Universität zu Köln

Büchel, Denis Fabian (2017). Hot Electron Bolometer Mixers for THz Arrays. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The focus of this thesis is the development of superconducting Hot Electron Bolometer (HEB) waveguide mixers for heterodyne array (multi-pixel) receivers in the frequency range of 2 to 5 Terahertz (THz). These mixers are developed for the 2 x 7 pixel Low Frequency Array (LFA) channel (1.9 THz) and the single pixel H-channel (4.7 THz) of the German REceiver for Astronomy at Terahertz frequencies (GREAT). GREAT operates on the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) on board of an airplane and is a very high spectral resolution (~ 10^7) receiver which allows the observations of the interstellar medium by detection of atomic and molecular line transitions in the range of 1.2 - 4.7 THz. For the LFA at 1.9 THz, in total 34 mixers are manufactured and characterized. 14 of them are currently in operation as a part of the upGREAT receiver channels for GREAT. For the H channel, a single mixer and a spare one are developed and characterized. Previously developed HEB mixers for GREAT, were based on NbTiN as microbridge film material, which resulted in an instantaneous intermediate frequency (IF) noise bandwidth limit of about 2 GHz. The HEB mixer is the component of a heterodyne receiver that limits the instantaneous bandwidth for observations. A minimum bandwidth is required to cover the full Doppler-broadened spectra of e.g. extragalactic sources. Based on the success of previous studies from other groups, NbN was selected for the new generation of upGREAT mixers. The HEB mixers based on a NbN film, with a volume of 4.0 nm x 400 nm x 3100 nm showed a significantly higher LO power requirement compared to the NbTiN mixers. Due to the limited available LO power at GREAT, new wafers with a reduced HEB volume (3.5 nm x 200 nm x 3050 nm) were processed. The LO power requirement was indeed reduced to an average value of 3 times the power needed for NbTiN mixer. In total 20 of these mixers were fabricated and characterized for the commissioning of LFA and the 14 best performing mixers were delivered to GREAT. Another wafer was processed which had the same HEB volume as the previous one but with a slightly thinner film NbN. The LO power requirement for HEB mixers made of this film reduced the averaged value to 0.3 µW, which is comparable to the NbTiN HEB mixers. A further 14 mixers were fabricated and characterized, which now populate 7 mixers of the LFA. For all wafers, the measured noise temperature of the mixers made of NbN and NbTiN, is surprisingly similar. The average measured mixer noise temperature is (430 +/- 20) K and the gain is of (-5.9 +/- 0.2) dB with an averaged IF noise bandwidth of (3.9 +/- 0.1) GHz for mixers from the last two production wafers. The NbTiN mixer had an averaged measured mixer noise temperature of about (500 +/- 50) K and a gain of about (-10 +/- 1) dB with an IF noise bandwidth of (2.1 +/- 0.2) GHz. The measured results show that the NbN HEB mixers are generally superior to NbTiN HEB because the bandwidth is higher and noise temperature is lower. A heterodyne characterization setup has been developed to enable repeatable and well-calibrated measurements of the mixer sensitivity and bandwidth. The IF output chain was optimized to cover the noise bandwidth of the mixer between 0.5 - 5 GHz. Furthermore, the fabrication and assembly of mixer blocks and horn clamps went through a rigorous specification and verification procedure that was set-up together with the in-house mechanical workshop and the group's technician. An empirical investigation of the extended collected data set is performed for the 1.9 THz