太赫兹超导探测器的研究现状及其天文应用(2)

2. 1. 2 超导热电子（ HEB） 混频器超导热电子混频器由超导微桥和射频耦合电路构成（ 如图 2 所示） .射频耦合电路将自由空间中的太赫兹辐射耦合到超导微桥。超导微桥为一层超导薄膜，其电子吸收太赫兹辐射后温度升高超过环境温度形成热电子。随后通过电子-声子相互作用将能量传递给声子从而升高声子温度，最后热量逃逸到介质基板中而重新恢复平衡态。这种方式称为声子制冷型超导 HEB 混频器[11],通常采用 NbN、NbTiN 等化合物超导材料，要求超导微桥很薄，并与介质基板具有很好的晶格匹配，热量可以很快逃逸到介质基板。除此之外，超导微桥里电子吸收的能量也可以通过电子运动扩散到两端电极里而恢复平衡态，这种方式称为扩散制冷型超导 HEB 混频器[12],通常采用Nb、Al 等纯金属超导材料，要求超导微桥很短的同时超导薄膜具有较大的电子扩散系数，热量迅速传递到两端电极。随着对超导 HEB 混频机制的深入理解、制备工艺的逐渐成熟和测试系统的不断改进，超导 HEB 混频器的接收机噪声温度已经全面超过 10 倍量子极限，个别频率点突破 5 倍量子噪声极限，成为 1 THz 以上灵敏度最高的相干探测器，并被成功应用到地面望远镜 APEX,机载望远镜 SOFIA、空间卫星 Hershel 等。
　　

　　　

