A proof of concept double tone readout for kinetic inductance detector bolometers

Abstract

Microwave kinetic inductance detectors (MKIDs) are a detector technology based on the change of the resonant frequency due to the hit of a photon. This technology is attractive for low-energy detectors as used in astronomy. The MKID technology enables to place multiple detectors in the same feed line, needing a single readout to measure hundreds of detectors.The readout problem needs custom solutions, so the Max-Planck institute built a readout based on an FPGA and GPU called U-board.

This document has as objective the feasibility study of a double-tone readout algorithm for the APEX-MKID camera using this new readout. The phase-readout mathematics is presented, and based on it, a double-tone readout was developed. Two types of double-tone readout were implemented: one places the tones at the same distance of the resonant frequency, and the second places the tones equidistant to the center of the linear phase of the IQ circle.

Sensitivity tests were made to obtain the noise equivalent temperature (NET), obtaining 2.77mK*sqrt(s) for the single-tone and 3.62mK*sqrt(s) and 3.44mK*sqrt(s) for the double-tone modes. As a conclusion, the noise added by doubling the tones overcomes the sensitivity gain of increasing the integration time when having a double-tone readout.

Los detectores de inductancia cinética (MKIDs por sus siglas en inglés) son una tecnología sumamente atractiva para detectores de baja energia, como los requeridos en astronomía. La tecnología MKID permite colocar múltiples detectores en una línea de alimentación, permitiendo que un solo dispositivo de lectura monitoree cientos de detectores. El problema de lectura necesita soluciones dedicadas, por lo que el Max-Planck Institute desarrolló un sistema llamado U-board basado en FPGA y GPU. El objetivo de este documento es el estudio de factibilidad de un algoritmo de lectura de dos tonos para la cámara APEX-MKID usando la U-board. La matemática de la lectura por fase es presentada y a partir de ella se desarrollan dos tipos de lecturas de dos tonos, una coloca los tonos a igual distancia de la frecuencia de resonancia y la segunda los coloca equidistantes al centro de la zona lineal del resonador. Se realizaron pruebas de sensibilidad para calcular la temperatura equivalente de ruido (NET), obteniendo 2.77mK√ s para la lectura de un tono y 3.62mK√ s, 3.44mK√ s para los modos con dos tonos. Los resultados muestran que el ruido añadido por duplicar los tonos supera la ganancia de incrementar el tiempo de integración de tener dos tonos.