measurements. The required local oscillator power (P_{LO}) depends in first order linearly on the critical current (I_c) for devices of the same wafer. The slope of P_{LO} (I_c) is wafer dependent. The heat balance equation of the lumped element model is used to calculate theoretically the P_{LO} as a function of I_c. This simple theoretical model does not provide sufficient accuracy for calculation of the P_{LO}. Furthermore, the noise temperature is about a factor of 5 higher than the theoretical value and the mixer gain is about 1 to 3 dB higher. The single mixer for the GREAT 4.7 THz channel is based on the thicker NbN film of the early wafers because sufficient LO power is available for this single mixer from a Quantum Cascade Laser (QCL) LO. The measured receiver noise temperature in GREAT at an IF of 0.5 GHz is about 900 K. This receiver sensitivity is comparable to the measured receiver noise temperature of the 1.9 THz mixers for LFA of 800 K. Both receiver channels have a state of the art performance. Based on the experience with the new mixers we can conclude that the reduction of the LO power consumption of a NbN HEB mixer by a factor of 10 by adapting the film parameters and the bolometer dimensions does not change the sensitivity. Both receiver channels of GREAT, the H-channel and the LFA are successfully commissioned in 2014 and 2015 and provided a wealth of astronomical data.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung von supraleitenden Hot Electron Bolometern (HEB), welche als Waveguide-Mischer für Heterodyne-Array (Multi-Pixel) Empfänger im Frequenzbereich von 2 bis 5 Terahertz (THz) eingesetzt werden. Diese Mischer werden für den 2 x 7 Pixel Low Frequency Array (LFA) Kanal (1,9 THz) und den Singlepixel H-Kanal (4,7 THz) des German REceiver for Astronomy at Terahertz frequencies (GREAT) entwickelt. GREAT ist am Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) an Bord eines Flugzeugs im Einsatz. GREAT hat eine sehr hohe spektrale Auflösung (~ 10^7), die es ermöglicht, Beobachtungen des interstellaren Mediums durchzuführen und Linienemission atomarer und molekularer Übergänge im Bereich von 1,2 - 4,7 THz zu vermessen. Für den LFA Kanal bei 1,9 THz wurden insgesamt 34 Mischer hergestellt und charakterisiert, davon sind 14 derzeit in Betrieb. Für den H-Kanal wurde ein Flug-Mischer und ein Backup-Mischer entwickelt und charakterisiert. Die bisher entwickelten HEB-Mischer für GREAT basierten auf NbTiN als Filmmaterial für die Micro-Brücken, was zu einer Zwischenfrequenz (ZF) Rauschbandbreite von etwa 2 GHz führte. Der HEB Mischer ist die Komponente eines heterodyne Empfängers, welche die instante Bandbreite für die Beobachtungen limitiert. Ein Minimum der Bandbreite wird benötigt um die vollen Doppler-verbreiterten Spektren von z.B. extragalaktischen Quellen beobachten zu können. Basierend auf früheren erfolgreichen Studien von anderen Gruppen wurde NbN ausgewählt um die upGREAT Mischer mit neuen Mischern auszustatten. Allerdings benötigen die HEB-Mischer auf Basis eines NbN-Films mit einem Volumen von 4,0 nm x 400 nm x 3100 nm im Vergleich zu den NbTiN-Mischern eine deutlich höhere LO-Leistungs. Aufgrund der begrenzten LO-Leistung bei GREAT wurden daher neue Wafer mit einem reduzierten HEB-Volumen (3,5 nm x 200 nm x 3050 nm) hergestellt. Der Bedarf an LO-Leistungs konnte dadurch um einen Faktor 3 im Vergleich zu dem NbTiN-Mischer benötigten Leistung reduziert werden. Insgesamt wurden 20 dieser Mischer hergestellt und für die Inbetriebnahme von LFA charakterisiert. Die 14 leistungsstärksten Mischer wurden an GREAT geliefert. Ein weiterer Wafer wurde hergestellt, welcher das gleiche HEB-Volumen wie die vorherige hatte, aber mit einen etwas dünneren NbN Film. Der