　　超导热电子混频器由俄罗斯莫斯科师范大学于 1990 年提出并首先发展起来。在低温下，超导体中的电子-声子相互作用变弱，使得电子和声子可以分别用各自的有效温度表示。在直流和本振功率作用下，超导微桥中的电子温度升高超过电子温度，形成热电子。当电子温度加热到临界温度附近时，超导器件的电阻对温度极其敏感，从而实现高灵敏度检测。最开始的超导 HEB 混频器采用 Nb 材料制备超导微桥，其电子声子相互作用约为 1 ns,导致超导 HEB 混频器的中频带宽约为 1 MHz.NbN 超导薄膜的电子声子相互作用时间约为 10 ps,因此中频带宽超过 3 GHz,从而满足大多数实际应用需求。1993 年，美国耶鲁大学Prober 提出了扩散制冷型超导热电子混频器，纯金属超导材料具有较大的电子热扩散率，相应的热恢复长度为数百纳米。当超导微桥长度小于热恢复长度时，热电子运动将超导微桥吸收的热量扩散到接触电极实现制冷。中频带宽与超导微桥长度的平方成反比，因此为了保证与平面天线的良好阻抗匹配，在缩短微桥长度的同时，要求微桥宽度成比例减小。这给器件制备带来了极大的挑战，另外随着超导微桥体积的减小，其稳定性也很难保证。因此电子扩散制冷型超导热电子混频器在发展了一段时间后，逐渐平静下来。目前超导热电子混频器主要采用 NbN 薄膜，随着对其工作机理的深入理解和工艺水平的提高，接收机噪声温度全面达到 10 倍量子极限，个别频率突破 5 倍量子极限，成为 1. 5 THz 以上最灵敏的相干探测器。超导热电子混频器的中频带宽超过 3 GHz,基本满足实际应用需求。
　　
　　当前，超导 HEB 混频器的发展趋势及重要新成果主要有以下几个方面： 拓宽中频带宽； 平衡混频器充分利用有限的信号功率； 提高工作频率； 多波束超导热电子混频器； 更高工作温度的超导热电子混频器。
　　
　　2. 1. 3 基于量子级联激光器（ QCL） 的超导集成接收机[13-15]
　　
　　在太赫兹相干探测器中，除了需要有高灵敏度外差混频器，还需要有高频率和功率稳定度的本振泵浦源。在太赫兹高频段（ 如 2 THz 以上） ,本振泵浦源技术一直相对匮乏。近些年，一种新型单极半导体源-量子级联激光器取得了快速发展。量子级联激光器是基于电子在半导体材料量子阱中导带子带间跃迁的单极半导体激光器，它不同于传统 p-n 结型半导体激光器利用电子-空穴复合受激辐射机制，其辐射激光波长不受半导体材料限制，而是由量子阱两个激发态间能量差决定，可覆盖中红外到太赫兹超宽光谱频段。1994 年，J. Faist 等人在贝尔实验室首先成功实现红外频段（ 75 THz） 量子级联激光器。2002 年，意大利 A. Tredicucci 研究小组首次实现了太赫兹频段（ 4. 4 THz） 量子级联激光器。此后，量子级联激光器在辐射功率、频率以及工作温度等方面均有显着突破，已成为太赫兹相干探测器中最理想本振泵浦源。
　　
　　2005 年，荷兰 SRON 研究小组首先将金属-金属波导型 2. 8 THz 量子级联激光器作为本振泵浦源应用到太赫兹超导热电子相干探测器中。随后，太赫兹量子级联激光器在本振源应用方面取得一系列进展。其中最显着研究成果之一是荷兰SRON 研究所、TUDelft 大学、美国 MIT 研究所、中科院紫金山天文台等合作，开展了太赫兹量子级联激光器泵浦太赫兹超导热电子混频器的相干探测，首次实现了基于太赫兹量子级联激光器泵浦太赫兹超导热电子混频器的 2. 9 THz 和 3. 5 THz甲醇气体分子谱线高频谱分辨率波谱特性测量。荷兰 SRON 研究所等采用了三阶反馈式太赫兹量子级联激光器，相比传统金属-金属波导型激光器，三阶分布反馈式激光器实现了数倍的激光器输出功率提高，实现了准高斯波束的远场分布。另外，他们还以分子吸收谱线为参考，利用 PID（ Proportional Integral Derivative） 控制器将太赫兹量子级联激光器输出频率锁定到特定分子吸收谱线上，同时以 voice coil 作为快速功率可控衰减器，利用 PID 控制器驱动 voice coil 稳定了太赫兹量子级联激光器与超导热电子混频器之间信号耦合。然而，由于太赫兹量子级联激光器连续模式工作时热功耗往往较大（ 达几瓦甚至几十瓦） ,太赫兹量子级联激光器作为本振泵浦源使用时通常需要单独使用 4K 杜瓦冷却激光器，使得太赫兹相干探测系统结构复杂，难以实际应用。因此，研究太赫兹量子级联激光器在相干探测系统中的集成应用显得尤为重要，也成为太赫兹量子级联激光器本振泵浦源应用的研究重点。
　　
　　太赫兹量子级联激光器作为本振泵浦源的最新研究成果主要包括： （ 1） 德国 DLR 研究小组基于机械脉冲管两级制冷机集成太赫兹量子级联激光器和超导热电子混频器，其中太赫兹量子级联激光器集成在制冷机的首级 45 K 温度平台，超导热电子混频器置于次级 4 K 温度平台。太赫兹量子级联激光器波束通过制冷机窗口耦合至外部空间利用聚焦透镜和反射镜再次耦合至太赫兹超导热电子混频器。该方法成功地将太赫兹量子级联激光器与超导热电子混频器集成在一体机械制冷机中，极大地简化了系统复杂度。另外，该研究组还利用小型斯特林制冷机作为太赫兹量子级联激光器低温工作平台，实验中所利用斯特林制冷机仅需 240 W 功耗，65 K 温度下可提供 7 W 制冷功率。该方法实现了一种小型低功耗的太赫兹量子级联激光器本振源系统。（ 2） 美国 Sandia 国家实验室将太赫兹量子级联激光器与肖特基混频器通过太赫兹光子集成电路集合，实现了一体化全固态的太赫兹相干探测器。该方法利用太赫兹量子级联激光器作为本振泵浦源，通过利用高参杂度的砷化镓层将太赫兹量子级联激光器与肖特图3 （ a） 2. 7 THz 量子级联激光器结构示意图，（ b） 模拟仿真整形前2. 7 THz 量子级联激光器远场辐射方向图，（ c）模拟仿真整形后2. 7 THz 量子级联激光器远场辐射方向图和（ d） 实验测得整形后2. 7 THz 量子级联激光器远场辐射方向图Fig.
　　
　　基混频器叠加在一起，同时作为激光器的正极与肖特基混频器的阴极。该结构的优势是将激光器信号直接耦合入肖特基混频器，不需要额外的光学部件，使得接收机系统相对简化。但是，该集成相干探测器系统的噪声性能还较差。（ 3） 中科院紫金山天文台、中科院上海技术物理所、法国 IEF研究所和英国剑桥大学 Cavendish 实验室等合作采用基于“束缚态至连续态跃迁”的有源区结构和递变型光子异质结谐振腔的低功耗单模量子级联激光器，利用天线阵理论对太赫兹量子级联激光器辐射波束进行精确模拟仿真与整形，在机械脉冲管制冷机同一 4 K 温度平台集成了太赫兹量子级联激光器和超导热电子混频器。该方法极大地简化了系统复杂度，提高了系统的可靠性。基于量子级联激光器（ QCL） 的超导集成接收机技术的研究成果示于图 3.