テラヘルツ帯ヘテロダイン受信機の開発研究

小嶋崇文 (国立天文台 先端技術センター)
Wenlei Shan, Matthias Kroug、Alvaro Gonzalez、藤井泰範、
金子慶子、菊池健一、浅山信一郎、江崎翔平、野口卓(国立天文台)、
池谷瑞基、高橋宏明、酒井剛(電気通信大学)、
鵜澤佳徳、牧瀬圭正、寺井弘高 (情報通信研究機構)、
相馬達也、山本智(東京大学)
本研究の一部は-新学術領域研究25108005 原始惑星系の化学的多様性とその進化-基盤研究C 26420330 量子雑音限界を目指した高感度テラヘルツ検出器の研究により実施中．

内容– ヘテロダイン受信機の将来開発テーマ– ALMA Band 10受信機の性能向上に向けた課題抽出と一部の検討結果• SIS受信機の低雑音化• 2SB化の課題– ALMA Band 11(テラヘルツ)受信機開発の進捗と課題• SISミキサ
接合と同調回路• HEBミキサ：
1.2-1.5 THzヘテロダイン応答を確認

ALMA Cartridge Receivers Mass-produced at ATC
2014年2月全受信機の出荷完了
Band 4dual pol. 2SBBand 8dual pol. 2SBBand 10dual pol. DSBBand 880

Min-to-Max
Average70

SSB noise temperature (K)73 cartridges (292 IF outputs)
Spec 100%
Spec 80%

60
5040
3020

135

140145150
LO frequency (GHz)155

73 cartridges (292 IF outputs)

300

Min-to-Max
Average

250

Spec 100%
Spec 80%200
150
10050400

420
440
460
LO frequency (GHz)480

DSB noise temperature (K)Band 490

400
350
300

Band 1073 cartridges (146 IF outputs)
Min-to-Max
Average

Spec 100%
Spec 80%

250200150100800 820 840 860 880 900 920

LO frequency (GHz)Band 10受信機の性能向上に向けた課題と取り組み
1. SIS受信機のさらなる低雑音化
1.
2.

LO雑音の低減
同調回路内の損失低減

2. サイドバンド分離型ミキサ(2SB)化
DSB noise temperature (K)SSB noise temperature (K)Noise performance

400
350
300
250

73 cartridges (146 IF outputs)
Min-to-Max
Average

Spec 100%
Spec 80%LO系からの雑音

200
150
100
800 820 840 860 880 900 920

LO frequency (GHz)4
図：応用物理学会誌より

1. LO雑音の低減
2．テラヘルツ帯で問題となるLO電力不足を解消
一方，RF90度ハイブリッドや2つのSISミキサ，IF180度ハイブリッドが必要になるため，回路の小型化・簡素化が必須．

DSB noise temperature (K)1. SIS受信機のさらなる低雑音化-バランスドミキサによるLO雑音の低減-

進捗

400
350
300

73 cartridges (146 IF outputs)
Min-to-Max
Average

Spec 100%
Spec 80%

250200150100800 820 840 860 880 900 920

LO frequency (GHz)RF 90° hybrid coupler +bias

IF coupler

LO portSIS mixers
RF port− or + bias

Signal Output(For opposite bias polarity)
orLO noise Output(For same bias polarity)

Experiment of 790-950 GHz Balanced SIS mixer
・当周波数帯で，バランスドミキサーの原理を実証．Band 10受信機で生じた課題であるLOノイズは改善の見通し
・課題は，導波管損失の低減

小嶋他，低温工学，2014

課題抽出

2SB化への課題-モジュール型の90度ハイブリッド+LOカプラは導波管損失約0.7dB(15%)/15mmが発生．ミキサブロックへ回路を集積するとともにLO導入系の工夫が必要

RF horn

LO horn0.04 dB/mm @WR1.2(152um*304um)
T. Kojima et al, (2010)

南極で切り開くテラヘルツ天文学

2．SISミキサのさらなる低雑音化-同調回路内の損失低減-

7DSB noise temperature (K)2015/11/18

400
350

66 cartridges (132 IF outputs)

300

Min-to-Max
Average

Spec 100%
Spec 80%

250
200
150
100
800 820 840 860 880 900 920

LO frequency (GHz)Band 10
現⾏素⼦構造 (約1.5dBの損失)アプローチ
素⼦構造の変更 (損失〜0 dB化)

Y. Uzawa et al./Physica C 494 (2013) 189–194

ニオブ(Nb)接合
アルミニオブ(Nb)接合
SiO2

石英基板
窒化ニオブチタン(NbTiN)

SiO2

石英基板
窒化ニオブチタン(NbTiN)

