超高靈敏度太赫茲超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)發(fā)展

李 婧，張 文，繆 巍，史生才

（中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210000）

超高靈敏度太赫茲超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)發(fā)展

李 婧*，張 文，繆 巍，史生才

（中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210000）

太赫茲波段占有宇宙微波背景（CMB）輻射以后宇宙空間近一半的光子能量，該波段在天文學(xué)研究中具有不可替代的作用，因此太赫茲天文學(xué)的研究，具有極其重要的科學(xué)意義。本文系統(tǒng)介紹了基于超高靈敏度太赫茲超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)的太赫茲相干探測(cè)器發(fā)展?fàn)顩r，包括超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器（SIS）和超導(dǎo)熱電子混頻器（HEB），以及以超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器（MKIDs）和超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器（TES）為代表的非相干探測(cè)器的研究。在此基礎(chǔ)上，展望了該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)我國(guó)太赫茲天文探測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考意義。

太赫茲；超導(dǎo)；相干探測(cè)；非相干探測(cè)

1 引 言

1.1太赫茲天文及大氣科學(xué)

從20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)際上太赫茲頻段的一系列重要天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)沖擊了天體物理各個(gè)層次的研究。太赫茲波段占有宇宙微波背景（CMB）輻射以后宇宙空間近一半的光子能量，該波段在天文學(xué)研究中具有不可替代的作用。例如，位于夏威夷Muna Kea的JCMT望遠(yuǎn)鏡的SCUBA深度巡天發(fā)現(xiàn)了亞毫米波星系團(tuán)和星系，這些最原始的星系在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）深場(chǎng)內(nèi)竟沒(méi)有光學(xué)對(duì)應(yīng)體［1］。與光學(xué)近紅外波段相比，它具有穿透星際塵埃的能力，有更高的空間與時(shí)間相干性；而與微波毫米波段相比，則具有更高空間分辨率，還可具有更寬瞬時(shí)帶寬。

總體來(lái)講，太赫茲波段天文學(xué)研究的基本特點(diǎn)包括：（1）根據(jù)維恩位移定律，10 K黑體輻射功率的峰值出現(xiàn)在約1 THz，所以它是天體形成階段冷暗目標(biāo)最適合觀測(cè)的波段；（2）早期遙遠(yuǎn)天體由于多譜勒頻移效應(yīng)，其輻射落入太赫茲頻段，且星際塵埃吸收早期遙遠(yuǎn)天體的紫外／可見(jiàn)光后產(chǎn)生亞毫米波輻射，所以它是早期遙遠(yuǎn)天體最適合觀測(cè)的波段；（3）星際介質(zhì)遮擋在THz波段遠(yuǎn)弱于可見(jiàn)光／近紅外，所以它是研究星際塵埃和氣體分子云內(nèi)部星際介質(zhì)和恒星物理狀態(tài)的獨(dú)特波段；（4）太赫茲波段有非常豐富的分子譜線和精細(xì)結(jié)構(gòu)原子譜線，被稱(chēng)為分子／原子譜線“森林”。因此，太赫茲波天文學(xué)研究對(duì)于理解宇宙狀態(tài)和演化有非常重要的意義，正成為現(xiàn)代天體物理的前沿研究領(lǐng)域之一［2-3］。

因?yàn)樘掌澆ㄅc分子轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)相互作用會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)吸收或發(fā)射譜線，這一特征使得太赫茲波段除了在天文學(xué)具有特別重要的科學(xué)意義外，在其他學(xué)科也具有廣泛的研究?jī)r(jià)值，例如：特別適合大氣及分子科學(xué)研究等。太赫茲波段覆蓋了地球大氣中重要的探針?lè)肿?，且具有全天候觀測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是開(kāi)展地球大氣觀測(cè)研究及大氣污染監(jiān)測(cè)的獨(dú)特波段。針對(duì)地球大氣同溫層和對(duì)流層中太赫茲分子譜線的高精度測(cè)量將是理解地球大氣臭氧層變化和全球氣候變暖與人類(lèi)溫室氣體排放之間關(guān)系的有效手段之一，非常有助于建立精確的地球大氣模型，進(jìn)而更清晰了解目前地球大氣狀態(tài)和預(yù)測(cè)未來(lái)的臭氧層和全球氣候變化。

