[논문 리뷰] A Superconducting Phase Shifter and Traveling Wave Kinetic Inductance Parametric Amplifier for W-Band Astronomy

George Che, Samuel Gordon외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 31.

Superconducting and THz Device Technology참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 W-대역 천문학을 위한 이중 기능을 수행하는 초전도체 칩을 제시한다. 이 칩은 온칩 푸리에 변환 분광법을 가능하게 하는 DC 전류 조절식 위상 이동소자와 진행파 운동 에너지 유도성 비선형성에 기반한 파arametric 증폭기(TKIP)를 통합하고 있다. 니오븀 마이크로스트립 라인은 운동 에너지 유도성 비선형성 덕분에 편류에 의해 위상 제어가 가능하며, 임계 전류 근처에서 90 GHz에서 예측된 30 rad의 위상 이동을 달성한다. 이는 75–110 GHz 대역에서 고이득 TKIP 설계의 핵심 매개변수를 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• W-대역(75–110 GHz) 천문 관측을 위한 이중 기능 초전도 회로 개발.
• 온칩 푸리에 변환 분광법(FTS)을 가능하게 하는 전류 조절식 위상 이동소자 구현.
• 진행파 운동 에너지 유도성 비선형성 반응을 통해 파라메트릭 증폭을 검증.
• 미래 고이득 TKIP 최적화를 위해 최대 비선형 위상 이동(Δφ_max) 측정.
• Nb 및 NbTiN 박막을 사용한 W-대역 TKIP의 제조 및 측정 플랫폼 수립.

제안 방법

• SOI 웨이퍼(30 μm 두께의 기판층 포함)에 503 mm 길이의 대칭형 2개의 NbTiN 역전 마이크로스트립 전송선(STLs) 설계.
• 한 쪽 선에 DC 전류를 공급하여 비선형 I* 의존성에 기반한 운동 에너지 유도성 조절을 통해 전파 속도 및 효과적 경로 길이 변화.
• 4 K에서의 냉각 작동을 위한 파장관 포트, 차폐, 전류 분할기(_bias tee_)를 갖춘 3조각의 Nb 코팅 구리 칩 패키지 구현.
• ASU NanoFab에서 DC 스퍼터링 및 접촉 리소그래피를 통해 200 nm 두께의 Nb 필름을 이용한 프로토타입 제조.
• 냉각 온도에서 W-대역 신호를 공급하기 위한 열 절연체와 마이러스트 밀도를 갖춘 고유의 파장관 피드스루 사용.
• W-대역 VNA 연장장치와 전류 분할기를 사용하여 DC 전류 스weep 및 시스템 전송 캘리브레이션을 통한 위상 이동(Δφ) 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전류 조절식 운동 에너지 유도성에 기반한 초전도체 위상 이동소자는 W-대역 주파수에서 온칩 푸리에 변환 분광법을 위한 충분한 위상 이동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 특성 전류 I* 근처에서 비선형 위상 이동(Δφ)은 Nb 마이크로스트립 라인에서 측정 가능한가?
• RQ3 측정된 위상 이동 및 I* 매개변수를 사용하여 90 GHz에서 진행파 운동 에너지 유도성 비선형성 파라메트릭 증폭기(TKIP)의 이득을 예측하고 최적화할 수 있는가?
• RQ4 전송선에서 산란 공학을 적용하지 않았음에도 불구하고 W-대역에서 4파면 혼합(FWM)을 통한 효과적인 파라메트릭 증폭이 가능할 수 있는가?
• RQ5 동일한 칩 아키텍처가 천문학 수신기용 단일 통합 장치에서 위상 조절 및 증폭 기능을 모두 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토타입 Nb 기반 장치는 임계 전류(I*) 근처에서 90 GHz에서 예측된 약 30 rad의 위상 이동을 달성하여 위상 이동소자 기능이 검증되었다.
• 측정된 위상 이동은 운동 에너지 유도성 비선형성에 기반한 이론적 예측과 일치하여, Nb에서 W-대역 주파수에서 모델의 정확성이 확인되었다.
• 이중 목적 설계는 전류 조절식 위상 이동소자와 향후 TKIP 개발을 위한 플랫폼을 성공적으로 구현하였다.
• 고유의 파장관 피드스루 및 냉각 패키징을 포함한 측정 설정은 4 K에서 신뢰성 있는 위상 및 이득 특성 측정을 가능하게 하였다.
• 결과는 W-대역에서 고이득, 양자 한계 감도를 갖춘 TKIP 설계에 필수적인 매개변수(I* 및 Δφ_max)를 제공하며, 잠재적으로 >15 dB 이득 및 0.5 K 근처의 잡음 온도를 달성할 수 있다.
• ASU NanoFab에서의 제조 공정은 향후 W-대역 TKIP에 적합한 고품질 Nb 및 NbTiN 전송선 제조를 검증하였다.