Abstract

A picowatt cryogenic radiometer (PCR) has been fabricated at the microscale level for electrical substitution optical fiber power measurements. The absorber, electrical heater, and thermometer are all on a micromachined membrane less than 1 mm on a side. Initial measurements with input powers from 50 fW to 20 nW show a response inequivalence between electrical and optical power of 8%. A comparison of the response to electrical and optical input powers between 15 pW to 70 pW yields a repeatability better than ±0.3% (k=2). From our first optical tests, the system has a noise equivalent power of 5×1015W/Hz at 2 Hz, but simple changes to the measurement scheme should yield an NEP 2 orders of magnitude lower.

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. J. Livigni, C. L. Cromer, T. R. Scott, B. C. Johnson, and Z. M. Zhang, Metrologia 35, 819 (1998).
    [CrossRef]
  2. J. M. Houston and J. P. Rice, Metrologia 43, S31 (2006).
    [CrossRef]
  3. R. Klein, R. Thornagel, and G. Ulm, Metrologia 47, R33 (2010).
    [CrossRef]
  4. A. J. Miller, A. E. Lita, B. Calkins, I. Vayshenker, S. M. Gruber, and S. W. Nam, Opt. Express 19, 9102 (2011).
    [CrossRef]
  5. C. D. Reintsema, J. A. Koch, and E. N. Grossman, Rev. Sci. Instrum. 69, 152 (1998).
    [CrossRef]
  6. S. I. Woods, S. M. Carr, A. C. Carter, T. M. Jung, and R. U. Datla, Proc. SPIE, 7742, 77421P (2010).
    [CrossRef]
  7. D. J. Livigni, N. A. Tomlin, C. L. Cromer, and J. H. Lehman, Metrologia, 49, S93 (2012).
    [CrossRef]
  8. D. Fukuda, N. Zen, M. Ohkubo, H. Takahashi, K. Amemiya, and M. Endo, IEEE Trans. Instrum. Meas. 56, 356 (2007).
    [CrossRef]
  9. K. D. Irwin, Appl. Phys. Lett. 66, 1998 (1995).
    [CrossRef]
  10. G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
    [CrossRef]
  11. D. Drung, C. Hinnrichs, and H. J. Barthelmess, Supercond. Sci. Technol. 19, S235 (2006).
    [CrossRef]
  12. J. H. Lehman, M. Terrones, E. Mansfield, K. E. Hurst, and V. Meunier, Carbon 49, 2581 (2011).
    [CrossRef]
  13. P. L. Richards, J. Appl. Phys. 76, 1 (1994).
    [CrossRef]
  14. K. Irwin and G. Hilton, Transition-Edge Sensors (Springer-Verlag, 2005).

2012 (1)

D. J. Livigni, N. A. Tomlin, C. L. Cromer, and J. H. Lehman, Metrologia, 49, S93 (2012).
[CrossRef]

2011 (2)

J. H. Lehman, M. Terrones, E. Mansfield, K. E. Hurst, and V. Meunier, Carbon 49, 2581 (2011).
[CrossRef]

A. J. Miller, A. E. Lita, B. Calkins, I. Vayshenker, S. M. Gruber, and S. W. Nam, Opt. Express 19, 9102 (2011).
[CrossRef]

2010 (2)

R. Klein, R. Thornagel, and G. Ulm, Metrologia 47, R33 (2010).
[CrossRef]

S. I. Woods, S. M. Carr, A. C. Carter, T. M. Jung, and R. U. Datla, Proc. SPIE, 7742, 77421P (2010).
[CrossRef]

2007 (1)

D. Fukuda, N. Zen, M. Ohkubo, H. Takahashi, K. Amemiya, and M. Endo, IEEE Trans. Instrum. Meas. 56, 356 (2007).
[CrossRef]

2006 (2)

