[論文レビュー] Corrugated Silicon Platelet Feed Horn Array for CMB Polarimetry at 150 GHz

J. Britton, J. P. Nibarger+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2010

Superconducting and THz Device Technology参考文献 2被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、深浅反応イオンエッチング（DRIE）と金めっきを用いて、150 GHz帯の宇宙背景放射（CMB）偏光測定用に、ウェーパスケールで作製された、溝加工されたシリコンプレートレット駆動ホーンアレイを提示する。高精度なビーム対称性、低クロス偏光（< -23 dB）、低側 lobes（< -25 dB）を実現した。プロトタイプの84要素アレイは、~ -0.2 dBの挿入損失と120–170 GHz範囲で< -20 dBのリターンロスを達成し、電解形成されたホーンと同等の性能を示した。

ABSTRACT

Next generation cosmic microwave background (CMB) polarization anisotropy measurements will feature focal plane arrays with more than 600 millimeter-wave detectors. We make use of high-resolution photolithography and wafer-scale etch tools to build planar arrays of corrugated platelet feeds in silicon with highly symmetric beams, low cross-polarization and low side lobes. A compact Au-plated corrugated Si feed designed for 150 GHz operation exhibited performance equivalent to that of electroformed feeds: ~-0.2 dB insertion loss,

研究の動機と目的

• 次世代CMB偏光測定に適した超伝導検出器アレイと組み合わせ可能なモノリシックでウェーパスケールの駆動ホーンアレイの開発。
• 電解形成技術の限界を克服し、高精度、熱的整合性、高密度に配置された駆動ホーンアレイをシリコンマイクロマシニングにより実現。
• 電解形成ホーンと同等の性能指標（低挿入損失、低リターンロス、低クロス偏光、低側 lobes）を達成。
• 将来のCMB実験（SPTpol や ACTpol など）に向け、最大150 mmの直径までスケーラブルに製造可能なアレイの実現。

提案手法

• フォトレジストで定義された開口部を有する76.2 mmおよび100 mmの直径のウェーパー上、深浅反応イオンエッチング（DRIE）を用いて個々のSiプレートレットを製造。
• 重ね合わせエッチングマスクと2段階DRIEプロセスを用い、最大~50:1の高長さ径比の特徴を±5 µmの横方向分解能で実現。
• エッチング済みSiプレートレットにAuめっきを施し、高表面導電性を持つ導電性で溝加工された波ガイド構造を形成。
• アライメントドーゲルとエポキシ接着剤を用いてプレートレットを積層アレイに組み立て、シリコン上にモノリシックTcS偏光計アレイに統合。
• Sパラメータ測定（S11）および130、150、170 GHzでの遠方フィールドビームパターンのシミュレーションと測定を用いて性能を評価。
• 周波数に依存しない位相中心を達成するため、モードマッチングシミュレーション（Microwave Wizard）を用いてホーン設計を最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 150 GHz帯CMB偏光測定用に、スケールアップ可能なモノリシックシリコンプレートレット駆動ホーンアレイを、電解形成ホーンと同等の性能で作製可能か？
• RQ2 DRIEベースのシリコンマイクロマシニングは、冷温検出器システム用に、高精度、高密度、熱的整合性を有する駆動ホーンアレイをどの程度実現可能にするか？
• RQ3 150 GHz帯で、実装されたシリコンプレートレット駆動ホーンアレイにおける挿入損失、リターンロス、クロス偏光、側 lobes の実現可能なレベルは何か？
• RQ4 ビーム対称性および周波数安定性の観点から、シリコンベースの駆動ホーンアレイは電解形成ホーンと比べてどの程度の性能を示すか？

主な発見

• Auめっきされた溝加工シリコン駆動ホーンは、130 GHzから170 GHzの範囲で~ -0.2 dBの挿入損失を達成し、電解形成ホーンと同等の性能を示した。
• 120–170 GHz帯域全域でリターンロスが< -20 dBであり、優れたインピーダンス整合性と低信号反射を示した。
• 130、150、170 GHzの各周波数帯でクロス偏光レベルが< -23 dBであり、高い偏光純度を確認した。
• 同じ周波数範囲で側 lobes レベルが< -25 dBであり、不要なカップリングとビーム汚染を最小限に抑えた。
• ビーム対称性は優れており、シミュレーションと測定結果の両方で、周波数帯域全域で一貫した対称的メインビームを示した。
• 製造プロセスは最大150 mmの直径のアレイをサポートでき、現在84ホーン（33個のSiプレートレット）を有する50 mmのプロトタイプアレイを製作中である。