課題-SiO2上のNbTiN膜の品質-NbTiN/Nb//Nb/NbTiNの準粒⼦トラップによるHeating現象

進捗

SiO2上のNbTiN膜の品質

SiO2上のNbTiN膜もQuartz基板上と同等の特性が得られた．
=> RF損失はギャップ周波数(1.2 THz)以下ではかなり小さいと考えられる．

RF-sputtered SiO2
NbTiN

145 nm
1 mm

120 nm
150 nm
1 mm

Quartz substrate

Quartz substrate

Y. Uzawa et al, East Asia workshop (2014)

9

計画中

NbTiN/Nb界⾯における準粒⼦トラップによるJunction Heating
ニオブ(Nb)接合

石英基板

常伝導⾦属

SiO2

窒化ニオブチタン(NbTiN)構造については今後要検討

M. P. Westig, J. Appl. Phys. 114, 124504 (2013)10

Band 11受信機の開発状況– 超伝導ミキサ > 1 THz• SISミキサ：
高臨界電流密度接合を開発• HEBミキサ：
1.2-1.5 THzヘテロダイン応答を確認– 光学系：評価系を構築– 導波管：WR0.71 (90 um x 180 um)の損失

南極で切り開くテラヘルツ天文学

2015/11/18

11Heterodyne Mixer Element (SIS vs HEB)
Frequency Band：1.25-1.57 THz at present (Fractional BW: 22.7 %)DSB noise temperature (K)SISおよびHEBミキサの両面から開発を進めている．
SIS: “Quantum limited” sensitivity < 1 THz
HEB: State-of-the-art > 1 THz, almost frequency independent
20 hf / kB1500
SIS (WG)(QO)
HEB (WG)
(QO)

1000

10 hf / kB
500
5 hf / kB

Univ. of Tokyo00.5

1Frequency (THz)

1.5

THz heterodyne Receiver Noise budget

課題抽出

例えば，受信機雑音を500 K以下に抑えるには，
HEB ReceiverSIS Receiver (single ended)
Operating
Temp.
[K]

Gain
[dB]

Input
noise
[K]

Noise
at
Rec.
Input
[K]

Vacuum window

295-0.2

13.9

13.9

IR filter

110-0.2

5.2

5.4

IR filter

15-0.20.7

0.8

Cold optics

4-0.2

0.2

0.2

Waveguide

4-0.3

0.3

0.3

LO coupler

4-0.5

0.45.6

Tuning circuit

4-4.0

6.0

8.6

Mixer

4-5.0

101362.3

Gain
[dB]

Input
noise[K]Noise atRec. Input[K]

10-dB couple for single-ended-10.0

338.2 1.5 hf/kB (SIS), 3.5 hf/kB(HEB)

235.2

Isolator

4-1.0

1.0

11.8

14.9

1st Amplifier

431.0

< 5.0

71.6

90.5

Room temp. IF

295

24

<1100

43.2

1012.642.2

491< 500 K

483

Required LO Power

課題抽出RFBC

LO hornAD

LO Source

BalancedSingle
Required LO power at SIS Junction~0.5 uWAhorn to horn

-3.0 dB-3.0 dB

B

Waveguide-1.0 dB-1.0 dB or moreCCoupler-10.0 dB

-3.0 dBD

Tuning circuit (Normal metal)-4.0 dB-4.0 dBTotal-18.0 dB

-11.0 dB

Required LO power at LO output

31.5 uW

6.3 uW

Terahertz source by VDI• Source to 1.3-1.5 THz
Configuration Amp-X2-X2-X3-X3~200 mW of power at 155 GHz• For wider BW operation, they used
"Frequency Optimized Bias"

Need to be more compact .
Frequency limit is because oflower frequency multiplier

http://vadiodes.com/index.php/en/

Combination of SIS Junction Materials
for 1.2-1.6 THz mixer
Requirement

9!

課題抽出

Δ9 ! Δ:: ; 3.3 meVSuperconductor 1 (Δ9 )Insulator
Superconductor 2 (Δ: )NbNベースの接合を現在検討中
Material! "Theoretical limit

Practical limit(Expected as 80 % of theory)~2.8 meV

1.35 THz~1.05 THz

Nb//Nb(Ti)N~3.5 4 3.7 meV

1.7-1.8 THz~1.35 THz

NbTiN//NbTiN~4.5 meV2.2 THz~1.7 THz

NbN//NbN~5.5 meV2.65 THz~2.1 THz

Nb//NbEnergyCombination of SIS Junction Materials
for 1.2-1.6 THz mixer
Requirement

9!

