CN108279072A - 一种基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，包括低温杜瓦、超导氮化铌测辐射热计芯片、聚焦透镜、偏置器、光学斩波器、加热系统、微波注入系统、太赫兹注入系统以及信号检测系统。超导氮化铌测辐射热计芯片设置于低温杜瓦内。低温杜瓦设有透明窗，使得太赫兹波能够通过透明窗进入低温杜瓦的内部，通过聚焦透镜将太赫兹波聚焦于超导氮化铌测辐射热计芯片上。偏置器为T型偏置器连接超导氮化铌测辐射热计芯片。偏置器的射频端口和直流端口分别连接微波注入系统和信号检测系统。加热系统用于加热超导氮化铌测辐射热计芯片。光学斩波器设于低温杜瓦的透明窗之前。太赫兹注入系统设于低温杜瓦的透明窗和光学斩波器之间。
Description
技术领域
本发明涉及基于超导氮化铌测辐射热计的太赫兹波信号检测。
背景技术
太赫兹（THz）波，一般指频率在0.1THz~ 30THz之间的电磁波（M. Tonouchi,Nature Photonics, 1 (2007) 97）。太赫兹辐射光子能量低和穿透性的特点，使其有望成为取代X射线的下一代安检技术。同时，很多大分子的振动和转动谱线都处于太赫兹波段，利用该特有的指纹谱特性，太赫兹技术也广泛应用在射电天文、生物、医药等领域。
早期由于缺乏有效的太赫兹源产生方式和检测手段，使得太赫兹频段未能得到充分的研究和应用。近些年，对于太赫兹波的研究不断深入，也产生了诸多低噪声太赫兹接收机的类型。其中基于超导薄膜氮化铌（NbN）的测辐射热计（HEB），由于其对本振功率需求低（<1μW）并具有极高的灵敏度（约10倍量子噪声极限），成为在1 THz以上频段的最佳检测器。
超导薄膜氮化铌的测辐射热计最早时被用作太赫兹辐射的外差检测器，后来因其灵敏度高、响应速度快也作为直接检测器使用。作直接检测器时，通常是将HEB芯片加热到超导转变温度（Tc）附近，同时给器件提供合适的电压偏置，让器件工作在一个最佳的区域。在这个区域工作时，基于超导NbNHEB 的太赫兹直接器有最高的灵敏度，即有最小的等效噪声功率（Noise Equivalent Power，简称NEP）。
后来，本申请人于2017年4月16日通过专利文献CN 106595878 A公开了一种基于信号偏置和超导氮化铌测辐射热计的检测器，前者通过将偏置源所产生的偏置电流和偏置信号发生器产生的微波信号输入至超导氮化铌测辐射热计芯片，使得超导氮化铌测辐射热计芯片在偏置微波信号的驱动下工作在最佳区域，然后对超导氮化铌测辐射热计反射回来的信号经信号放大器放大后进行检测，从而实现对太赫兹波的检测。该检测器通过偏置微波信号的驱动方式的优点在于它不需要加热，节省了昂贵的液氦从而使低温杜瓦能维持更长的操作时间。
再后来，考虑到直流电源容易将外部信号耦合到超导氮化铌测辐射热计芯片上而产生检测不准确的问题以及超导氮化铌测辐射热计芯片非常脆弱容易被偏置源所产生的偏置电流所损坏的问题，本申请人又于2017年8月11日通过专利文献CN 107036718A公开了一种基于零偏微波反射和超导氮化铌测辐射热计的检测器。该检测器剔除了其中偏置电流部分完全由零偏置微波信号驱动使得超导氮化铌测辐射热计芯片工作在最佳区域。
无论早期的热驱动方式以及后来的微波驱动方式都存在驱动方式单一的问题。如需更改检测驱动方式时，只能等待回温时再打开低温杜瓦重新接线，使得实验装置利用率不高。
发明内容
本发明所要解决的问题：现有的基于超导氮化铌测辐射热计的太赫兹直接检测器驱动方式单一、液氦消耗高、效率低下等问题。
为解决上述问题，本发明采用的方案如下：
