ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2017, № 10 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Гетеродинный приемник со сверхпроводниковым смесителем на эффекте электронного разогрева для среднего инфракрасного диапазона

И.В. Пентин1, Ю.Б. Вахтомин1, К.В. Смирнов1,2, Н.С. Каурова1, Г.Н. Гольцман1,2

1 Московский педагогический государственный университет
2 Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета Высшая школа экономики, Россия
Полный текст (PDF) EDN ZTLVSZ

Аннотация

В работе представлены результаты по созданию гетеродинного преемника на основе сверхпроводникового смесителя на эффекте электронного разогрева ( Hot Electron Bolometer (HEB) mixer ), в котором реализовано прямое согласование излучения среднего инфракрасного диапазона с чувствительным NbN элементом HEB-смесителя, без использования планарной металлической антенны. Без рассмотрения оптических и электрических потерь в сигнальном тракте гетеродинного приемника были проведены исследования шумовых характеристик NbN HEB-смесителя на частоте гетеродина 28.4 ТГц (λ = 10.6 мкм), в качестве которого был использован газоразрядный CO2 лазер непрерывной генерации. Температура шума NbN HEB-смесителя с размером чувствительного элемента 10 мкм × 10 мкм, определенная методом измерения Y-фактора и с учетом члена, описывающим флуктуации нулевых колебаний, в соответствии с диссипативной теоремой Каллена-Вельтона, составила 2 320 K (~ 1.5hν/kB) на частоте гетеродина 28.4 ТГц. Изотермическим методом проведена оценка поглощенной мощности излучения гетеродинного источника в оптимальной по температуре шума рабочей точке для указанного NbN HEB-смесителя, которая составила 9 мкВт.

  • NbN пленка
  • эффект электронного разогрева в сверхпроводниках
  • приемники электромагнитного излучения
Abstract (in English)

The work presents the result of development of the NbN superconducting hot-electron-bolometer (HEB) mixer. The sensitive element of the mixer is directly coupled to mid-IR radiation, and doesn’t have planar metallic antenna. Investigations of noise characteristics of NbN HEB mixer were performed at the frequency 28.4 THz (λ = 10.6 µm) by using gas-discharge CW CO2-laser without consideration of optical and electrical losses in the heterodyne receiver. The noise temperature of NbN HEB mixer with the size of the sensitive element 10 µm × 10 µm was 2320 K (~ 1.5hν/kB) at the heterodyne frequency of 28.4 THz. The noise temperature was determined by measuring the Y-factor taking into account the term which describes fluctuations of zero-point oscillations in accordance with the fluctuation-dissipation theorem of Calle-Welton. Isothermal method was used to estimate the absorbed heterodyne radiation power which was 9 µW at the optimal operating point for the minimum noise temperature of NbN HEB mixer.

Для цитирования

Пентин И.В., Вахтомин Ю.Б., Смирнов К.В., Каурова Н.С., Гольцман Г.Н. Гетеродинный приемник со сверхпроводниковым смесителем на эффекте электронного разогрева для среднего инфракрасного диапазона // Журнал радиоэлектроники. – 2017. – № 10.

Литература

  1. Sonnabend G, Wirtz D, Schieder R., et al. // Appl. Opt. 2002, 41, 2978-2984.
  2. ESA's Infrared Space Observatory (ISO) // [Электронный ресурс]. URL: http://sci.esa.int/iso
  3. A. Betz, R. Boreiko, S. Sivananthhan, et al. // Proc. 12th international symposium on spase terahertz technology. 2001.
  4. M.Mumma, T.Kostiuk, S.Cohen, et al. // Space Science Reviews. 1975, Vol. 17, No. 5, 661-667.
  5. Kostiuk T., Spears D. // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1987, Vol. 8, No.10, 1269-1279.
  6. I. Tretyakov, S. Ryabchun, M. Finkel, et al. // Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 033507.
  7. P. Khosropanah, J.R. Gao, W.M. Laauwen, et al. // Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 221111.
  8. W. Zhang, P. Khosropanah, J.R. Gao, et al. // Appl. Phys. Lett. 2010, 99, 111113.
  9. Maslennikov S., Finkel M., Vachtomin Y., et al. // Proc. 16th international symposium on space terahertz technology. 2005.
  10. J.J.A. Baselmans, J M. Hajenius, R. Gao, et al. // Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 1958.
  11. Michael Shcherbatenko, Yury Lobanov, Oleg Benderov, et al. // 26 th International Symposium on Space Terahertz Technology. 2015.
  12. Gershenzon E., Gol'tsman G., Gogidze I., et al. // Sov. Superconductivity. 1990, V. 3, No.10, 2143.
  13. Gershenzon E., Gol'tsman, Elantiev A., et al. // IEEE Trans Magn. 1991, 27, 1317-1320.
  14. Yu.Gousev, G.N.Gol'tsman, A.D.Semenov, et al. // Appl. Phys. Lett. 1994, 75(7), 3695-3697.
  15. P. Putz, D. Btichel, K. Jacobs, et al. // 26 th International Symposium on Space Terahertz Technology, Cambridge. 2015.
  16. Alexander Shurakov, Sergey Seliverstov, Natalia Kaurova, et al. // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2012, Vol. 2, No. 4.
  17. A. Kerr, M. Feldman, and S.-K. Pan // Proceedings of the 8th International Symposium on Space Terahertz Technology. 1997.
  18. J. Baselmans, A. Baryshev, S. Reker, et al. // Appl. Phys. Lett. 2005, Vol. 86, 163503.
  19. H. Еkstrom, Е. Kollbeгg, P. Yagoubov, et al. // Apllied Physics Letters. 1997, Vol. 70, 3296-3298.
  20. S. A. Ryabchun, I. V. Tret'yakov, I. V. Pentin, et al. // Radiophysics and Quantum Electronics. 2009, Vol. 52, No. 8.
  21. A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, et al. // IEEE Photon. Technol. Lett. 2009, 21(12), 814-816.