Свечников С І, Фінкель М І, Масленников С Н, Вахтомін Ю Б, Смирнов К В, Селезньов В А, Коротецька Ю П, Каурова Н С, Воронов Б М, Гольцман Г Н

Державна освітня установа вищої професійної освіти «Московський педагогічний державний університет» м Москва, 119992, Росія тел: 495-2461202, e-mail: svechnikov@mspu-physru

Анотація – Розроблено змішувач на ефекті електронного розігріву з прямим поглинанням випромінювання сверхпроводящей плівкою для середнього інфрачервоного діапазону Чутливий елемент змішувача, розмірами 30×20 мкм ^, формувався з надпровідної плівки NbN товщиною 5 нм на GaAs підкладці і включався в 50 Ом копланарную лінію Досліджено чутливість приймача в детекторному режимі в частотному діапазоні 25 – 64ТГц Дослідження шумовий температури і діаграми спрямованості приймача проводилося в змішувальному режимі на частоті 30 ТГц В якості гетеродинного джерела використовувався СОГ газорозрядний лазер з линів генерації 10,6 мкм

I                                       Введення

Надпровідні змішувачі на ефекті електронного розігріву в даний час лідирують по чутливості на частотах вище 13 ТГц [1], однак для частот вище 52 ТГц такі змішувачі ще не розроблялись Неселективних ефекту електронного розігріву в широкому частотному діапазоні дозволяє розробляти змішувачі на його основі для середнього інфрачервоного діапазону Для узгодження змішувачів на частотах 2-5 ТГц використовуються планарниє антени, проте їх ефективність відчуває різкий спад на частотах вище 5ТГц [2], тому при розробці змішувачів в частотному діапазоні 20-40 ТГц використовувалася лише витягнута полусферическая лінза з германію діаметром D = 12 мм і витяжкою 1/6D Застосування такого приймача дозволить вирішити принципово нові завдання в мікроелектроніці, генетичної діагностики, дерматологічних дослідженнях, ідентифікації хімічних і біологічних матеріалів, мікроскопії, радіоастрономії (у діапазоні 7-14 мкм знаходиться одне з найважливіших вікон прозорості атмосфери)

II                              Основна частина

Надпровідних плівка NbN осаджувалася на розігріту підкладку з GaAs методом реактивного магнетронного розпилення на постійному струмі Nb мішені в суміші аргону і азоту, потім в тому ж вакуумному циклі магнетронним розпиленням на NbN наносилася плівка золота, товщиною 100 нм в установці Leybold Heraus Z-400 Формування топології чутливих елементів розмірами 30х20мкм ^ і золотих контактів здійснювалося методом прямий фотолітографії на установці МА 56, фірми Karl Suss

Гетеродином служив газорозрядний СОглазер, що має лінію генерації 106 мкм Його випромінювання фокусувалася за допомогою двох позаосьових параболічних дзеркал Джерелами сигнального випромінювання служили глобар з радіояркостнимі температурами 600 К і 1200 К, спектр випромінювання яких близький до спектру АЧТ Величина У-фактора була визначена за стандартною методикою з теплою (1200 або 600 К) і холодної (300 К) навантаженнями в оптимальної робочої

точці Для значень шумових температур поблизу квантового межі при обчисленні У-фактора не можна знехтувати членом, що описує флуктуації нульових коливань (квантовий шум):

де-Ставлення еквівалентної потужності шуму до постійної Больцмана (шумова температура по Кален-Вельтон [3]), D (v, T), спектральна щільність випромінювання для АЧТ на частоті ν і при температурі Т і:

спектральна щільність випромінювання АЧТ на частоті V і при температурі Т Розраховані значення становили 2300 і 2400 К при двох значеннях температур гарячої навантаження (сигнального джерела) 1200 і 600 К, відповідно

Значення необхідної оптимальної потужності гетеродина, поглиненої змішувачем, визначалося ізотермічним методом [4] і становило 16 мкВт

Діаграма спрямованості системи, що містить змішувач і лінзу, була досліджена в гетеродинних режимі з модулятором і сигнальним джерелом (глобар Th = 1200 К) Діаграма спрямованості описаної системи не перевищувала 0,5 ° і була значно вже в порівнянні з діаграмою спрямованості системи лінза-змішувач з логарифмічною спіральної антеною, дослідженої на частоті 25 ТГц [5]

Вольт-ватна чутливість приймача досліджувалася в детекторному режимі Джерелами теплового випромінювання служили глобар (600 К) і поглинач (296 К) Для виділення із спектру випромінювання АЧТ вузького спектрального інтервалу використовувався набір смугових дисперсійних фільтрів, коефіцієнт пропускання яких залежно від частоти представлений на малюнку 1

Значення вольт-ватної чутливості визначалося як:

де ξ (ν) – залежність коефіцієнта пропускання фільтра від частоти, = 296 К і = 1200 К-кімнатна температура і температура нитки глобар, відповідно,-змінна складова напруги, що знімається з зразка В експерименті величина і,, вимірювалася за допомогою фазового вольтметра для кожного фільтра окремо, а потім величина вольт-ватної чутливості обчислювалася з використанням виразу (3) (рис 1)

Рис 1 Залежність вольт-ватної чутливості приймача від частоти (чорні кружки) і залежності коефіцієнтів пропускання фільтрів, використовуваних в експерименті від частоти (суцільні лінії)

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

З отриманої залежності можна зробити висновок, що на частотах менших або рівних 30 ТГц величина відгуку обмежувалася вхідним германієвих вікном кріостата і лінзою, в той час як на частотах більших 30 ТГц величина вольт-ватної чутливості була майже рівною і наближалася до 70 В / Вт

III                                   Висновок

bandwidth divided by до given at the input (receivers Callen & Welton noise temperature [3]), and

whereis       the  receivers  equivalent noise power per unit

NbN змішувач з прямим поглинанням випромінювання на високих частотах продемонстрував шумову температуру меншу, ніж змішувач з планарної антеною Це значення становило 2300 К на частоті гетеродина 30 ТГц, що в 3 рази перевищувало квантовий межа Для змішувача з розміром чутливого елемента 30×20 мкм ^ оцінена величина оптимальної поглиненої потужності гетеродина становила 16 мкВт Такий рівень потужності легко реалізувати в середньому інфрачервоному діапазоні за допомогою твердотільних джерел Залежність вольт-ватної чутливості від частоти була практично рівною в частотному діапазоні 25 – 60 ТГц, а її значення становило 70 В / Вт

Робота виконана за підтримки грантів РФФД: 05-02-08207 та 04-02-39016

IV                          Список літератури

[1] Фінкель М І, Масленников С Н, Гольцман Г Н «Су-пергетеродінние терагерцеві приймачі зі сверхпро-вих змішувачем на ефекті електронного розігріву» Известия вузів Радіофізика, 2005, XLVIII, (IQ-11), с 964-970

[2] Semenov А, Hubers Η, Richter Η, Smirnov Κ, Golts-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, p33-40

[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, p101-111

[4] Yagoubov P, Merke H, Kroug IVI, Kollberg E, Golts- 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), p2814-2816

[5] Schubert J, Semenov A, Hubers H, Richter М, Krocka IVI, MairU, Smirnov K, Goltsman 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, Goltsman G N

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

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 106 мт wavelength CW CO2laser was utilized as a local oscillator

I                                         Introduction

The HEB mixers demonstrate the lowest noise temperature at frequencies higher than 13 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 До 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р