[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出一种用于W波段天文观测的双功能超导芯片，集成了直流电流可调谐相位移器（用于片上傅里叶变换光谱仪）和行波动能电感参量放大器（TKIP）。该器件采用Nb微带线，其动能电感的非线性特性使相位可通过偏置电流调控，在接近临界电流时于90 GHz频率下实现预测的30 rad相位移，验证了在75–110 GHz频段实现高增益TKIP设计的关键参数。

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.

研究动机与目标

• 开发用于W波段（75–110 GHz）天文观测的双功能超导电路。
• 展示一种电流可调谐相位移器，以实现片上傅里叶变换光谱仪（FTS）。
• 验证行波动能电感参量放大器（TKIP）中动能电感的非线性响应以实现参量放大。
• 测量最大非线性相位移（Δφ_max），以优化未来高增益TKIP的设计。
• 建立基于Nb和NbTiN薄膜的W波段TKIP的制造与测量平台。

提出的方法

• 在SOI晶圆（30 μm器件层）上设计一对对称的503 mm长NbTiN倒置微带传输线（STLs）。
• 通过在一条传输线上施加直流偏置电流，利用非线性I*依赖关系调制其动能电感，从而改变相位速度和有效路径长度。
• 采用三段式Nb包覆铜芯片封装，集成波导端口、扼流结构和偏置耦合器，实现4 K低温下的稳定工作。
• 在ASU NanoFab中利用直流磁控溅射和光刻技术，采用200 nm Nb薄膜制造原型器件。
• 采用定制波导馈入结构，集成热阻断和聚酯薄膜真空窗，实现在低温环境下的W波段信号传输。
• 使用W波段矢量网络分析仪扩展器和偏置耦合器，扫描直流电流并测量相位移（Δφ）随偏置电流的变化，校准系统传输特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于电流可调谐动能电感的超导相位移器是否能在W波段频率下实现足够大的相位移，以支持片上傅里叶变换光谱仪？
• RQ2 当Nb微带线在特征电流I*附近偏置时，其可测量的非线性相位移（Δφ）是多少？
• RQ3 测量得到的相位移和I*参数是否可用于预测并优化90 GHz频率下行波动能电感参量放大器（TKIP）的增益？
• RQ4 在传输线中未进行色散工程设计的情况下，是否仍可通过四波混频（FWM）实现有效的参量放大？
• RQ5 同一芯片架构是否能够在一个集成器件中同时支持相位调制与放大功能，适用于天文接收机？

主要发现

• 当在临界电流（I*）附近偏置时，基于Nb的原型器件在90 GHz频率下实现了约30 rad的预测相位移，验证了相位移器的正常工作。
• 实测相位移与基于动能电感非线性的理论预测一致，证实了该模型在W波段频率下对Nb材料的准确性。
• 双功能设计成功实现了电流可调谐相位移器，并构建了未来TKIP研发的平台。
• 测量系统（包括定制波导馈入结构和低温封装）可在4 K下实现可靠的相位与增益表征。
• 研究结果提供了设计高增益、量子极限灵敏度TKIP的关键参数（I*和Δφ_max），有望实现>15 dB增益和接近0.5 K的噪声温度。
• 在ASU NanoFab中建立的制造工艺已验证可用于制备高质量Nb和NbTiN传输线，适用于未来W波段TKIP的开发。