1.2太赫茲超導(dǎo)探測(cè)器

盡管人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到太赫茲波段具有非常重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景，但該波段仍然是一個(gè)有待全面研究和開(kāi)發(fā)的電磁頻率窗口。制約太赫茲波段發(fā)展與應(yīng)用的主要因素有：（1）太赫茲信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)的嚴(yán)重缺乏，包括信號(hào)源的頻率范圍和輸出信號(hào)功率等方面；（2）太赫茲信號(hào)探測(cè)技術(shù)的嚴(yán)重缺乏，包括探測(cè)靈敏度、帶寬、響應(yīng)時(shí)間、以及探測(cè)器陣列規(guī)模等問(wèn)題；（3）大氣衰減的限制。因此，發(fā)展具有超高靈敏度的太赫茲探測(cè)技術(shù)，是推動(dòng)太赫茲技術(shù)發(fā)展的重要因素。上世紀(jì)末，天體物理學(xué)、宇宙學(xué)、大氣物理學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究的發(fā)展極大推動(dòng)了太赫茲頻段高靈敏度探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，特別是基于低溫超導(dǎo)器件的探測(cè)技術(shù)，已經(jīng)成為該波段靈敏度最高的探測(cè)器，在天體物理和宇宙學(xué)觀測(cè)研究中正發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。而其在宇宙學(xué)和天體物理研究領(lǐng)域的應(yīng)用則導(dǎo)致了利用宇宙背景輻射（CMB）場(chǎng)分布精確測(cè)量宇宙學(xué)參數(shù)、SCUBA星系的發(fā)現(xiàn)等一系列重大科學(xué)突破，正在太赫茲觀測(cè)設(shè)備中發(fā)揮著越來(lái)越重要作用。與半導(dǎo)體探測(cè)器相比，太赫茲超導(dǎo)探測(cè)器除了有超高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)外，還有平面工藝制備、本振信號(hào)功率需求低、高動(dòng)態(tài)范圍和響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。目前，太赫茲超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)正在向更高頻率、更高靈敏度和更大規(guī)模方向發(fā)展。

與其它波段類(lèi)似，太赫茲探測(cè)器分成相干探測(cè)器和非相干探測(cè)器兩大類(lèi)［3］。太赫茲相干探測(cè)器能夠同時(shí)探測(cè)信號(hào)的幅度和相位信息［4］，主要應(yīng)用于高頻率分辨率的分子和原子譜線觀測(cè)，以及具有高空間分辨率的天線干涉陣列，主要有超導(dǎo)隧道結(jié)（SIS）混頻器和超導(dǎo)熱電子混頻器（HEB）兩種，前者主要應(yīng)用于1 THz以下頻段，后者多用于1 THz以上頻段。太赫茲非相干探測(cè)器則只能探測(cè)信號(hào)的幅度信息，而不能獲取其相位信息，主要應(yīng)用于低頻率分辨率的連續(xù)譜觀測(cè)和分光頻譜儀的中頻率分辨率譜線觀測(cè)，主要有超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器（MKIDs）和超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器（TES）［3］。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

2.1太赫茲超導(dǎo)相干探測(cè)器

2.1.1 超導(dǎo)隧道結(jié)（SIS）混頻器 超導(dǎo)隧道結(jié)（SIS）混頻器是基于準(zhǔn)粒子隧穿效應(yīng)的量子混頻器，它是由兩塊超導(dǎo)體及其中間極薄的勢(shì)壘層構(gòu)成。超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器的典型伏安特性性是基于準(zhǔn)粒子隧穿效應(yīng)，而非庫(kù)伯對(duì)隧穿效應(yīng)。它除了取決于其超導(dǎo)和絕緣層材料的本征特性外，還與制備工藝密切相關(guān)。其工作頻率上限主要取決于所采用超導(dǎo)材料的能帶。例如，目前應(yīng)用最廣泛的鈮（Nb）和鈮鈦氮（NbTiN）超導(dǎo)SIS混頻器主要工作在太赫茲低頻段（0.1～1.4 THz），其噪聲性能在低于0.7 THz的頻率范圍內(nèi)已達(dá)3倍量子極限，但在0.7～1.4 THz的區(qū)間尚未突破5倍量子極限。

超導(dǎo)SIS混頻器的其他典型特征還包括：穩(wěn)定工作變頻增益高（～0 dB）；瞬時(shí)帶寬基本無(wú)限制，至少可達(dá)幾十GHz；本振功率需求（100%耦合情況）在0.1 THz約幾nW，但隨頻率的平方增加；與超導(dǎo)HEB混頻器相比，可穩(wěn)定工作電壓區(qū)間寬，但在能隙頻率fgap以上逐漸減小直到零。

超導(dǎo)SIS混頻器的性能在其能隙頻率以上將急劇惡化，主要原因是混頻電路中超導(dǎo)體吸收光子能量拆開(kāi)其中的庫(kù)伯對(duì)，進(jìn)而導(dǎo)致能量損耗。另一方面，超導(dǎo)SIS混頻器的上限頻率約為其能隙頻率的兩倍［5］。

