電波天文におけるテラヘルツ技術 の重要性とアルマでの...

2016 April 20 レーザー研シンポジウム 大阪大学銀杏会館 1

電波天文におけるテラヘルツ技術の重要性とアルマでのテラヘルツ

デバイスの進展

情報通信研究機構 テラヘルツ研究センター国立天文台 チリ観測所

鵜澤佳徳

内容

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電波天文とALMA望遠鏡ALMAフロントエンドシステムBand 10受信機システムと性能試験観測結果例今後の展望

宇宙からのテラヘルツ波をセンシング（電波天文学)

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電波天文観測で取得される情報Observation

観測波長ミリ波・サブミリ波 (0.3 mm-10 mm)

アプリケーション・電波天文・情報通信・大気観測・イメージング

観測する情報: 電波∈電磁波周波数f、位相φ，強度A，空間r ，偏波などの情報を解析．

電場 E

磁場 Hz

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電波望遠鏡開発の歴史とALMA

• 1931年のカール・ジャンスキー氏による宇宙電波発見以来，電波天文学は電波写真の解像度・感度との戦い(可視光と比較して弱点)であった。

=>その集大成がALMA

2016 March 17-18 Spain-Japan Joint Workshop on MM-wave and THz 6

– The number of antennas：66 (12 m x 54, 7m x 12)– Angular Resolution：0.01 arcsec (10 times better

than the Hubble Space Telescope)– Sensitivity： About 30 to 100 times better than

current radio telescopes.

Performance

Credit: Clem & Adri Bacri-Normier (wingsforscience.com)/ESO

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Operation Support Facility (OSF)

Remotely operated fromOSF Control room (2900 m)

At AOS (5000m)

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Overview of the ALMA project

• International Project− 20 countries (Japan, Taiwan, Korea, U.S., Canada, 16

European nations, and Chile)− Constructed

in Chile− 4 regions East Asia

NAOJ North America

AUI/NRAO Europe

ESO Chile

Joint ALMA Observatory (JAO)

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offers the exceptionally dry and clear sky required to operate at millimeter and submillimeter wavelengths.

Overview of the ALMA project

• Location

Observation

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Band 1 Band 6Band 2 Band 7Band 3 Band 8Band 4 Band 9Band 5 Band 10

Band 1 Band 6Band 2 Band 7Band 3 Band 8Band 4 Band 9Band 5 Band 10

Covers atmospheric windows of 31.5-950 GHz by 10 receiver bands.

10 Rxs in ALMA cryostat

Correlator

Antennas

Band 2 is to be decided.

Credit: Mabuchi design office

Image

Credit: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)Credit: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)

光技術による基準信号

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Proto-planetary disks observationSimulation

Conventional radio telescope

ALMA（at Band 10）

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The latest real observation imageNov 06, 2014

Revolutionary ALMA Image Reveals

Planetary Genesis(Band 6 was used)

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Band 10 can achieve 3.5 times better

resolution !!おうし座HL星を取り巻く塵の円盤円盤にいくつもの隙間が見える。

惑星が成長している証拠？

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惑星の誕生現場に「糖」を発見今まさに惑星が作られつつある領域に、最も単純な糖類分子（グリコールアルデヒド）を初めて発見。

生命とかかわりの深い分子が、惑星が作られる領域にあることがわかった。↓

分子は惑星に降り積もっていく。「地球生命の起源は宇宙？」という疑問の答えを考えるヒント。へびつかい座の星形成領域の赤外線

写真。左の四角の中に、今回糖が発見された惑星誕生現場がある。

Jørgensen et al. Astrophysical Journal Letters 2012

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Band 10 major technical specifications

Item Specification1. Observation frequency 787-950 GHz (above the gap freq. of Nb!!)2. Cartridge IF output 4-12 GHz for DSB3. Receiver noise

performance< 230 K (5 hf/kB) (over 80% of 787-905 GHz) < 344 K (full band)

4. IF ripple < 4.0 dB/2 GHz, <6.0 dB/8 GHz5. Gain compression < 5% between 77 and 373 K6. Amplitude stability 0.05 and 100 sec < 4.0 x 10-7

300 sec < 3.0 x 10-6

7. Signal path stability < 3 degree/5 minutes8. RF aperture efficiency > 80% at the subreflector9. Beam squint separation < 10% FPBW on the sky10. Polarization efficiency > 99.5% (23 dB)

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Noise spec. and superconducting technol.

