Annular antenna array metamaterial with SINIS bolometers

Abstract

We fabricated and experimentally studied a wideband metamaterial comprising a 2D array of annular antennas with Superconductor-Insulator-Normal metal-Insulator-Superconductor (SINIS) bolometers. The annular antenna array metamaterial was designed for a frequency range of 300–450 GHz and consists of periodically arranged electrically small rings, each containing two or four SINIS bolometers connected in series or parallel. These periodic structures with a unit cell size of about one-tenth of a wavelength act as a distributed absorber and receive two orthogonal polarizations. The unit’s small cell size provides a higher density of bolometers and therefore increases the bandwidth and the dynamic range of a single pixel. Theoretical estimates at a central frequency of 345 GHz yield absorption efficiencies of over 80% of the incident RF power within the 300–450 GHz frequency range. The average absorption by the metamaterial matrix in the given frequency band is at least twice as high in comparison to the half-wave circle matrix. We measured the optical response at sample temperatures as low as 100 mK using a quasi-optical setup that consisted of an immersion sapphire lens, bandpass mesh filters, and a variable temperature cryogenic blackbody radiation source. The measured series array voltage responsivity was 1.3 × 109 V/W for radiation temperatures ranging from 2 K to 7.5 K. The current responsivity for the parallel array was 2.4 × 104 A/W at a bath temperature of 100 mK. The spectral response was measured in a 240–370 GHz range with a Backward Wave Oscillator radiation source. The measured equivalent temperature sensitivity could be reduced to 100 μK/Hz1/2 at a 2.7 K radiation temperature level, a value that is suitable for anisotropy measurements in cosmic microwave background radiation.

Спектральный Отклик Матриц Полуволновых И Электрически Малых Антенн С Синис-Болометрами

“…Расчет матриц электрически малых антенн был сделан в трех приближениях. Первые два (упрощенные модели): аналитическая модель сосредоточенных элементов и численная модель бесконечной матрицы с периодическими граничными условиями для каждой одиночной ячейки [7,14]. В нашем дизайне внешний диаметр кольца R равен 54 µm и ширина кольца r равна 15 µm, что дает индуктивность для пленки из золота L = µ 0 R[ln(8R/r) − 1.75] = 54.6 pH (здесь µ 0магнитная проницаемость вакуума).…”

“…Подобный расчет был сделан для первоначальной оценки. Численное моделирование с использованием периодических граничных условий (как было сделано ранее в [7,14]) подходит лишь для расчета фазированных антенных решеток. Полученная гладкая зависимость (рис.…”

“…Главным достоинством КИДов является низкий уровень собственных шумов в силу отсутствия шума Найквиста, но абсолютная величина отклика кинетической индуктивности мала. Эти недостатки отсутствуют в предлагаемых болометрах структуры сверхпроводник-изолятор-нормальный метал-изолятор-сверхпроводник (СИНИС) [6,7]. Одиночный СИНИС-болометр насыщается на уровне мощности менее 1 pW.…”

“…Вольтваттная чувствительность оказалась достаточно высокой, при этом спектральная характеристика стала более равномерной. Это натолкнуло на решение пропорционально уменьшить диаметр колечек для приема сигнала на 350 GHz, т. е. до 50 µm, что и было реализовано в наших матрицах метаматериалов для трех типов антенн диаметром 50−60 µm [7].…”

Arrays of Sub-Terahertz Cryogenic Metamaterial

“…As reported in [4], the SINIS parameters of responsivity dV/dP ∼ = 10 9 V/W and NEP < 10 −16 W/Hz 1/2 can be improved by using microwave superconducting quantum interferometer (SQUID) readout electronics. Integrating SINIS detectors in a series or parallel matrices [5,6] improves the dynamic range and allows for their use in ground-based observatories with a background power load of tens of picowatts.…”