一种基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，包括低温杜瓦、超导氮化铌测辐射热计芯片、聚焦透镜、偏置器、光学斩波器、加热系统、微波注入系统、太赫兹注入系统以及信号检测系统；所述低温杜瓦设有透明窗，使得光波或电磁波能够通过所述透明窗进入所述低温杜瓦的内部；所述超导氮化铌测辐射热计芯片设置于低温杜瓦内；所述聚焦透镜用于将进入所述低温杜瓦内的太赫兹波聚焦于所述超导氮化铌测辐射热计芯片上；所述偏置器为T型偏置器；所述偏置器的射频直流端口连接所述超导氮化铌测辐射热计芯片；所述偏置器的射频端口连接所述微波注入系统；所述偏置器的直流端口连接所述信号检测系统；所述加热系统包括加热电阻、温度计和温度控制器；所述加热电阻和温度计紧贴所述超导氮化铌测辐射热计芯片，并连接所述低温杜瓦之外的所述温度控制器；所述微波注入系统至少包括一个连接所述偏置器的射频端口的微波源；所述光学斩波器设于所述低温杜瓦的透明窗之前，用于对进入所述低温杜瓦内的太赫兹波进行斩波；所述太赫兹注入系统包括吸波器、线栅分束器和太赫兹发生器；所述线栅分束器设于所述低温杜瓦的透明窗和所述光学斩波器之间，并与所述低温杜瓦的透明窗和所述光学斩波器之间的轴向呈45度角；所述吸波器和太赫兹发生器分列于所述线栅分束器的两侧；所述信号检测系统包括信号放大器和信号分析仪；所述信号分析仪通过所述信号放大器连接所述偏置器的直流端口。
进一步，所述微波注入系统还包括衰减器；所述微波源通过所述衰减器连接所述偏置器的射频端口；所述衰减器是一个20dB的衰减器，用于衰减注入的微波功率并隔绝外部的噪声。
进一步，还包括红外滤波器；所述红外滤波器设于所述低温杜瓦的透明窗和所述聚焦透镜之间，用于过滤掉进入所述低温杜瓦内的红外电磁波。
进一步，所述红外滤波器和所述聚焦透镜之间还设置有金属网滤波器；所述金属网滤波器是一种带通滤波器，用作定义所述直接检测器检测的太赫兹中心频率和带宽。
进一步，所述线栅分束器由一组间隔25μm的平行钨丝组成。
进一步，所述信号放大器为放置在低温杜瓦之外的直流跨导放大器；所述直流跨导放大器的一个端口连接T型偏置器的直流端口，用于提供电压偏置，另一个端口作为其电流输出端连接信号分析仪。
进一步，还包括锁相放大器；所述锁相放大器连接所述直流跨导放大器的电流输出端；所述光学斩波器的斩波频率输出连接所述锁相放大器的参考频率输入端口。
进一步，所述微波源为能产生频率范围在100 kHz ~ 26.5 GHz、功率范围在- 20dBm ~ +20 dBm内连续可调的信号的频率综合发生器。
进一步，所述太赫兹发生器能产生频率648 GHz、功率2mW的太赫兹辐照信号。
进一步，所述加热电阻为一个50Ω/50 W，并能够在低温4.2K时正常工作的电阻。
本发明的技术效果如下：
1）采用复用的方式，无需拆开低温杜瓦，便能进行热偏置、微波注入以及太赫兹辐照三种情况下的超导NbN HEB直接检测，提高了实验装置的利用效率。
2）复用的方式节省了昂贵液氦的消耗，简化了流程。
3）非常方便作三种情况下的直接检测对比实验，便于科学研究和商业上多种用途时的实验装置设计。
4）实验证明成功测试到了三种情况下直接检测的电流响应率和噪声等效功率，并在注入一定频率和功率的微波时测得了最低1.2pW/Hz1/2的NEP。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本实施例的基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器是实验室所架设的结构。如图1所示，该直接检测器包括低温杜瓦116、超导氮化铌测辐射热计芯片107、光学系统、加热系统、偏置器110、微波注入系统、太赫兹注入系统、信号检测系统以及锁相放大器114。低温杜瓦116是由金属壳体实现的内部中空的罐体，并通过液氦冷却。超导氮化铌测辐射热计芯片107放置在低温杜瓦116内。低温杜瓦116用于保持超导氮化铌测辐射热计芯片107的氮化铌低温状态下的超导状态。本直接检测器工作时，低温杜瓦116内的温度为4.2K，真空度为10-5Pa。为使得电磁波信号能够进入低温杜瓦116内，低温杜瓦116的罐体壁上设置有透明窗103。透明窗103由对电磁波透明的材料制成。本实施例中，透明窗103采用了由杜邦公司生产的麦拉膜。麦拉膜是一种高强度的聚酯塑料薄膜，能够为维持低温杜瓦116内的真空度提供足够的物理机械强度。图1中，101为太赫兹辐射源，用于提供待检测的太赫兹波辐射信号。