D. Drung, C. Hinnrichs, and H. J. Barthelmess, Supercond. Sci. Technol. 19, S235 (2006).
[CrossRef]

J. M. Houston and J. P. Rice, Metrologia 43, S31 (2006).
[CrossRef]

2001 (1)

G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
[CrossRef]

1998 (2)

C. D. Reintsema, J. A. Koch, and E. N. Grossman, Rev. Sci. Instrum. 69, 152 (1998).
[CrossRef]

D. J. Livigni, C. L. Cromer, T. R. Scott, B. C. Johnson, and Z. M. Zhang, Metrologia 35, 819 (1998).
[CrossRef]

1995 (1)

K. D. Irwin, Appl. Phys. Lett. 66, 1998 (1995).
[CrossRef]

1994 (1)

P. L. Richards, J. Appl. Phys. 76, 1 (1994).
[CrossRef]

Amemiya, K.

D. Fukuda, N. Zen, M. Ohkubo, H. Takahashi, K. Amemiya, and M. Endo, IEEE Trans. Instrum. Meas. 56, 356 (2007).
[CrossRef]

Barthelmess, H. J.

D. Drung, C. Hinnrichs, and H. J. Barthelmess, Supercond. Sci. Technol. 19, S235 (2006).
[CrossRef]

Bergren, N. F.

G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
[CrossRef]

Calkins, B.

Carr, S. M.

S. I. Woods, S. M. Carr, A. C. Carter, T. M. Jung, and R. U. Datla, Proc. SPIE, 7742, 77421P (2010).
[CrossRef]

Carter, A. C.

S. I. Woods, S. M. Carr, A. C. Carter, T. M. Jung, and R. U. Datla, Proc. SPIE, 7742, 77421P (2010).
[CrossRef]

Cromer, C. L.

D. J. Livigni, N. A. Tomlin, C. L. Cromer, and J. H. Lehman, Metrologia, 49, S93 (2012).
[CrossRef]

D. J. Livigni, C. L. Cromer, T. R. Scott, B. C. Johnson, and Z. M. Zhang, Metrologia 35, 819 (1998).
[CrossRef]

Datla, R. U.

S. I. Woods, S. M. Carr, A. C. Carter, T. M. Jung, and R. U. Datla, Proc. SPIE, 7742, 77421P (2010).
[CrossRef]

Deiker, S.

G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
[CrossRef]

Drung, D.

D. Drung, C. Hinnrichs, and H. J. Barthelmess, Supercond. Sci. Technol. 19, S235 (2006).
[CrossRef]

Endo, M.

D. Fukuda, N. Zen, M. Ohkubo, H. Takahashi, K. Amemiya, and M. Endo, IEEE Trans. Instrum. Meas. 56, 356 (2007).
[CrossRef]

Fukuda, D.

D. Fukuda, N. Zen, M. Ohkubo, H. Takahashi, K. Amemiya, and M. Endo, IEEE Trans. Instrum. Meas. 56, 356 (2007).
[CrossRef]

Grossman, E. N.

C. D. Reintsema, J. A. Koch, and E. N. Grossman, Rev. Sci. Instrum. 69, 152 (1998).
[CrossRef]

Gruber, S. M.

Hilton, G.

K. Irwin and G. Hilton, Transition-Edge Sensors (Springer-Verlag, 2005).

Hilton, G. C.

G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
[CrossRef]

Hinnrichs, C.

D. Drung, C. Hinnrichs, and H. J. Barthelmess, Supercond. Sci. Technol. 19, S235 (2006).
[CrossRef]

Houston, J. M.

J. M. Houston and J. P. Rice, Metrologia 43, S31 (2006).
[CrossRef]

Huber, M. E.

G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
[CrossRef]

Hurst, K. E.

J. H. Lehman, M. Terrones, E. Mansfield, K. E. Hurst, and V. Meunier, Carbon 49, 2581 (2011).
[CrossRef]

Irwin, K.