目前超導(dǎo)SIS研究領(lǐng)域主要有兩個(gè)方向：一是在現(xiàn)有較成熟的Nb超導(dǎo)SIS混頻器中引入高能隙超導(dǎo)材料作為其調(diào)諧和阻抗變換電路的導(dǎo)體。這種情況可以解決0.7 THz以上Nb超導(dǎo)電路的損耗問(wèn)題，但SIS混頻器的頻率上限仍限制在1.4 THz；另外一個(gè)方向則是利用高能隙超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)具有更高fgap的超導(dǎo)SIS結(jié)及其混頻電路，其頻率上限有望突破1.4 THz。荷蘭SRON／TUDelft研究小組是前一種的代表，主要應(yīng)用Nb-TiN超導(dǎo)薄膜并結(jié)合基于AlN勢(shì)壘層的高臨界電流密度Nb超導(dǎo)SIS結(jié)制備技術(shù)，在1 THz頻率附近取得了較理想的結(jié)果。Caltech／JPL和NiCT／ NAOJ／PMO研究小組是后一種的代表，其中美國(guó)Caltech／JPL小組主要致力于高Jc全NbTiN超導(dǎo)SIS結(jié)和NbTiN／Nb混合SIS結(jié)的研究，除了實(shí)現(xiàn)良好噪聲性能外，也實(shí)現(xiàn)了迄今為止頻率最高的超導(dǎo)SIS混頻技術(shù)［6-8］。NiCT／NAOJ／PMO研究小組一直努力發(fā)展全NbN超導(dǎo)SIS結(jié)混頻器，為ALMA計(jì)劃第十波段（787～950 GHz）所研制的全NbN波導(dǎo)型SIS混頻器已達(dá)到了低于5倍量子極限的噪聲溫度，而高性能的0.5 THz全NbN超導(dǎo)SIS混頻器則實(shí)現(xiàn)了天文觀測(cè)的首次應(yīng)用［9-10］，相關(guān)成果如圖1所示。

圖1 （a）0.5 THz氮化鈮超導(dǎo)SIS接收機(jī)系統(tǒng)和（b）第一條基于其觀測(cè)的天文譜線Fig.1 （a）0.5 THz NbN SIS receiver and（b）the 1stastronomical observation ever done with NbN SISmixers

2.1.2 超導(dǎo)熱電子（HEB）混頻器

超導(dǎo)熱電子混頻器由超導(dǎo)微橋和射頻耦合電路構(gòu)成（如圖2所示）。射頻耦合電路將自由空間中的太赫茲輻射耦合到超導(dǎo)微橋。超導(dǎo)微橋?yàn)橐粚映瑢?dǎo)薄膜，其電子吸收太赫茲輻射后溫度升高超過(guò)環(huán)境溫度形成熱電子。隨后通過(guò)電子-聲子相互作用將能量傳遞給聲子從而升高聲子溫度，最后熱量逃逸到介質(zhì)基板中而重新恢復(fù)平衡態(tài)。這種方式稱(chēng)為聲子制冷型超導(dǎo)HEB混頻器［11］，通常采用NbN、NbTiN等化合物超導(dǎo)材料，要求超導(dǎo)微橋很薄，并與介質(zhì)基板具有很好的晶格匹配，熱量可以很快逃逸到介質(zhì)基板。除此之外，超導(dǎo)微橋里電子吸收的能量也可以通過(guò)電子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散到兩端電極里而恢復(fù)平衡態(tài)，這種方式稱(chēng)為擴(kuò)散制冷型超導(dǎo)HEB混頻器［12］，通常采用Nb、Al等純金屬超導(dǎo)材料，要求超導(dǎo)微橋很短的同時(shí)超導(dǎo)薄膜具有較大的電子擴(kuò)散系數(shù)，熱量迅速傳遞到兩端電極。隨著對(duì)超導(dǎo)HEB混頻機(jī)制的深入理解、制備工藝的逐漸成熟和測(cè)試系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，超導(dǎo)HEB混頻器的接收機(jī)噪聲溫度已經(jīng)全面超過(guò)10倍量子極限，個(gè)別頻率點(diǎn)突破5倍量子噪聲極限，成為1 THz以上靈敏度最高的相干探測(cè)器，并被成功應(yīng)用到地面望遠(yuǎn)鏡APEX，機(jī)載望遠(yuǎn)鏡SOFIA、空間衛(wèi)星Hershel等。