NbTiNQuartz

Nb Junction

SiO2Aluminum

Quartz

Nb Nb Junction

SiO2

1

10

100

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4Loss

[dB/

wav

elen

gth]

Frequency [THz]

Nb/Nb

Al/NbTiN

Al/Al

0 200 400 600 800 10000

100200300400500600

Schottkydiodemixers

9

Rec

eive

r noi

se te

mp.

(K)

Frequency (GHz)

3hf/kB

Band 10

876543

All Nb

Nb gap frequency

Nb junctions, Al/NbTiN hybridmicrostriplines

Below 700 GHz 700-1000 GHz

Loss in transmission lines

SIS mixer device structure

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Band 10 major technical specifications

Item Specification1. Observation frequency 787-950 GHz (above the gap freq. of Nb!!)2. Cartridge IF output 4-12 GHz for DSB3. Receiver noise

performance< 230 K (5 hf/kB) (over 80% of 787-905 GHz) < 344 K (full band)

4. IF ripple < 4.0 dB/2 GHz, <6.0 dB/8 GHz5. Gain compression < 5% between 77 and 373 K6. Amplitude stability 0.05 and 100 sec < 4.0 x 10-7

300 sec < 3.0 x 10-6

7. Signal path stability < 3 degree/5 minutes8. RF aperture efficiency > 80% at the subreflector9. Beam squint separation < 10% FPBW on the sky10. Polarization efficiency > 99.5% (23 dB)

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Schematic diagram of receiver

SISMixer

IF System

LocalOsc.

RFOptics

fLO:799-938 GHz

fS:787-950 GHzRF Signal

fIF =|fLO- fS|: 4-12 GHzIF Output

Temp.: tINLoss: LIN

Noise Temp.: TMIXConv. Loss: LMIX

Noise Temp.:TIFGain: GIF

Receiver noise temperature: TRX

TRX = tIN(LIN-1) + LINTMIX + LINLMIXTIF < 230 K

超高周波半導体技術、超伝導技術が不可欠

ALMA receivers

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バンド１０

バンド９

バンド７

バンド８

Millimeter-wave sources (NRAO)

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Verification at OSF (2900 m)

Block diagram

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23

Wire grid

4K stage

15K stage

110K stage

300K inside dewar

300K outside dewar

Window and

IR filters

Pol. 1

Pol. 0

x3

x3

SIS Mixer

Wband　Osc.

SIS MIXER

x3multiplier

x3multiplier

DC Bias

LO:799-938GHz

IF: 4-12GHz

IF:4-12GHz30

0K B

ase

Plat

e

RF

LO IF

IF

LO

RF P1 OUTPUT

LO cont.

P0 OUTPUT

DC cont.

LO:7

99-9

38GH

z

RF:787-950GHz

88.7-104.3GHz

Cartr

idge

I/F

RF signal path

Mirror 1

Mirror 2

Wire grid

Mixer P0

Mixer P14-12GHz

Cryo. Isolator

4-12GHz

Cryo. Low Noise Amplifier

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Wire grid

4K stage

15K stage

110K stage

300K inside dewar

300K outside dewar

Window and

IR filters

Pol. 1

Pol. 0

x3

x3

SIS Mixer

Wband　Osc.

SIS MIXER

x3multiplier

x3multiplier

DC Bias

LO:799-938GHz

IF: 4-12GHz

IF:4-12GHz

300K

Bas

e Pl

ate

RF

LO IF

IF

LO

RF P1 OUTPUT

LO cont.

P0 OUTPUT

DC cont.

