Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2017, № 10 · ELECTRODYNAMICS

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

I.V. Pentin1, I.B. Vakhtomin1, K.V. Smirnov1,2, N.S. Kaurova1, G.N. Goltsman1,2

1 Московский педагогический государственный университет
2 Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета Высшая школа экономики, Russia
Full text (PDF) EDN ZTLVSZ

Abstract

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.

  • NbN пленка
  • эффект электронного разогрева в сверхпроводниках
  • приемники электромагнитного излучения
Аннотация (на русском)

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

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.

For citation

Pentin I.V., Vakhtomin I.B., Smirnov K.V., Kaurova N.S., Goltsman G.N. Гетеродинный приемник со сверхпроводниковым смесителем на эффекте электронного разогрева для среднего инфракрасного диапазона // Journal of Radio Electronics. – 2017. – No. 10.

References

  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.