摘要： 太赫兹波段占有宇宙微波背景（ CMB） 辐射以后宇宙空间近一半的光子能量，该波段在天文学研究中具有不可替代的作用，因此太赫兹天文学的研究，具有极其重要的科学意义。本文系统介绍了基于超高灵敏度太赫兹超导探测技术的太赫兹相干探测器发展状况，包括超导隧道结混频器（ SIS） 和超导热电子混频器（ HEB） ,以及以超导动态电感探测器（ MKIDs） 和超导相变边缘探测器（ TES） 为代表的非相干探测器的研究。在此基础上，展望了该领域未来发展趋势，对我国太赫兹天文探测技术的发展具有一定的参考意义。
关 键 词： 太赫兹； 超导； 相干探测； 非相干探测。
1 引 言
1. 1 太赫兹天文及大气科学从 20 世纪 90 年代以来，国际上太赫兹频段的一系列重要天文观测发现已经冲击了天体物理各个层次的研究。太赫兹波段占有宇宙微波背景（ CMB） 辐射以后宇宙空间近一半的光子能量，该波段在天文学研究中具有不可替代的作用。例如，位于夏威夷 Muna Kea 的 JCMT 望远镜的SCUBA 深度巡天发现了亚毫米波星系团和星系，这些最原始的星系在哈勃空间望远镜（ HST） 深场内竟没有光学对应体[1].与光学近红外波段相比，它具有穿透星际尘埃的能力，有更高的空间与时间相干性； 而与微波毫米波段相比，则具有更高空间分辨率，还可具有更宽瞬时带宽。
总体来讲，太赫兹波段天文学研究的基本特点包括： （ 1） 根据维恩位移定律，10 K 黑体辐射功率的峰值出现在约 1 THz,所以它是天体形成阶段冷暗目标最适合观测的波段； （ 2） 早期遥远天体由于多谱勒频移效应，其辐射落入太赫兹频段，且星际尘埃吸收早期遥远天体的紫外/可见光后产生亚毫米波辐射，所以它是早期遥远天体最适合观测的波段； （ 3） 星际介质遮挡在 THz 波段远弱于可见光/近红外，所以它是研究星际尘埃和气体分子云内部星际介质和恒星物理状态的独特波段； （ 4） 太赫兹波段有非常丰富的分子谱线和精细结构原子谱线，被称为分子/原子谱线“森林”.因此，太赫兹波天文学研究对于理解宇宙状态和演化有非常重要的意义，正成为现代天体物理的前沿研究领域之一[2-3]
因为太赫兹波与分子转动的强相互作用会导致强吸收或发射谱线，这一特征使得太赫兹波段除了在天文学具有特别重要的科学意义外，在其他学科也具有广泛的研究价值，例如： 特别适合大气及分子科学研究等。太赫兹波段覆盖了地球大气中重要的探针分子，且具有全天候观测的独特优势，是开展地球大气观测研究及大气污染监测的独特波段。针对地球大气同温层和对流层中太赫兹分子谱线的高精度测量将是理解地球大气臭氧层变化和全球气候变暖与人类温室气体排放之间关系的有效手段之一，非常有助于建立精确的地球大气模型，进而更清晰了解目前地球大气状态和预测未来的臭氧层和全球气候变化。
1. 2 太赫兹超导探测器尽管人们早已认识到太赫兹波段具有非常重要的科学意义和广泛的应用前景，但该波段仍然是一个有待全面研究和开发的电磁频率窗口。制约太赫兹波段发展与应用的主要因素有： （ 1） 太赫兹信号产生技术的严重缺乏，包括信号源的频率范围和输出信号功率等方面； （ 2） 太赫兹信号探测技术的严重缺乏，包括探测灵敏度、带宽、响应时间、以及探测器阵列规模等问题； （ 3） 大气衰减的限制。因此，发展具有超高灵敏度的太赫兹探测技术，是推动太赫兹技术发展的重要因素。上世纪末，天体物理学、宇宙学、大气物理学等基础科学研究的发展极大推动了太赫兹频段高灵敏度探测技术的发展，特别是基于低温超导器件的探测技术，已经成为该波段灵敏度最高的探测器，在天体物理和宇宙学观测研究中正发挥越来越重要的作用。而其在宇宙学和天体物理研究领域的应用则导致了利用宇宙背景辐射（ CMB） 场分布精确测量宇宙学参数、SCUBA 星系的发现等一系列重大科学突破，正在太赫兹观测设备中发挥着越来越重要作用。与半导体探测器相比，太赫兹超导探测器除了有超高灵敏度的优点外，还有平面工艺制备、本振信号功率需求低、高动态范围和响应时间快等优点。目前，太赫兹超导探测技术正在向更高频率、更高灵敏度和更大规模方向发展。