光学系统由聚焦透镜106、红外滤波器104、光学斩波器102以及金属网滤波器105所组成。聚焦透镜106用于将进入低温杜瓦116内的太赫兹波聚焦于超导氮化铌测辐射热计芯片107上。本实施例中，聚焦透镜106采用的是半径为4mm的硅超半球透镜。超导氮化铌测辐射热计芯片107用低温胶粘在硅超半球透镜中心。而硅超半球透镜和超导氮化铌测辐射热计芯片107则通过无氧铜支架安装在低温杜瓦116内。红外滤波器104设置于低温杜瓦116内，紧贴透明窗103。红外滤波器104用于过滤掉进入低温杜瓦内的红外电磁波。本实施例中，红外滤波器104由透明窗103内侧粘贴的ZitexG-110膜状材料所实现。光学斩波器102是设置在低温杜瓦116外的光学器件，设置于透明窗103之前，用于对进入低温杜瓦内的太赫兹波进行斩波。金属网滤波片105是一种带通滤波器，用作定义直接检测器的太赫兹中心频率和带宽。
加热系统包括温度控制器112、加热电阻108、温度计109，用于通过热驱动方式驱动超导氮化铌测辐射热计芯片107。加热电阻108和温度计109设于低温杜瓦116内，温度控制器112设于低温杜瓦116之外。加热电阻108是一个50Ω/50 W的电阻，能够在低温4.2K时正常工作，安装在超导氮化铌测辐射热计芯片107的无氧铜支架上并紧贴超导氮化铌测辐射热计芯片107设置，用于对超导氮化铌测辐射热计芯片107进行加热。温度计109采用热敏电阻，测温范围在1.4 K~500 K，安装在超导氮化铌测辐射热计芯片107的无氧铜支架上并紧贴超导氮化铌测辐射热计芯片107设置，用于测量超导氮化铌测辐射热计芯片107的即时温度。温度控制器112连接加热电阻108和温度计109，用于通过温度计109采集当前超导氮化铌测辐射热计芯片107的温度，并将该温度与设定的温度进行比较，根据比较结果控制加热电阻108的加热使得超导氮化铌测辐射热计芯片107的温度与所设定的温度维持一致。
微波注入系统，用于向超导氮化铌测辐射热计芯片107注入微波信号，通过微波信号驱动方式驱动超导氮化铌测辐射热计芯片107，包括衰减器111和微波源201。微波源201通过衰减器111连接偏置器110，再通过偏置器110连接超导氮化铌测辐射热计芯片107。衰减器111用于衰减注入的微波功率并隔绝外部的噪声。微波源201为频率综合发生器，用于给芯片注入一定频率和功率的微波，使超导氮化铌测辐射热计芯片107工作在一个最佳的检测区域。本实施例中，微波源201所采用的频率综合发生器能产生频率范围在100 kHz ~26.5 GHz、功率范围在- 20 dBm ~ +20 dBm内连续可调的信号。有关微波注入系统还可以参照专利文献CN 106595878 A和专利文献CN 107036718A。
信号检测系统包括信号放大器和信号分析仪113。信号放大器为放置在低温杜瓦之外的直流跨导放大器115。直流跨导放大器115的一个端口连接偏置器110，用于提供电压偏置，另一个端口作为其电流输出端连接信号分析仪113。也就是说本实施例的直流跨导放大器115除了能够放大信号之外，还能用作偏置电压源，与前述的微波注入系统结合向超导氮化铌测辐射热计芯片107注入偏置的微波信号以驱动超导氮化铌测辐射热计芯片107。以实现专利文献CN 106595878 A中的功能。信号分析仪113是一个动态信号分析仪，能够以图像形式实时地显示信号的频谱。
太赫兹注入系统包括吸波器301、线栅分束器302和太赫兹发生器303。线栅分束器302是由一组间隔25μm的平行钨丝组成的片状体，设于低温杜瓦116的透明窗103和光学斩波器102之间，并与低温杜瓦116的透明窗103和光学斩波器102之间的轴向呈45度角。吸波器301和太赫兹发生器303分列于线栅分束器302的两侧，并朝向线栅分束器302。吸波器301和太赫兹发生器303的朝向与低温杜瓦116的透明窗103和光学斩波器102之间的轴向相垂直。吸波器301用于减少因太赫兹发生器产生的反射干扰。线栅分束器302，用于将斩波后的待测太赫兹微弱信号与太赫兹发生器产生的辐照信号一起汇聚到超导氮化铌测辐射热计芯片107上。太赫兹发生器303，能产生频率648 GHz、功率2mW的太赫兹辐照信号，用于直接检测时将芯片辐照到最佳工作区域。吸波器301、线栅分束器302和太赫兹发生器303可安装在一个升降台或平移台上进行升降或进行平移。当需要注入太赫兹波驱动超导氮化铌测辐射热计芯片107时，移动升降台或平移台，使得线栅分束器302挡在透明窗103和光学斩波器102之间，当不需要注入太赫兹波时，将线栅分束器302从在透明窗103和光学斩波器102之间移开。
