagoubov et al //Supercond. Sci. Technol., no. 12, 1999
- K. Smirnov et al Noise performance of spiral antenna coupled HEB mixers at 0.7 THz and 2.5 THz //Proc. 14th Int. Symp. on Space THz Techn., 2003
- R. fVyss et al Noise and bandwidth measurements of diffusion-cooled Nb hot-electron bolometer mixers at frequencies above the superconductive energy gap //Proc. 10th Int. Symp. on Space THz Techn., pp. 215−229, 1999
- E. Gerecht et al Improved characteristics of NbN HEB mixers integrated with log-periodic antennas //Proc. 10th Int. Symp. on Space THz Techn., pp. 200 207, 1999
- Y. Vachtomin et al Noise temperature measurements of NbN phonon-cooled hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz //Proc. 15th Int. Symp. on Space THz Techn., 2004
- J. Schubert et al //Supercond. Sci. Technol., no. 12, p. 748, 1999
- Hubers H.-W. et al //Proc. 16th Int. Symp. Space THz Techn., p. 35, 2005
- Gao, J. et al A novel terahertz heterodyne receiver based on a quantum cascade laser and a superconducting bolometer //Proc. 16th Int. Symp. Space THz Techn., p. 19, 2005
- H. Eksrom et al 348-GHz endfire slotline antennas on thin dielectric membranes //IEEE Microwave Guided Wave Lett., vol.2, pp. 357−358, 1992
- K.S. Yngvesson et al The tapered slot antenna: — A new integrated element for millimeter-wave applications //IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 37, pp. 365−374, 1989
- D.F. Filipovic et al Double-slot antennas on extended hemispherical and elliptical silicon dielectric lenses //IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 41, pp. 1738−1749, 1993
- C.A.Balanis Antenna Theory: Analysis and Design //New York, Wiley, 1982
- J.J.A.Baselmans et al Direct detection effect in small volume hot electron bolometer mixer//Appl. Phys. Lett. 86 (16), 163 503, 2005
- D. W. Floet et al Bias dependence of the thermal time constant in diffusion-cooled hot electron bolometer mixers //Appl. Phys. Lett. 77, 1719, 2000
- A.D. Semenov et al //Phys. Rev. В 52, 581, 1995
- D. W. Floet et al Hotspot mixing: a framework for heterodyne mixing in superconducting hot electron bolometers //Appl. Phys. Lett. 74, 433, 1999
- S. Cherednichenko et al Local oscillator power requirement and saturation effects in NbN HEB mixers //Proc. 12th Int. Symp. on Space THz Techn., p. 273,2001