LO:7

99-9

38GH

z

RF:787-950GHz

88.7-104.3GHz

Cartr

idge

I/F

Nonupler

4K stage

110K stage

LO mirror 3

LO mirror 3

LO mirror 4

LO mirror 4 799-938GHz

15K stage

88.7-104.3GHz

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Mixer block

LO horn

13dB coupler

RF

LO

LO horn

RF horn

Port 1 Port 2

Port 3Port 4

RF in

LO in

Mixer chip

Termination

100 µm

Port 1

Port 4

RF in

LO in

RF

LO

100 µm

SIS device

Terminator

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Mixer chip

JC~10 kA/cm2

超伝導集積回路

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高出力ミリ波源

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CREDIT: NRAO/AUI/NSF

YTO

AMC

PAM. Morgan, et al, IEEE Int. Microwave Symp. Dig., June 2005

YTO AMCPA

x2 x3

開発されたMMICチップ

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2 mm

UMS BES Shottky-Diode MMIC process

2 mm

BAE Systems,70-nm gate-length GaAs MMIC process,M. Morgan et al, IEEE Int. Microwave Symp. Dig., June 2009

IN OUT 0

OUT 1

超低雑音マイクロ波MMIC技術

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0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Frequency (GHz)

Noi

se T

emp(

K)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Gai

n[dB

]

Bias1 Noise Bias 2 NoiseBias1 Gain Bias2 Gain

4-12GHz LNA #111D at 16K MMIC WBA13 R2C1M0 CIT-4254-077

Bias 1: Vd=1.2V, Id=20mA , Vg1=2V, Vg2=2VBias 2: Vd=1V, Id=10mA , Vg1=1.7V, Vg2=1.7V

Date : JAN-11-2007

カリフォルニア工科大学 Weinreb教授が設計MMICをノースロップグラマン社が製造

Use of THz-TDS system

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Terahertz Time Domain Spectroscopy– Amplitude & Phase in Transmission can be obtained by

FFT from the time domain waveform.

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Mixer chip

Waveguide

300 µmBondingwires

Quartz substrateAl, NbTiN

Quartz vacuum window with AR coarting

IR filters (Mupor)

0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

1

2

3

4

Measured (σ1, σ2) M-B (σ1, σ2) M-B with τS (σ1, σ2)

σ 1, σ 2 (

x 10

6 Ω-1m

-1)

Frequency (THz)

σsuper = σ1 - iσ2

Material characterization by THz-TDS

量産した受信機と雑音性能

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73台をチリに出荷

800 820 840 860 880 900 92050100150200250300350400

3hf/kB

Min-to-Max Spec 100% Average Spec 80%

DSB

noise

tem

pera

ture

(K)

LO frequency (GHz)

73 receivers (146 IF outputs)

全てで仕様を達成

Noise performance status

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0 200 400 600 800 10000

200

400

600

800

1000

1200

Schottkydiodemixers 9

DSB

noi

se te

mpe

ratu

re (K

)

LO frequency (GHz)

NAOJ (Nb) NRAO (Nb) IRAM (Nb) SRON (Nb) SRON (NbTiN) Caltech QO (NbTiN) NAOJ (NbTiN)

3hν/kB

Band 10876543

Best in the world !!

First light (2012 Nov.)

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First fringes (2013 Oct.)

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Spectrum and phase from Orion KL

Birth of Highest Frequency Radio Interferometer

First image (2014 Sept.)

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The planet Uranus taken with the ALMA Band10 receivers

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

ALMAの弱点

• 視野が非常に狭い（高解像度ゆえ）ため、マッピングに長い観測時間を要する。

• 最新の超高速無線通信技術で克服できないか？

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情報通信と天文観測の方向性

• 実は共に電磁波に乗せた（乗った）大容量の情報を高速で取り扱いたい。

– 高周波化

– 多ピクセル化

– 広帯域化

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共通のトレンド

最新のフォトニクス技術、半導体および超伝導エレクトロニクス技術などを融合した革新的な観測装置の実現