偏置器110用来给超导氮化铌测辐射热计芯片107提供电压偏置并注入微波的三端口器件，为设置于低温杜瓦116内的T型偏置器，也即Bias-T。T型偏置器有三个端口，分别为：直流端口，也即DC端口；射频直流端口，也即RF+DC端口；射频端口，也即RF端口。偏置器110的直流端口连接直流跨导放大器115，并通过直流跨导放大器115连接信号分析仪113。也就是说，本实施例中，偏置器110的直流端口连接信号检测系统。偏置器110的射频端口连接衰减器111，并通过直流跨导放大器115连接微波源201。也就是说，本实施例中，偏置器110的射频端口连接微波注入系统。偏置器110的射频直流端口连接超导氮化铌测辐射热计芯片107。
锁相放大器114，用于放大特定参考频率的微弱信号，辅助动态信号分析仪读取响应信号。本实施例中，锁相放大器114连接直流跨导放大器的电流输出端，锁相放大器114的参考频率输入端口连接光学斩波器102。由此，光学斩波器102能够将其斩波频率输入至锁相放大器114。也就是说，前述的特定参考频率即为光学斩波器102的斩波频率。
本实施例的工作原理如下：
当超导氮化铌测辐射热计芯片107需要采用热驱动时，加热系统的温度控制器112驱动加热电阻108对超导氮化铌测辐射热计芯片107进行加热使得超导氮化铌测辐射热计芯片107维持在最佳的工作温度。此时，太赫兹注入系统的线栅分束器302从透明窗103和光学斩波器102之间移开，并且直流跨导放大器115仍然向超导氮化铌测辐射热计芯片107提供偏置电压，而微波注入系统不需要向超导氮化铌测辐射热计芯片107注入微波信号。
当超导氮化铌测辐射热计芯片107需要采用偏置微波驱动时，直流跨导放大器115向超导氮化铌测辐射热计芯片107提供偏置电压，同时微波注入系统向超导氮化铌测辐射热计芯片107注入微波信号，由偏置电压和微波信号组成偏置微波驱动超导氮化铌测辐射热计芯片107，使得超导氮化铌测辐射热计芯片107工作在最佳工作区间。此时，太赫兹注入系统的线栅分束器302从透明窗103和光学斩波器102之间移开，并且加热系统停止工作。
当超导氮化铌测辐射热计芯片107需要采用零偏微波驱动时，微波注入系统向超导氮化铌测辐射热计芯片107注入微波信号，由微波信号组成偏置微波驱动超导氮化铌测辐射热计芯片107，使得超导氮化铌测辐射热计芯片107工作在最佳工作区间。此时，直流跨导放大器115不向超导氮化铌测辐射热计芯片107提供偏置电压，同时太赫兹注入系统的线栅分束器302从透明窗103和光学斩波器102之间移开，并且加热系统停止工作。
当超导氮化铌测辐射热计芯片107需要太赫兹波驱动时，太赫兹注入系统的线栅分束器302移动至并挡在透明窗103和光学斩波器102之间，此时，太赫兹发生器303，所产生的太赫兹辐照信号经线栅分束器302反射后，通过透明窗103注入超导氮化铌测辐射热计芯片107，将超导氮化铌测辐射热计芯片107辐照在最佳工作区间之下。太赫兹辐射源101所发出的待检测的太赫兹波辐射信号，经光学斩波器102斩波后，穿过线栅分束器302的栅孔，经透明窗103汇入超导氮化铌测辐射热计芯片107。未汇入超导氮化铌测辐射热计芯片107的太赫兹波辐射信号则由吸波器301吸收，从而避免检测干扰。此时，直流跨导放大器115仍然向超导氮化铌测辐射热计芯片107提供偏置电压，而微波注入系统不再向超导氮化铌测辐射热计芯片107注入微波信号，并且加热系统停止工作。
Claims (10)