圖2 HEB器件結(jié)構(gòu)平面示意圖Fig.2 Structure diagram of the HEB device

超導(dǎo)熱電子混頻器由俄羅斯莫斯科師范大學(xué)于1990年提出并首先發(fā)展起來(lái)。在低溫下，超導(dǎo)體中的電子-聲子相互作用變?nèi)?，使得電子和聲子可以分別用各自的有效溫度表示。在直流和本振功率作用下，超導(dǎo)微橋中的電子溫度升高超過(guò)電子溫度，形成熱電子。當(dāng)電子溫度加熱到臨界溫度附近時(shí)，超導(dǎo)器件的電阻對(duì)溫度極其敏感，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)。最開(kāi)始的超導(dǎo)HEB混頻器采用Nb材料制備超導(dǎo)微橋，其電子聲子相互作用約為1 ns，導(dǎo)致超導(dǎo)HEB混頻器的中頻帶寬約為1 MHz。NbN超導(dǎo)薄膜的電子聲子相互作用時(shí)間約為10 ps，因此中頻帶寬超過(guò)3 GHz，從而滿足大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用需求。1993年，美國(guó)耶魯大學(xué)Prober提出了擴(kuò)散制冷型超導(dǎo)熱電子混頻器，純金屬超導(dǎo)材料具有較大的電子熱擴(kuò)散率，相應(yīng)的熱恢復(fù)長(zhǎng)度為數(shù)百納米。當(dāng)超導(dǎo)微橋長(zhǎng)度小于熱恢復(fù)長(zhǎng)度時(shí)，熱電子運(yùn)動(dòng)將超導(dǎo)微橋吸收的熱量擴(kuò)散到接觸電極實(shí)現(xiàn)制冷。中頻帶寬與超導(dǎo)微橋長(zhǎng)度的平方成反比，因此為了保證與平面天線的良好阻抗匹配，在縮短微橋長(zhǎng)度的同時(shí)，要求微橋?qū)挾瘸杀壤郎p小。這給器件制備帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，另外隨著超導(dǎo)微橋體積的減小，其穩(wěn)定性也很難保證。因此電子擴(kuò)散制冷型超導(dǎo)熱電子混頻器在發(fā)展了一段時(shí)間后，逐漸平靜下來(lái)。目前超導(dǎo)熱電子混頻器主要采用NbN薄膜，隨著對(duì)其工作機(jī)理的深入理解和工藝水平的提高，接收機(jī)噪聲溫度全面達(dá)到10倍量子極限，個(gè)別頻率突破5倍量子極限，成為1.5 THz以上最靈敏的相干探測(cè)器。超導(dǎo)熱電子混頻器的中頻帶寬超過(guò)3 GHz，基本滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

當(dāng)前，超導(dǎo)HEB混頻器的發(fā)展趨勢(shì)及重要新成果主要有以下幾個(gè)方面：拓寬中頻帶寬；平衡混頻器充分利用有限的信號(hào)功率；提高工作頻率；多波束超導(dǎo)熱電子混頻器；更高工作溫度的超導(dǎo)熱電子混頻器。

2.1.3 基于量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）的超導(dǎo)集成接收機(jī)［13-15］

在太赫茲相干探測(cè)器中，除了需要有高靈敏度外差混頻器，還需要有高頻率和功率穩(wěn)定度的本振泵浦源。在太赫茲高頻段（如2 THz以上），本振泵浦源技術(shù)一直相對(duì)匱乏。近些年，一種新型單極半導(dǎo)體源-量子級(jí)聯(lián)激光器取得了快速發(fā)展。量子級(jí)聯(lián)激光器是基于電子在半導(dǎo)體材料量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷的單極半導(dǎo)體激光器，它不同于傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器利用電子-空穴復(fù)合受激輻射機(jī)制，其輻射激光波長(zhǎng)不受半導(dǎo)體材料限制，而是由量子阱兩個(gè)激發(fā)態(tài)間能量差決定，可覆蓋中紅外到太赫茲超寬光譜頻段。1994年，J.Faist等人在貝爾實(shí)驗(yàn)室首先成功實(shí)現(xiàn)紅外頻段（75 THz）量子級(jí)聯(lián)激光器。2002年，意大利A.Tredicucci研究小組首次實(shí)現(xiàn)了太赫茲頻段（4.4 THz）量子級(jí)聯(lián)激光器。此后，量子級(jí)聯(lián)激光器在輻射功率、頻率以及工作溫度等方面均有顯著突破，已成為太赫茲相干探測(cè)器中最理想本振泵浦源。

2005年，荷蘭SRON研究小組首先將金屬-金屬波導(dǎo)型2.8 THz量子級(jí)聯(lián)激光器作為本振泵浦源應(yīng)用到太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器中。隨后，太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器在本振源應(yīng)用方面取得一系列進(jìn)展。其中最顯著研究成果之一是荷蘭SRON研究所、TUDelft大學(xué)、美國(guó)MIT研究所、中科院紫金山天文臺(tái)等合作，開(kāi)展了太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器泵浦太赫茲超導(dǎo)熱電子混頻器的相干探測(cè)，首次實(shí)現(xiàn)了基于太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器泵浦太赫茲超導(dǎo)熱電子混頻器的2.9 THz和3.5 THz甲醇?xì)怏w分子譜線高頻譜分辨率波譜特性測(cè)量。荷蘭SRON研究所等采用了三階反饋式太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，相比傳統(tǒng)金屬-金屬波導(dǎo)型激光器，三階分布反饋式激光器實(shí)現(xiàn)了數(shù)倍的激光器輸出功率提高，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)高斯波束的遠(yuǎn)場(chǎng)分布。另外，他們還以分子吸收譜線為參考，利用PID（Proportional Integral Derivative）控制器將太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出頻率鎖定到特定分子吸收譜線上，同時(shí)以voice coil作為快速功率可控衰減器，利用PID控制器驅(qū)動(dòng)voice coil穩(wěn)定了太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器與超導(dǎo)熱電子混頻器之間信號(hào)耦合。然而，由于太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器連續(xù)模式工作時(shí)熱功耗往往較大（達(dá)幾瓦甚至幾十瓦），太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器作為本振泵浦源使用時(shí)通常需要單獨(dú)使用4K杜瓦冷卻激光器，使得太赫茲相干探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)際應(yīng)用。因此，研究太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器在相干探測(cè)系統(tǒng)中的集成應(yīng)用顯得尤為重要，也成為太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器本振泵浦源應(yīng)用的研究重點(diǎn)。

