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...
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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
2016 April 20 レーザー研シンポジウム 大阪大学銀杏会館 2
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