1.一种基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，其特征在于，包括低温杜瓦、超导氮化铌测辐射热计芯片、聚焦透镜、偏置器、光学斩波器、加热系统、微波注入系统、太赫兹注入系统以及信号检测系统；所述低温杜瓦设有透明窗，使得光波或电磁波能够通过所述透明窗进入所述低温杜瓦的内部；所述超导氮化铌测辐射热计芯片设置于低温杜瓦内；所述聚焦透镜用于将进入所述低温杜瓦内的太赫兹波聚焦于所述超导氮化铌测辐射热计芯片上；所述偏置器为T型偏置器；所述偏置器的射频直流端口连接所述超导氮化铌测辐射热计芯片；所述偏置器的射频端口连接所述微波注入系统；所述偏置器的直流端口连接所述信号检测系统；所述加热系统包括加热电阻、温度计和温度控制器；所述加热电阻和温度计紧贴所述超导氮化铌测辐射热计芯片，并连接所述低温杜瓦之外的所述温度控制器；所述微波注入系统至少包括一个连接所述偏置器的射频端口的微波源；所述光学斩波器设于所述低温杜瓦的透明窗之前，用于对进入所述低温杜瓦内的太赫兹波进行斩波；所述太赫兹注入系统包括吸波器、线栅分束器和太赫兹发生器；所述线栅分束器设于所述低温杜瓦的透明窗和所述光学斩波器之间，并与所述低温杜瓦的透明窗和所述光学斩波器之间的轴向呈45度角；所述吸波器和太赫兹发生器分列于所述线栅分束器的两侧；所述信号检测系统包括信号放大器和信号分析仪；所述信号分析仪通过所述信号放大器连接所述偏置器的直流端口。
2.如权利要求1所述的基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，其特征在于，所述微波注入系统还包括衰减器；所述微波源通过所述衰减器连接所述偏置器的射频端口；所述衰减器是一个20dB的衰减器，用于衰减注入的微波功率并隔绝外部的噪声。
3.如权利要求1所述的基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，其特征在于，还包括红外滤波器；所述红外滤波器设于所述低温杜瓦的透明窗和所述聚焦透镜之间，用于过滤掉进入所述低温杜瓦内的红外电磁波。
4.如权利要求3所述的基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，其特征在于，所述红外滤波器和所述聚焦透镜之间还设置有金属网滤波器；所述金属网滤波器是一种带通滤波器，用作定义所述直接检测器检测的太赫兹中心频率和带宽。
5.如权利要求1所述的基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，其特征在于，所述线栅分束器由一组间隔25μm的平行钨丝组成。
6.如权利要求1所述的基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，其特征在于，所述信号放大器为放置在低温杜瓦之外的直流跨导放大器；所述直流跨导放大器的一个端口连接T型偏置器的直流端口，用于提供电压偏置，另一个端口作为其电流输出端连接信号分析仪。
7.如权利要求6所述的基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，其特征在于，还包括锁相放大器；所述锁相放大器连接所述直流跨导放大器的电流输出端；所述光学斩波器的斩波频率输出连接所述锁相放大器的参考频率输入端口。
8.如权利要求1所述的基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，其特征在于，所述微波源为能产生频率范围在100 kHz ~ 26.5 GHz、功率范围在- 20 dBm ~ +20dBm内连续可调的信号的频率综合发生器。
9.如权利要求1所述的基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，其特征在于，所述太赫兹发生器能产生频率648 GHz、功率2mW的太赫兹辐照信号。
10.如权利要求1所述的基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器，其特征在于，所述加热电阻为一个50Ω/50 W，并能够在低温4.2K时正常工作的电阻。
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