太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器作為本振泵浦源的最新研究成果主要包括：（1）德國(guó)DLR研究小組基于機(jī)械脈沖管兩級(jí)制冷機(jī)集成太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器和超導(dǎo)熱電子混頻器，其中太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器集成在制冷機(jī)的首級(jí)45 K溫度平臺(tái)，超導(dǎo)熱電子混頻器置于次級(jí)4 K溫度平臺(tái)。太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器波束通過(guò)制冷機(jī)窗口耦合至外部空間利用聚焦透鏡和反射鏡再次耦合至太赫茲超導(dǎo)熱電子混頻器。該方法成功地將太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器與超導(dǎo)熱電子混頻器集成在一體機(jī)械制冷機(jī)中，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度。另外，該研究組還利用小型斯特林制冷機(jī)作為太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器低溫工作平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中所利用斯特林制冷機(jī)僅需240 W功耗，65 K溫度下可提供7 W制冷功率。該方法實(shí)現(xiàn)了一種小型低功耗的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器本振源系統(tǒng)。（2）美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器與肖特基混頻器通過(guò)太赫茲光子集成電路集合，實(shí)現(xiàn)了一體化全固態(tài)的太赫茲相干探測(cè)器。該方法利用太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器作為本振泵浦源，通過(guò)利用高參雜度的砷化鎵層將太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器與肖特基混頻器疊加在一起，同時(shí)作為激光器的正極與肖特基混頻器的陰極。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是將激光器信號(hào)直接耦合入肖特基混頻器，不需要額外的光學(xué)部件，使得接收機(jī)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)化。但是，該集成相干探測(cè)器系統(tǒng)的噪聲性能還較差。（3）中科院紫金山天文臺(tái)、中科院上海技術(shù)物理所、法國(guó)IEF研究所和英國(guó)劍橋大學(xué)Cavendish實(shí)驗(yàn)室等合作采用基于“束縛態(tài)至連續(xù)態(tài)躍遷”的有源區(qū)結(jié)構(gòu)和遞變型光子異質(zhì)結(jié)諧振腔的低功耗單模量子級(jí)聯(lián)激光器，利用天線陣?yán)碚搶?duì)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輻射波束進(jìn)行精確模擬仿真與整形，在機(jī)械脈沖管制冷機(jī)同一4 K溫度平臺(tái)集成了太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器和超導(dǎo)熱電子混頻器。該方法極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性?；诹孔蛹?jí)聯(lián)激光器（QCL）的超導(dǎo)集成接收機(jī)技術(shù)的研究成果示于圖3。

圖3 （a）2.7 THz量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)示意圖，（b）模擬仿真整形前2.7 THz量子級(jí)聯(lián)激光器遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，（c）模擬仿真整形后2.7 THz量子級(jí)聯(lián)激光器遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖和（d）實(shí)驗(yàn)測(cè)得整形后2.7 THz量子級(jí)聯(lián)激光器遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖Fig.3 （a）Structure diagram of the 2.7 THz QCL，（b）far field radiation pattern of the 2.7 THzQCL before the simulation shaping，（c）far field radiation pattern of the 2.7 THz QCL after the simulation shaping and（d）far field radiation pattern of the 2.7 THz QCL after the testing

2.2太赫茲超導(dǎo)非相干探測(cè)器

2.2.1 超導(dǎo)相變邊緣（TES）探測(cè)器［16-20］

超導(dǎo)相變邊沿探測(cè)器（TES）包含一層超導(dǎo)薄膜（典型器件結(jié)構(gòu)如圖4），工作在正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間的一個(gè)很窄的溫度區(qū)間內(nèi)。在此溫度區(qū)間，超導(dǎo)薄膜的電阻具有很高的溫度靈敏度，在恒壓偏置下吸收光子信號(hào)后引起電流的變化，并通過(guò)極低噪聲貢獻(xiàn)的超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）構(gòu)成的電流放大器讀出，從而實(shí)現(xiàn)背景極限的探測(cè)。恒壓偏置和SQUID低噪聲讀出使得大規(guī)模超導(dǎo)TES探測(cè)器陣列的實(shí)現(xiàn)成為可能，應(yīng)用于探測(cè)從毫米波一直到伽馬射線的電磁波輻射，取得了巨大的成功。