LO-Leistungsbedarf für HEB-Mischer aus diesem Film ist auf durchschnittlich 0,3 µW reduziert worden, ähnlich dem der bisherigen NbTiN HEB-Mischer. Es wurden weitere 14 Mischer hergestellt und charakterisiert, von denen nun 7 Mischer im LFA verwendet werden. Für alle gemessen NbTiN und NbN Mischer sind die Empfindlichkeiten, basierend auf den gemessen Rauschtemperatur, überraschend ähnlich. Die durchschnittliche gemessene Mischer-Rauschtemperatur beträgt (430 +/- 20) K und die Verstärkung (-5.9 +/- 0.2) dB mit einer gemittelten IF-Rauschbandbreite von (3.9 +/- 0.1) GHz für Mischer der beiden letzten Produktions-Wafern. Der NbTiN-Mischer hat eine gemittelte gemessene Mischer-Rauschtemperatur von etwa (500 +/- 50) K und eine Verstärkung von etwa (-10 +/- 1) dB mit einer IF-Rauschbandbreite von (2.1 +/- 0.2) GHz. Die gemessenen Ergebnisse zeigen, dass die NbN-HEBs im Vergleich zu den NbTiN HEB Mischer bevorzugt wurden, da die Bandbreite größer und die Rauschtemperatur niedriger ist. Außerdem wurde ein Heterodyne-Charakterisierungs-Setup entwickelt, um wiederholbare und gut kalibrierte Messungen der Mischer Empfindlichkeit und Bandbreite zu ermöglichen. Die ZF-Ausgangskette wurde optimiert, um die Rauschbandbreite des Mischers zwischen 0,5 - 5 GHz abzudecken. Darüber hinaus führte die Fertigung und Montage von Mischerblöcken und Hornklemmen durch ein genaues Spezifikations- und Verifizierungsverfahren, das zusammen mit der hauseigenen mechanischen Werkstatt und dem Techniker der Gruppe entwickelt wurde. Für die 1,9 THz-Messungen wurde eine empirische Untersuchung der erweiterten gesammelten Datensatzes durchgeführt. Die erforderliche Leistung des lokale Oszillatorleistung (P_{LO}) hängt in der ersten Ordnung linear von dem kritischen Strom (I_c) des Mischers vom gleichen Wafers ab. Die Steigung von P_{LO} (I_c) ist vom Wafer abhängig. Die Wärmebilanzgleichung des Lumped Element Modell wurde verwendet, um die theoretisch P_{LO}$ als Funktion von I_c zu berechnen. Dieses einfache theoretische Modell liefert keine ausreichende Genauigkeit für die Berechnung des P_{LO}. Die Rauschtemperatur ist um einen Faktor 5 höher als der theoretische Wert und die Mischer Verstärkung ist um etwa 1 bis 3 dB erhöht. Der Mischer für den GREAT 4.7 THz Kanal basiert auf dem dickeren NbN-Film der frühen Wafer, da für diesen Mischer von einem Quantenkaskadenlaser (QCL) LO genügend Leistung zur Verfügung steht. Die gemessene Empfängerrauschtemperatur in GREAT bei einem ZF von 0,5 GHz beträgt etwa 900 K. Diese Empfangsempfindlichkeit ist vergleichbar mit der gemessenen Empfängsrauschentemperatur der 1,9 THz Mischer für LFA von 800 K. Beide Empfängerkanäle sind auf dem aktuellsten Stand der Technik. Basierend auf den Erfahrung mit den neuen Mischern, können wir feststellen, dass die Verringerung des LO-Leistungsverbrauchs eines NbN HEB-Mischers um den Faktor 10 durch Anpassung der Filmparameter und der Bolometer Abmessungen, die Empfindlichkeit nicht verändert. Beide Empfängerkanäle von GREAT, H-Kanal und LFA, wurden in den Jahren 2014 und 2015 erfolgreich in Betrieb genommen und lieferten eine Fülle astronomischer Daten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Büchel, Denis Fabian denisbuechel@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-77163
Date:	8 April 2017
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language superconducting heterodyne frequency mixers, hot electron bolometer mixer, terahertz radiation, array receiver English Supraleitende Heterodynfrequenzmischer, Hot Electron Bolometer Mischer, Terahertz Strahlung, Array Empfänger German
Date of oral exam:	27 June 2017
Referee:	Name Academic Title Stutzki, Jürgen Prof. Dr. Zilges, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7716