与其它波段类似，太赫兹探测器分成相干探测器和非相干探测器两大类[3].太赫兹相干探测器能够同时探测信号的幅度和相位信息[4],主要应用于高频率分辨率的分子和原子谱线观测，以及具有高空间分辨率的天线干涉阵列，主要有超导隧道结（ SIS） 混频器和超导热电子混频器（ HEB） 两种，前者主要应用于1 THz 以下频段，后者多用于 1 THz 以上频段。太赫兹非相干探测器则只能探测信号的幅度信息，而不能获取其相位信息，主要应用于低频率分辨率的连续谱观测和分光频谱仪的中频率分辨率谱线观测，主要有超导动态电感探测器（ MKIDs） 和超导相变边缘探测第 1 期 李 婧，等： 超高灵敏度太赫兹超导探测技术发展123器（ TES）[3]
2 国内外发展现状与趋势
2. 1 太赫兹超导相干探测器2. 1. 1 超导隧道结（ SIS） 混频器 超导隧道结（ SIS） 混频器是基于准粒子隧穿效应的量子混频器，它是由两块超导体及其中间极薄的势垒层构成。超导隧道结混频器的典型伏安特性性是基于准粒子隧穿效应，而非库伯对隧穿效应。它除了取决于其超导和绝缘层材料的本征特性外，还与制备工艺密切相关。其工作频率上限主要取决于所采用超导材料的能带。例如，目前应用最广泛的铌（ Nb） 和铌钛氮（ NbTiN） 超导 SIS 混频器主要工作在太赫兹低频段（ 0. 1 ~1. 4 THz） ,其噪声性能在低于 0. 7 THz 的频率范围内已达 3 倍量子极限，但在 0. 7 ~1. 4 THz 的区间尚未突破 5 倍量子极限。
超导 SIS 混频器的其他典型特征还包括： 稳定工作变频增益高（ ~0 dB） ; 瞬时带宽基本无限制，至少可达几十 GHz; 本振功率需求（ 100% 耦合情况） 在 0. 1 THz 约几 nW,但随频率的平方增加； 与超导 HEB 混频器相比，可稳定工作电压区间宽，但在能隙频率 fgap以上逐渐减小直到零。
超导 SIS 混频器的性能在其能隙频率以上将急剧恶化，主要原因是混频电路中超导体吸收光子能量拆开其中的库伯对，进而导致能量损耗。另一方面，超导 SIS 混频器的上限频率约为其能隙频率的两倍[5]
目前超导 SIS 研究领域主要有两个方向： 一是在现有较成熟的 Nb 超导 SIS 混频器中引入高能隙超导材料作为其调谐和阻抗变换电路的导体。这种情况可以解决 0. 7 THz 以上 Nb 超导电路的损耗问题，但 SIS 混频器的频率上限仍限制在 1. 4 THz; 另外一个方向则是利用高能隙超导材料实现具有更高 fgap的超导 SIS 结及其混频电路，其频率上限有望突破 1. 4 THz.荷兰 SRON/TUDelft 研究小组是前一种的代表，主要应用 Nb-TiN 超导薄膜并结合基于 AlN 势垒层的高临界电流密度 Nb 超导 SIS 结制备技术，在 1 THz 频率附近取得了较理想的结果。Caltech/JPL 和 NiCT/NAOJ / PMO 研究小组是后一种的代表，其中美国Caltech / JPL 小组主要致力于高 Jc 全 NbTiN 超导SIS 结和 NbTiN / Nb 混合 SIS 结的研究，除了实现良好噪声性能外，也实现了迄今为止频率最高的超导 SIS 混频技术[6-8].NiCT/NAOJ/PMO 研究小组一直努力发展全 NbN 超导 SIS 结混频器，为ALMA 计划第十波段（ 787 ~ 950 GHz） 所研制的全 NbN 波导型 SIS 混频器已达到了低于5 倍量子极限的噪声温度，而高性能的 0. 5 THz 全 NbN 超导 SIS 混 频 器 则 实 现 了 天 文 观 测 的 首 次 应用[9-10],相关成果如图 1 所示。