圖4 TES探測(cè)器陣列結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the TES array

1941年，D.H.Andrew首先嘗試給一段絕熱的鉭超導(dǎo)線通上電流，測(cè)量在紅外輻射下其電阻的變化，從而宣告了超導(dǎo)TES探測(cè)器的誕生。但是隨后的發(fā)展遇到兩個(gè)瓶頸，一是超導(dǎo)TES探測(cè)器的電阻很小，很難與高阻的FET放大器匹配。另一個(gè)困難是超導(dǎo)TES探測(cè)器具有非常窄的電阻轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，恒流偏置產(chǎn)生的正電熱反饋使其很難使超導(dǎo)TES探測(cè)器位于轉(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)。SQUID放大器具有非常低的噪聲，其低電阻的特性使得與超導(dǎo)TES的匹配非常容易。另外超導(dǎo)TES探測(cè)器的偏置從恒流偏置改為恒壓偏置，負(fù)電熱反饋使得超導(dǎo)TES很容易處于轉(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)。這兩個(gè)困難的克服使得超導(dǎo)TES探測(cè)器的發(fā)展速度驟然加快。SQUID放大器的采用促使了多路讀出復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，大大降低了大規(guī)模超導(dǎo)TES探測(cè)器陣列的引線數(shù)目，從而加速了其發(fā)展進(jìn)程。如今高達(dá)1萬(wàn)像元的SCUBA-2，安裝在JCMT望遠(yuǎn)鏡上開(kāi)展亞毫米波輻射的巡天觀測(cè)。

隨著天文學(xué)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到除了追求更大規(guī)模的超導(dǎo)TES探測(cè)器陣列外，還需要同時(shí)觀測(cè)不同頻率的電磁波輻射，因此在同一個(gè)陣列上集成不同頻段的超導(dǎo)TES探測(cè)器成為一種發(fā)展趨勢(shì)，這就要求集成射頻濾波器。另外宇宙微波背景輻射觀測(cè)要求同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)極化方向的輻射，因此雙極化超導(dǎo)TES探測(cè)器成為研究的熱點(diǎn)。加州大學(xué)Berkeley分校提出了雙極化多頻段的超導(dǎo)TES探測(cè)器，能夠同時(shí)觀測(cè)兩個(gè)極化方向的不同頻段的毫米波輻射。NIST提出了一種雙極化多頻段的喇叭饋源超導(dǎo)TES探測(cè)器，將會(huì)應(yīng)用到ACTPol項(xiàng)目上。荷蘭SRON研制的極低熱導(dǎo)超導(dǎo)TES探測(cè)器，NEP達(dá)到將會(huì)應(yīng)用于空間衛(wèi)星計(jì)劃SPICA。

2.2.2 超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感（KID）探測(cè)器

太赫茲超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器（MKIDs）實(shí)際上是一個(gè)由超導(dǎo)薄膜平面電感和平面電容組成的諧振腔，其諧振頻率處于微波波段。當(dāng)超導(dǎo)電感吸收太赫茲光子后，其表面阻抗產(chǎn)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致諧振腔頻率與Q因子的變化。通過(guò)測(cè)量這些變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲信號(hào)的探測(cè)，典型器件結(jié)構(gòu)和工作原理如圖5所示。

2003年，JPL／Caltech研究組首次實(shí)驗(yàn)演示了超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器。近年來(lái)，太赫茲超導(dǎo)MKIDs探測(cè)器技術(shù)得到了快速發(fā)展，特別是采用了更為簡(jiǎn)單的讀出復(fù)用技術(shù)，即超寬帶低溫制冷低噪聲放大器和超寬帶高分辨率實(shí)時(shí)數(shù)字頻譜儀。太赫茲超導(dǎo)MKIDs探測(cè)器在300 mK溫區(qū)的靈敏度已達(dá)也易實(shí)現(xiàn)1k以上像元大規(guī)模陣列。CCAT太赫茲天文計(jì)劃（美國(guó)新十年天文規(guī)劃推薦項(xiàng)目）預(yù)計(jì)將采用太赫茲超導(dǎo)MKIDs探測(cè)器。除SCUBA-II以外，近年來(lái)較小規(guī)模陣列的超導(dǎo)MKIDs探測(cè)器系統(tǒng)在一些地面望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行了初步試驗(yàn)觀測(cè)［21-23］。

圖5 （a）MKIDs探測(cè)器的單像元結(jié)構(gòu)圖和（b）工作原理示意曲線圖Fig.5 （a）Structure of the one pixel MKIDs detector and（b）the diagram of the working principle