K. Irwin and G. Hilton, Transition-Edge Sensors (Springer-Verlag, 2005).

Irwin, K. D.

G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
[CrossRef]

K. D. Irwin, Appl. Phys. Lett. 66, 1998 (1995).
[CrossRef]

Johnson, B. C.

D. J. Livigni, C. L. Cromer, T. R. Scott, B. C. Johnson, and Z. M. Zhang, Metrologia 35, 819 (1998).
[CrossRef]

Jung, T. M.

S. I. Woods, S. M. Carr, A. C. Carter, T. M. Jung, and R. U. Datla, Proc. SPIE, 7742, 77421P (2010).
[CrossRef]

Klein, R.

R. Klein, R. Thornagel, and G. Ulm, Metrologia 47, R33 (2010).
[CrossRef]

Koch, J. A.

C. D. Reintsema, J. A. Koch, and E. N. Grossman, Rev. Sci. Instrum. 69, 152 (1998).
[CrossRef]

Lehman, J. H.

D. J. Livigni, N. A. Tomlin, C. L. Cromer, and J. H. Lehman, Metrologia, 49, S93 (2012).
[CrossRef]

J. H. Lehman, M. Terrones, E. Mansfield, K. E. Hurst, and V. Meunier, Carbon 49, 2581 (2011).
[CrossRef]

Lita, A. E.

Livigni, D. J.

D. J. Livigni, N. A. Tomlin, C. L. Cromer, and J. H. Lehman, Metrologia, 49, S93 (2012).
[CrossRef]

D. J. Livigni, C. L. Cromer, T. R. Scott, B. C. Johnson, and Z. M. Zhang, Metrologia 35, 819 (1998).
[CrossRef]

Mansfield, E.

J. H. Lehman, M. Terrones, E. Mansfield, K. E. Hurst, and V. Meunier, Carbon 49, 2581 (2011).
[CrossRef]

Martinis, J. M.

G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
[CrossRef]

Meunier, V.

J. H. Lehman, M. Terrones, E. Mansfield, K. E. Hurst, and V. Meunier, Carbon 49, 2581 (2011).
[CrossRef]

Miller, A. J.

Nam, S. W.

A. J. Miller, A. E. Lita, B. Calkins, I. Vayshenker, S. M. Gruber, and S. W. Nam, Opt. Express 19, 9102 (2011).
[CrossRef]

G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
[CrossRef]

Ohkubo, M.

D. Fukuda, N. Zen, M. Ohkubo, H. Takahashi, K. Amemiya, and M. Endo, IEEE Trans. Instrum. Meas. 56, 356 (2007).
[CrossRef]

Reintsema, C. D.

C. D. Reintsema, J. A. Koch, and E. N. Grossman, Rev. Sci. Instrum. 69, 152 (1998).
[CrossRef]

Rice, J. P.

J. M. Houston and J. P. Rice, Metrologia 43, S31 (2006).
[CrossRef]

Richards, P. L.

P. L. Richards, J. Appl. Phys. 76, 1 (1994).
[CrossRef]

Scott, T. R.

D. J. Livigni, C. L. Cromer, T. R. Scott, B. C. Johnson, and Z. M. Zhang, Metrologia 35, 819 (1998).
[CrossRef]

Takahashi, H.

D. Fukuda, N. Zen, M. Ohkubo, H. Takahashi, K. Amemiya, and M. Endo, IEEE Trans. Instrum. Meas. 56, 356 (2007).
[CrossRef]

Terrones, M.

J. H. Lehman, M. Terrones, E. Mansfield, K. E. Hurst, and V. Meunier, Carbon 49, 2581 (2011).
[CrossRef]

Thornagel, R.

R. Klein, R. Thornagel, and G. Ulm, Metrologia 47, R33 (2010).
[CrossRef]

Tomlin, N. A.

