[论文解读] 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 28

一句话总结

本文介绍了在IRAM 30米望远镜上用于NIKA仪器的集总元件动能感应探测器（LEKIDs）的开发与测试。利用单层铝膜在硅基板上，团队优化了谐振器几何形状、耦合方式及频率间隔，在144像素阵列中实现了平均光学NEP约为~2×10⁻¹⁶ W/Hz¹ᐟ²，最佳像素在4–8 pW负载下达到6×10⁻¹⁷ W/Hz¹ᐟ²的性能。

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.

研究动机与目标

• 开发LEKIDs作为IRAM 30米望远镜上直接吸收式亚毫米波长探测器的天文应用。
• 通过采用集总元件设计中的离散电感与电容，解决微波动能感应探测器（MKIDs）的局限性。
• 通过谐振器几何形状、耦合方式及阵列布局的仿真与物理测试，优化探测器性能。
• 最小化像素间串扰，并在大阵列中确保足够的频率间隔，以实现多路复用读出。
• 通过在稀释制冷机和望远镜上测试144像素铝LEKID阵列，验证性能。

提出的方法

• 采用单层铝膜在硅基板上设计LEKIDs，以实现简单且可扩展的制造工艺。
• 采用包含离散电感与电容的谐振电路，并与馈线耦合，区别于四分之一波长的MKID设计。
• 通过仿真与测试多种谐振器几何形状、馈线耦合强度及像素分布，以最小化串扰。
• 优化谐振器频率间隔，以实现在144像素无频谱重叠情况下的多路复用读出。
• 在具有光学通孔的稀释制冷机中制造并测试了144像素铝LEKID阵列。
• 首次进行了氮化钛LEKID阵列的光学测量，并测试了一种新型双极化几何结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化LEKID设计，以在大格式亚毫米波阵列中实现高灵敏度与低串扰？
• RQ2 在单层铝LEKID中，最大化信噪比的最优馈线耦合方式与谐振器几何形状为何？
• RQ3 144像素LEKID阵列在真实光学负载条件下能否实现低于10⁻¹⁶ W/Hz¹ᐟ²的NEP性能？
• RQ4 在光学测试条件下，铝LEKIDs与氮化钛LEKIDs的性能相比如何？
• RQ5 为实现天文应用中的双极化探测，LEKIDs需要哪些设计改进？

主要发现

• 144像素铝LEKID阵列在具有光学通孔的稀释制冷机中实现了平均光学NEP约为~2×10⁻¹⁶ W/Hz¹ᐟ²。
• 最佳性能像素在每像素4–8 pW光学负载下，实现了6×10⁻¹⁷ W/Hz¹ᐟ²的光学NEP。
• 单层铝制造工艺实现了高良率与可重复性，支持大规模阵列生产。
• 确定了最优的谐振器频率间隔与像素分布，以最小化密集阵列中的串扰。
• 首次报告了氮化钛LEKID阵列的光学测量结果，显示出未来应用的潜力。
• 开发并测试了一种新型用于双极化探测的LEKID几何结构，为未来的偏振敏感观测铺平道路。