[論文レビュー] A Superconducting Phase Shifter and Traveling Wave Kinetic Inductance Parametric Amplifier for W-Band Astronomy

George Che, Samuel Gordon+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Superconducting and THz Device Technology参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、Wバンド天文学を目的とした二機能超伝導チップを提示する。このチップは、オンチップフーリエ変換分光法を可能にするDC電流可変型位相シフタと、トレーリングウェーブキネティックインダクタンスパラメトリック増幅器（TKIP）を統合している。Nb微帯線のキネティックインダクタンスの非線形性により、バイアス電流で位相制御が可能であり、臨界電流付近で90 GHzで予測される30ラジアンの位相シフトを達成した。これは、75–110 GHz帯域における高利得TKIP設計の主要パラメータを検証した。

ABSTRACT

The W-Band ($75-110\; \mathrm{GHz}$) sky contains a plethora of information about star formation, galaxy evolution and the cosmic microwave background. We have designed and fabricated a dual-purpose superconducting circuit to facilitate the next generation of astronomical observations in this regime by providing proof-of-concept for both a millimeter-wave low-loss phase shifter, which can operate as an on-chip Fourier transform spectrometer (FTS) and a traveling wave kinetic inductance parametric amplifier (TKIP). Superconducting transmission lines have a propagation speed that depends on the inductance in the line which is a combination of geometric inductance and kinetic inductance in the superconductor. The kinetic inductance has a non-linear component with a characteristic current, $I_*$, and can be modulated by applying a DC current, changing the propagation speed and effective path length. Our test circuit is designed to measure the path length difference or phase shift, $Δϕ$, between two symmetric transmission lines when one line is biased with a DC current. To provide a measurement of $Δϕ$, a key parameter for optimizing a high gain W-Band TKIP, and modulate signal path length in FTS operation, our $3.6 imes 2.5\; \mathrm{cm}$ chip employs a pair of $503\; \mathrm{mm}$ long NbTiN inverted microstrip lines coupled to circular waveguide ports through radial probes. For a line of width $3\; \mathrm{μm}$ and film thickness $20\; \mathrm{nm}$, we predict $Δϕ\approx1767\; \mathrm{rad}$ at $90\; \mathrm{GHz}$ when biased at close to $I_*$. We have fabricated a prototype with $200\; \mathrm{nm}$ thick Nb film and the same line length and width. The predicted phase shift for our prototype is $Δϕ\approx30\; \mathrm{rad}$ at $90\; \mathrm{GHz}$ when biased at close to $I_*$ for Nb.

研究の動機と目的

• Wバンド（75–110 GHz）天体観測を目的とした二機能超伝導回路の開発。
• オンチップフーリエ変換分光法（FTS）を可能にする電流可変型位相シフタの実証。
• トレーリングウェーブキネティックインダクタンスパラメトリック増幅器（TKIP）におけるパラメトリック増幅のための非線形キネティックインダクタンス応答の検証。
• 将来の高利得TKIP最適化のための最大非線形位相シフト（Δφ_max）の測定。
• NbとNbTiN薄膜を用いたWバンドTKIPのためのプロトタイピングと測定プラットフォームの確立。

提案手法

• SOIウェーハ（30 μmのデバイス層を有する）上に、対称的な503 mm長のNbTiNインバーテッド微帯線（STLs）を設計。
• 片方のラインにDC電流バイアスを印加し、非線形なI*依存性によりキネティックインダクタンスを変調することで、位相速度と有効路長を変更。
• 4 Kで冷媒下で動作可能な、波ガイドポート、チョーク、バイアスティーを備えた三部構造のNbコーティング銅チップパッケージを実装。
• ASU NanoFabでDCスパッタリングとコントラストリソグラフィーを用いて、200 nmのNb膜を用いてプロトタイプをプロトタイピング。
• 冷温温度でのWバンド信号伝送を可能にする、熱的ブレークとミラーマイラー真空窓を備えたカスタム波ガイドフィードスルーを採用。
• WバンドVNAエキステンダーとバイアスティーを用いて、DC電流をスイープし、システム透過率を補正しながら、バイアスに応じた位相シフト（Δφ）を測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電流可変型キネティックインダクタンスに基づく超伝導位相シフタは、Wバンド周波数におけるオンチップフーリエ変換分光法に十分な位相シフトを達成できるか？
• RQ2 特徴的な電流I*付近でバイアスされたNb微帯線における測定可能な非線形位相シフト（Δφ）はどの程度か？
• RQ3 測定された位相シフトとI*パラメータは、90 GHzにおけるトレーリングウェーブキネティックインダクタンスパラメトリック増幅器（TKIP）の利得予測と最適化に利用可能か？
• RQ4 伝搬定数のエンジニアリングが行われていない伝送線路でも、Wバンドにおける四波混合（FWM）による有効なパラメトリック増幅が可能か？
• RQ5 同一チップアーキテクチャが、天体受信機用に位相シフトと増幅の両方の機能を統合した1つの統合デバイスで実現可能か？

主な発見

• プロトタイプのNbベースデバイスは、臨界電流（I*）付近でバイアスした際、90 GHzで予測された約30ラジアンの位相シフトを達成し、位相シフタの動作を検証した。
• 測定された位相シフトは、キネティックインダクタンスの非線形性に基づく理論的予測と整合しており、NbのWバンド周波数におけるモデルの正確性を確認した。
• 二機能設計は、電流可変型位相シフタと将来のTKIP開発のためのプラットフォームとしての両方を成功裏に実証した。
• カスタム波ガイドフィードスルーと冷温パッケージを含む測定セットアップにより、4 Kでの信頼性の高い位相および利得特性評価が可能になった。
• 結果として得られたパラメータ（I*とΔφ_max）は、Wバンドにおける高利得・量子限界感度TKIPの設計に不可欠であり、15 dB以上の利得と0.5 K近いノイズ温度の実現が可能である。
• ASU NanoFabでのプロセスは、将来のWバンドTKIPに適した高品質なNbおよびNbTiN伝送線路を製造可能であると検証された。