在國(guó)內(nèi)方面，中科院紫金山天文臺(tái)通過(guò)與荷蘭TUDelft大學(xué)以及日本理化學(xué)研究所（RIKEN）的合作研究，已開(kāi)展了關(guān)于超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器的相關(guān)研究，并已成功研制了1 024像元的超導(dǎo)MKIDs探測(cè)器芯片，并初步測(cè)試了其在亞K溫區(qū)的諧振特性［24-25］。

3 太赫茲天文探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1太赫茲超導(dǎo)相干探測(cè)器

高能隙超導(dǎo)材料的引入可以提高超導(dǎo)SIS混頻器的工作頻率，但由于此類(lèi)超導(dǎo)材料相干長(zhǎng)度更短，使得勢(shì)壘層制備難度增加。另外，由于特征電壓的提高，相應(yīng)地Jc也需要提高才能確保相對(duì)帶寬不變。隨著高能隙超導(dǎo)隧道結(jié)制備技術(shù)的提高和新材料的應(yīng)用，特別是科學(xué)應(yīng)用的推動(dòng)，預(yù)期高能隙超導(dǎo)SIS混頻技術(shù)研究將會(huì)得到新的發(fā)展。

天文觀測(cè)所需的時(shí)間與超導(dǎo)熱電子混頻器靈敏度的平方成反比。為了觀察星系的精細(xì)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代的巡天計(jì)劃要求以很高的角分辨率掃描很大的天區(qū)，而太赫茲望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效率與接收機(jī)波束成正比。與星系與恒星形成相關(guān)的許多譜線位于2 THz以上的高頻段，對(duì)這些譜線的高頻率分辨率觀測(cè)將會(huì)提供給我們?cè)S多新的信息。因此THz譜線天文觀測(cè)所需的超導(dǎo)熱電子混頻器正朝著更高靈敏度、更高頻率和多波束方向發(fā)展。通過(guò)對(duì)超導(dǎo)熱電子混頻器機(jī)制的深入理解提高變頻效率，同時(shí)優(yōu)化外圍的匹配電路和天線耦合結(jié)構(gòu)降低信號(hào)的傳輸損耗，最終研制2 THz以上的超導(dǎo)熱電子混頻器，靈敏度全面突破5倍量子噪聲極限。解決本振功率分配、直流偏置復(fù)用技術(shù)和寬中頻集成，從而成功研制多波束超導(dǎo)熱電子混頻器。另外，探索更高臨界溫度的新超導(dǎo)材料，如FeSeTe，研究其器件制備工藝和器件特性，有望實(shí)現(xiàn)更高工作溫度下的高靈敏度和高達(dá)10 GHz的中頻帶寬，滿足將來(lái)的空間應(yīng)用需求。

多波束超導(dǎo)熱電子混頻器的還處于起步階段，需要突破本振功率分配、寬中頻集成和直流偏置復(fù)用等關(guān)鍵技術(shù)。在本振功率分配方面，平衡混頻器可以大大提高本振功率的利用效率。近期紫金山天文臺(tái)提出的波束分離器陣列實(shí)現(xiàn)本振功率分配，將以前單項(xiàng)元超導(dǎo)熱電子混頻器通過(guò)波束分離器透射的信號(hào)重新加以利用，繼續(xù)分配給后續(xù)的超導(dǎo)熱電子混頻器，可以提高本振功率利用率。寬中頻集成的最終目標(biāo)是將低溫低噪聲放大器與超導(dǎo)熱電子混頻器在芯片層面集成，減小接收機(jī)體積的同時(shí)提高可靠性。由于我國(guó)在低噪聲放大器方面不具有優(yōu)勢(shì)，因此中近期的目標(biāo)是將超導(dǎo)熱電子混頻器和低噪聲放大器分別集成，然后通過(guò)寬中頻匹配電路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。在直流偏置復(fù)用方面，提高超導(dǎo)熱電子混頻器的一致性，分析高頻特性對(duì)工作點(diǎn)敏感度，從而通過(guò)簡(jiǎn)單的2根偏置線實(shí)現(xiàn)所有超導(dǎo)熱電子混頻器的偏置。

3.2太赫茲超導(dǎo)非相干探測(cè)器

目前的發(fā)展趨勢(shì)表明，超導(dǎo)MKIDs探測(cè)器技術(shù)已成為太赫茲望遠(yuǎn)鏡研制寬帶連續(xù)譜陣列探測(cè)成像系統(tǒng)的首選，陣列像元數(shù)將突破1 k，靈敏度將達(dá)到背景極限。此外，MKIDs探測(cè)器陣列的讀出技術(shù)，也將是下一步發(fā)展的重點(diǎn)研究方向。

超導(dǎo)TES探測(cè)器具有背景極限的靈敏度，在星系和恒星形成、宇宙微波背景輻射等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。我國(guó)擬建的南極5 m太赫茲望遠(yuǎn)鏡，下一代設(shè)備有望安裝大規(guī)模的超導(dǎo)陣列城像系統(tǒng)，要求1 000像元左右的超導(dǎo)TES探測(cè)器，工作在300 mK，NEP達(dá)到另外超導(dǎo)TES探測(cè)器陣列具有極高的靈敏度，能夠被動(dòng)探測(cè)成像，對(duì)人體無(wú)任何傷害，在安檢領(lǐng)域具有廣闊的前景。

