[論文レビュー] Development of Lumped Element Kinetic Inductance Detectors for NIKA

M. Roesch, A. Benoı̂t+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2012

Superconducting and THz Device Technology参考文献 6被引用数 28

ひとこと要約

本論文では、IRAM 30メートル望遠鏡におけるNIKA機器向けに、集中定数型運動エネルギーインダクタンス検出器（LEKIDs）の開発と試験が行われた。シリコン基板上に1層のアルミニウムを使用し、共振器の形状、結合、周波数間隔を最適化することで、144ピクセルのアレイで平均光学的NEPが約2×10⁻¹⁶ W/Hz¹ᐟ²に達し、最良のピクセルでは4–8 pWの負荷下で6×10⁻¹⁷ W/Hz¹ᐟ²に達した。

ABSTRACT

Lumped-element kinetic inductance detectors(LEKIDs) have recently shown considerable promise as direct absorption mm-wavelength detectors for astronomical applications. One major research thrust within the Néel Iram Kids Array (NIKA) collaboration has been to investigate the suitability of these detectors for deployment at the 30-meter IRAM telescope located on Pico Veleta in Spain. Compared to microwave kinetic inductance detectors (MKID), using quarter wavelength resonators, the resonant circuit of a LEKID consists of a discrete inductance and capacitance coupled to a feedline. A high and constant current density distribution in the inductive part of these resonators makes them very sensitive. Due to only one metal layer on a silicon substrate, the fabrication is relatively easy. In order to optimize the LEKIDs for this application, we have recently probed a wide variety of individual resonator and array parameters through simulation and physical testing. This included determining the optimal feed-line coupling, pixel geometry, resonator distribution within an array (in order to minimize pixel cross-talk), and resonator frequency spacing. Based on these results, a 144-pixel Aluminum array was fabricated and tested in a dilution fridge with optical access, yielding an average optical NEP of ~2E-16 W/Hz^1/2 (best pixels showed NEP = 6E-17 W/Hz^1/2 under 4-8 pW loading per pixel). In October 2010 the second prototype of LEKIDs has been tested at the IRAM 30 m telescope. A new LEKID geometry for 2 polarizations will be presented. Also first optical measurements of a titanium nitride array will be discussed.

研究の動機と目的

• IRAM 30メートル望遠鏡におけるミリ波長用の直接吸収型検出器としてLEKIDsの開発を目的とする。
• マイクロ波運動エネルギーインダクタンス検出器（MKIDs）の限界を克服するため、集中定数型設計による離散的インダクタンスおよびキャパシタンスの使用を目的とする。
• 共振器の形状、結合、アレイレイアウトのシミュレーションと物理的試験を通じて、検出器性能の最適化を目的とする。
• 大規模アレイにおける多重読み出しのための十分な周波数間隔を確保し、ピクセル間クロストークを最小限に抑えることを目的とする。
• 144ピクセルのアルミニウムLEKIDアレイを冷却器および望遠鏡で試験し、性能を検証することを目的とする。

提案手法

• 単一のアルミニウム層をシリコン基板上に使用することで、簡素でスケーラブルなプロセスを実現し、LEKIDsを設計した。
• フィードラインに結合する離散的インダクタンスおよびキャパシタンスを有する共振回路を採用し、四分の波長MKID設計とは異なる。
• クロストークを最小限に抑えるために、さまざまな共振器形状、フィードライン結合強度、ピクセル配置をシミュレーションおよび試験した。
• 144ピクセルの多重読み出しを可能にするために、周波数間隔を最適化し、スペクトルの重なりを回避した。
• 冷却器に光学アクセスを備えた144ピクセルのアルミニウムLEKIDアレイを製造および試験した。
• チタン窒化物LEKIDアレイの初回光学測定を実施し、新しい二重偏光型幾何形状の試験も行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なミリ波アレイにおいて、高い感度と低いクロストークを実現するためには、LEKID設計をどのように最適化できるか？
• RQ2 単層アルミニウムLEKIDにおいて、信号対雑音比を最大化する最適なフィードライン結合および共振器形状は何か？
• RQ3 144ピクセルのLEKIDアレイは、現実的な光学負荷下で10⁻¹⁶ W/Hz¹ᐟ²未満のNEP性能を達成できるか？
• RQ4 光学試験条件下でのアルミニウムLEKIDsとチタン窒化物LEKIDsの性能を比較すると、どのような差異が生じるか？
• RQ5 天文観測用途における二重偏光検出を可能にするために、LEKIDsにどのような設計変更が必要か？

主な発見

• 144ピクセルのアルミニウムLEKIDアレイは、光学アクセスを備えた冷却器内で平均光学的NEPが約2×10⁻¹⁶ W/Hz¹ᐟ²に達した。
• 最良のピクセルは、1ピクセルあたり4–8 pWの光学負荷下で、光学的NEPが6×10⁻¹⁷ W/Hz¹ᐟ²に達した。
• 単層アルミニウムのプロセスにより、高い出荷率と再現性が達成され、大規模アレイのスケーラブルな生産が可能になった。
• クロストークを最小限に抑えるために、最適な共振器周波数間隔とピクセル配置が特定された。
• チタン窒化物LEKIDアレイの初回光学測定が報告され、将来的な応用に期待が持てた。
• 二重偏光検出を可能にする新しいLEKID幾何形状が開発・試験され、将来的な偏光に敏感な観測が可能になった。