課題抽出

Δ9 ! Δ:: ; 3.3 meVSuperconductor 1 (Δ9 )Insulator
RSuperconductor 2 (Δ: )C∆==>?@A?B∝

9K MN∝ HI J
DEF G
L EF O

Band 10 (~20 %比帯域):10-13 kA/cm2で達成
NbN接合を用いた場合，単純計算では9LPP QRS MN,FWF≒ 3.2 より， HI ; 30 kA/cm2が必要
TUP QRS MN,FW

Tuning circuit material

課題抽出

Tuning circuit

Loss [dB/wavelength]

At present, no superconducting material is available for B11 tuning circuit.

1614121086420NbN/NbTiN
Nb/Nb

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
Frequency [THz]計画中Structure of a THz SIS mixer

グランドプレーンに単結晶ニオブを用い，極めて高い導電率をもつ常伝導金属として低損失化を図る．
10 K で抵抗率ρ10K ~ 0.15 uOhm cm以下をすでに確認 (アルミの数倍良)窒化ニオブ(NbN)接合など
アルミ

SiO2

サファイヤ基板

単結晶ニオブ

Loss [dB/wavelength]

バンド 11ミキサ (目標)1614121086420Al/NbTiN (Band 10)

Al/Al
Al/Nb

0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7

A. Karpov, et al IEEE, (2007)

Frequency [THz]進捗

高臨界電流密度Nb/AlNx/Nb接合
ALMAで要求される帯域約20%程度を得るにはJc>30 kA/cm2が必要
Nb/AlOx/NbからNb/AlNx/Nb接合へ．
DC characteristic- gap voltage 2.80-2.85 mV- quality factor ~12 j ~ 24 kA/cm2- reasonably good reproducibility
3530252015
SiO210NbNb

5

φj ~ 1 µm

current / µA

current density kA/cm2c

SiO2
AlN/Alφj ~ 0.75 µm

Quartz05101520
nitridation time / min25

voltage // mV

Presented at ISSTT 2015 by M. Kroug

20

進捗

DSB Receiver noise temperature at Band 85040040350
noise temperature [K]500450400350
300250200150
100500Current (uA)

Current (uA)-AlNバリアを用いたJc ~ 13 kA/cm2の試作SISミキサ測定結果-今後SISミキサについては準光学型の回路を用いてテラヘルツ実証実験を予定

30
201000 0.20.40.60.8 1 1.2
Bias voltage (mV)

Mag_0mA
Mag_15.6mA

300

1234
Bias voltage (mV)Due to LO noise

250
200
150
100
5000

共振ステップから予測される共振周波数

IF: 4-8 GHz
380 400 420 440 460 480 500

5LO frequency [GHz]1.5 THz HEBミキサ-アンプモジュール

進捗

・RF+LO用のダイアゴーナルホーンがミキサブロックと一体化
・IF広帯域化の妨げとなっているアイソレータを取り除き，ミキサとアンプを直結．
東京大学で作製されたHEBミキサチップ
CLNA Unit

20mm

Mixer Unit-Waveguide size 90 um x 180 um-Chip slot: 60 um x 60 um-Chip size: 50 um x 25 um x 1500 um

RF+LO input
50 Ω line
SiGe HBTs
with a diagonal horn
アンプの性能(バイアスT込)

IF output

1.5 THz ミキサ評価系

進捗

常温IF 0.5-8 GHz，アンプはすべて自作．
IF

LO system

2nd CLNA

RFRF/LO
coupler

Mixer-preamp module

A. Gonzalez, IEEE, (2015)

HEB
Mixer

5 dB
Attenuator

CLNA
incorporatingbias-T
25 dB

3 dB
3 dB
Attenuator
Attenuator
50 cm cable

3 dB
Attenuator

0.5-8.0
GHz
20 dB
LNA No.2

CLNA 25 dBSpectrumanalyzer

Power meter
0.5-5.0 GHz
Low pass filter

Roomtemperature

進捗

THz HEB mixerのヘテロダイン応答特性-26150-27100-2850-290-30-50-31

Current [uA]

IF output [dBm]・従来1.0-1.2 GHzを0.5-7 GHzのテラヘルツヘテロダイン応答を確認
・受信機雑音温度：1000-2000 K
・LO周波数に対して比較的フラットな出力特性-100-32-150-33-4-3-2-101Bias voltage [mV]234

LO:1255 GHz

Paper in preparation

Summary– Band 10受信機の性能向上に向けた課題• SIS受信機の低雑音化• 2SB化の課題– Band 11(1.2-1.5 THz)受信機開発の進捗と課題• SISミキサ：High gap 材料，同調回路の損失低減，臨界電流密度が課題．
今後準光学ミキサを用いて動作実験予定• HEBミキサ：ヘテロダイン応答(IF:0.5-7GHzの応答)を確認• ビーム測定系の構築と評価• WR0.71導波管の損失評価