D. J. Livigni, N. A. Tomlin, C. L. Cromer, and J. H. Lehman, Metrologia, 49, S93 (2012).
[CrossRef]

Ulm, G.

R. Klein, R. Thornagel, and G. Ulm, Metrologia 47, R33 (2010).
[CrossRef]

Vayshenker, I.

Wollman, D. A.

G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
[CrossRef]

Woods, S. I.

S. I. Woods, S. M. Carr, A. C. Carter, T. M. Jung, and R. U. Datla, Proc. SPIE, 7742, 77421P (2010).
[CrossRef]

Zen, N.

D. Fukuda, N. Zen, M. Ohkubo, H. Takahashi, K. Amemiya, and M. Endo, IEEE Trans. Instrum. Meas. 56, 356 (2007).
[CrossRef]

Zhang, Z. M.

D. J. Livigni, C. L. Cromer, T. R. Scott, B. C. Johnson, and Z. M. Zhang, Metrologia 35, 819 (1998).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

K. D. Irwin, Appl. Phys. Lett. 66, 1998 (1995).
[CrossRef]

Carbon (1)

J. H. Lehman, M. Terrones, E. Mansfield, K. E. Hurst, and V. Meunier, Carbon 49, 2581 (2011).
[CrossRef]

IEEE Trans. Appl. Supercond. (1)

G. C. Hilton, J. M. Martinis, K. D. Irwin, N. F. Bergren, D. A. Wollman, M. E. Huber, S. Deiker, and S. W. Nam, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 739 (2001).
[CrossRef]

IEEE Trans. Instrum. Meas. (1)

D. Fukuda, N. Zen, M. Ohkubo, H. Takahashi, K. Amemiya, and M. Endo, IEEE Trans. Instrum. Meas. 56, 356 (2007).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

P. L. Richards, J. Appl. Phys. 76, 1 (1994).
[CrossRef]

Metrologia (4)

D. J. Livigni, N. A. Tomlin, C. L. Cromer, and J. H. Lehman, Metrologia, 49, S93 (2012).
[CrossRef]

D. J. Livigni, C. L. Cromer, T. R. Scott, B. C. Johnson, and Z. M. Zhang, Metrologia 35, 819 (1998).
[CrossRef]

J. M. Houston and J. P. Rice, Metrologia 43, S31 (2006).
[CrossRef]

R. Klein, R. Thornagel, and G. Ulm, Metrologia 47, R33 (2010).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Proc. SPIE (1)

S. I. Woods, S. M. Carr, A. C. Carter, T. M. Jung, and R. U. Datla, Proc. SPIE, 7742, 77421P (2010).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (1)

C. D. Reintsema, J. A. Koch, and E. N. Grossman, Rev. Sci. Instrum. 69, 152 (1998).
[CrossRef]

Supercond. Sci. Technol. (1)

D. Drung, C. Hinnrichs, and H. J. Barthelmess, Supercond. Sci. Technol. 19, S235 (2006).
[CrossRef]

Other (1)

K. Irwin and G. Hilton, Transition-Edge Sensors (Springer-Verlag, 2005).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a) Photograph of PCR chip (without the absorber) next to a dime for scale. (b) Photograph of the center of the PCR chip showing the membrane, thermometer, and heater (no absorber). (c) Side-view schematic of (b).

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Assembly drawing showing alignment of the fiber core to the center of the radiometer. (b) Simplified schematic of experimental apparatus.

Fig. 3.
Fig. 3.

TES I-V curves for a few applied optical powers. The dashed line is the bias used to measure the response to applied electrical and optical powers. Parasitic resistance on the TES bias line caused an additional 40pW stray power for each curve. (Inset) TES current noise versus frequency at zero applied power.

Fig. 4.
Fig. 4.

(a) PCR electrical-optical response equivalence versus input power for both TES and JNT modes. (b) Estimated NEP obtained from a sliding window on the data in (a). Dashed lines show NEP theory.

Metrics