詳細(xì)研究亞K臨界溫度的超導(dǎo)薄膜的生長(zhǎng)工藝，制備超導(dǎo)TES探測(cè)器，并通過(guò)硅刻蝕工藝降低超導(dǎo)TES探測(cè)器的熱導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)的探測(cè)靈敏度。研究SQUID電流放大器的磁通鎖定和時(shí)分或者頻分復(fù)用技術(shù)。結(jié)合超導(dǎo)TES探測(cè)器和多路讀出復(fù)用電路，成功研制1 000像元的超導(dǎo)TES探測(cè)器陣列成像系統(tǒng)，滿足國(guó)內(nèi)在天文、安檢等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是多路復(fù)用讀出技術(shù)，建議針對(duì)較成熟的時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用展開(kāi)研究。掌握多路讀出復(fù)用技術(shù)的原理，設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)方案，分別開(kāi)發(fā)常溫放大反饋電路和低溫放大、尋址電路，實(shí)現(xiàn)1 000像元的讀出復(fù)用。

通過(guò)這兩方面技術(shù)的攻克，最終研制成功1 000像元的超導(dǎo)TES探測(cè)器陣列成像系統(tǒng)，滿足近期天文、安檢等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

太赫茲波段占有宇宙微波背景（CMB）輻射以后宇宙空間近一半的光子能量，它是宇宙中冷暗物質(zhì)輻射的重要波段，河系和大多數(shù)旋渦星系有一半以上的能量是由該頻段的輻射加以釋放；另外，由于星際介質(zhì)遮擋較弱，太赫茲波段適合觀測(cè)塵埃云和分子云內(nèi)部的星際介質(zhì)和恒星的物理狀態(tài)。因此，該波段在天文學(xué)研究中具有不可替代的作用，因此太赫茲天文學(xué)的研究，具有極其重要的科學(xué)意義。

近年來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到太赫茲波段在天文學(xué)、大氣科學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、信息技術(shù)等領(lǐng)域的重要科學(xué)意義與潛在應(yīng)用前景。但由于太赫茲技術(shù)的嚴(yán)重缺乏以及地球大氣對(duì)太赫茲輻射的強(qiáng)吸收，人們對(duì)太赫茲電磁輻射特性依然知之甚少，該波段至今還是一個(gè)有待全面研究和開(kāi)發(fā)的頻率窗口。

基于低溫超導(dǎo)器件的探測(cè)技術(shù)是目前太赫茲頻段最靈敏的探測(cè)手段，本文系統(tǒng)介紹了超高靈敏度太赫茲超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，包括以超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器（SIS）和超導(dǎo)熱電子混頻器（HEB）為代表的太赫茲相干探測(cè)器，以及以超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器（MKIDs）和超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器（TES）為代表的非相干探測(cè)器的研究。在介紹了發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，還展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和方向，對(duì)今后我國(guó)太赫茲天文探測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考意義。

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Development of ultra high sensitivity superconducting THz detectors

LIJing*，ZHANGWen，MIAOWei，SHISheng-cai
（Purple Mountain Observatory，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210000，China）*Corresponding author，E-mail：lijing＠pmo．a(chǎn)c．cn

Nearly half of the photon energy is occupied in Terahertz waveband after the cosmic microwave background（CMB）radiation in space，which plays an irreplaceable role in the study ofastronomy.So the terahertz astronomy research has extremely important scientific significance.In this paper，we introduce the development of the terahertz coherent detectors bosed on ultra high sensitivity superconducting terahertz detection technology，including superconducting tunnel junction themixer（SIS）and superconducting hotelectronmixer（HEB），and non coherent detectors such as superconducting dynamic inductance detector（MKIDs）and superconducting transition edge detector（TES）.The future development trend is also prospected.The review for superconducting THz detectors has the reference significance for the development of astronomical terahertz detection technique in our country.

THz；superconductor；coherent detection；incoherent detection

P161

：A

10.3788／CO.20171001.0122

2095-1531（2017）01-0122-09

2016-09-30；

2016-10-24

國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器研制專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（No.11127903）；國(guó)家自然科學(xué)基金重大基金資助項(xiàng)目

（No.11190012）；國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金資助項(xiàng)目（No.11422326）

Supported by Major Program of National Natural Science Foundation of China（No.11127903，No.11190012）；National Natural Science Funds for Excellent Young Scholar（No.11422326）

李 婧（1978—），女，山東青島人，博士，項(xiàng)目研究員，2009年于中科院紫金山天文臺(tái)獲得博士學(xué)位，主要從事射電天文、超導(dǎo)電子學(xué)方面的研究。E-mail：lijing＠pmo.ac.cn