CN110768729B - 中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统，用于在中红外波束实现多波束相干信号检测。在一个2x2多波束超导接收系统中，利用阶梯光栅与低温光纤分配耦合本振信号，采用中远红外波段高灵敏度超导HEB混频器，实现高效本振信号分配与耦合，最终实现中远红外波段高灵敏度高分辨率多波束频谱接收。本发明无需利用超导HEB混频器的超半球透镜耦合本振信号，而直接将光纤输出端对准超导HEB混频器芯片一侧，实现了本振信号与探测信号的隔离，有效加载本振信号。这样不仅降低探测信号损耗，提高接收系统灵敏度，同时结合多像元阶梯光栅实现了中远红外波段有效可行的多波束本振分配加载系统，易于向更大规模阵列扩展。
Description
技术领域
本发明属于多波束相干探测领域，具体涉及一种中远红外频段基于光栅和光纤耦合本振信号的多波束相干接收系统。
背景技术
远红外、中红外频段（4-20m）的高分辨率谱线观测对于研究宇宙状态和演化，包括早期宇宙演化、恒星和星系形成以及行星系统形成等研究方面具有非常重要的意义，在现代天文学研究中具有不可替代的作用。高分辨率相干接收系统不仅能够精确探测分子谱线的信号强度，并且能够清晰地识别各个谱线的频谱信息，为我们系统地研究恒星和星系形成，行星以及行星系形成过程中的运动、温度、以及其他物理特性提供了重要的科学手段。
国际上基于中红外频段高分辨率频谱接收机仅有：美国NASA研制的HIPWAC（Heterodyne Instrument for Planetary Wind and Composition）以及德国科隆大学研制的iCHIPS（Infrared Compact Heterodyne Instrument for Planetary Science）。这两台仪器均是以碲镉汞（HgCdTe）探测器作为混频器，以及量子级联激光器（QCL）作为本振信号源。2019年紫金山天文台研究小组率先实现了以超导热电子混频器（HEB，Hot-electronbolometer）和量子级联激光器的中红外相干接收系统。以上相干接收系统均采用单像元混频器，以及利用分光器（通常为Mylar、Kapton薄膜和wire grid等类型）将本振信号与探测信号共同耦合至混频器的工作方式。
我们知道，多波束相干探测技术在太赫兹频段已经在天文观测、环境监测和安检领域得到了广泛的应用，例如有JCMT望远镜的HARP-B（4×4 波束）、KOSMA望远镜的（5×5波束）接收机、HHT望远镜的SuperCam（8×8 波束）和我国13.7米毫米波望远镜的超导阵列成像频谱仪（3×3波束）等多波束接收机。然而在频率更高的中远红外频段多波束相干接收系统还未见报道。其中关键的技术挑战在于中远红外频段多像元间本振信号分配技术。传统单像元中红外接收系统的本振信号通过分光器耦合至混频器，而分光器不可避免地将增加探测信号的损耗，进而恶化混频器的灵敏度。此外通过分光器级联耦合的方式也很难实现二维阵列本振耦合需求，无法实现大规模像元阵列接收系统。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统，其特征在于，包括：中远红外本振信号源、光栅分光器、多波束光纤耦合系统、2×2像元中远红外超导HEB混频器、多通道直流偏置电源、多通道低温低噪声放大器和常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元；所述中远红外本振信号源产生本振信号，并聚焦于光栅分光器表面，所述光栅分光器将入射的本振信号反射分离为2×2共四束反射本振信号，四束本振信号通过多波束光纤耦合系统耦合至光纤端面，然后经由光纤传输至低温杜瓦中2×2像元中远红外超导HEB混频器的一侧，实现本振信号的分配与耦合；探测信号与本振信号由2×2像元中远红外超导HEB混频器进行混频，产生四路中频信号，四路中频信号先经过多通道低温低噪声放大器进行放大，再通过常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元进行高分辨频谱处理；所述多通道直流偏置电源与2×2像元中远红外超导HEB混频器相连，用于向2×2像元中远红外超导HEB混频器提供直流偏置。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述2×2像元中远红外超导HEB混频器和多通道低温低噪声放大器位于4K闭环制冷系统中。
进一步地，所述中远红外本振信号源包括量子级联激光器和离轴抛物面反射镜，所述量子级联激光器产生本振信号，经过离轴抛物面反射镜反射聚焦于光栅分光器表面。
进一步地，所述光栅分光器采用阶梯光栅，本振信号经过离轴抛物面反射镜反射聚焦于阶梯光栅表面，所述阶梯光栅通过调控反射信号的波前相位，将入射的本振信号反射分离为2×2共四束反射本振信号。
进一步地，所述多波束光纤耦合系统包括光纤耦合器和中远红外光纤，四束反射本振信号通过由抛物面反射镜构成的光纤耦合器将各束反射信号耦合至中远红外光纤端面。
进一步地，所述2×2像元中远红外超导HEB混频器为由四个中远红外超导HEB探测器构成的四像元超导HEB混频器阵列，2×2像元中远红外超导HEB混频器包括超半球透镜和中远红外超导HEB混频器芯片，探测信号由超半球透镜耦合至中远红外超导HEB混频器芯片，本振信号由中远红外光纤端面经自由空间耦合至中远红外超导HEB混频器芯片，中远红外光纤端面与中远红外超导HEB混频器芯片距离小于1mm。
进一步地，所述阶梯光栅利用Si基板进行多层深硅刻蚀，并以蒸镀金涂层作为反射式多波束阶梯光栅。
进一步地，所述中远红外光纤采用可工作在4 k温区的多晶光纤。
本发明的有益效果是：该系统无需利用超导HEB混频器的超半球透镜耦合本振信号，而直接将光纤输出端对准超导HEB混频器芯片一侧，实现了本振信号与探测信号的隔离，有效加载本振信号。这样不仅降低探测信号损耗，提高接收系统灵敏度，同时实现了有效可行的多波束本振分配加载系统，易于向更大规模阵列扩展。最终实现中远红外频段高频谱分辨率（λ/△λ>106）和高灵敏度多波束信号检测。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2是本发明中中远红外本振信号源分配耦合系统的原理示意图。
图3是本发明中光纤与超导HEB混频器信号耦合的原理示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统由中远红外本振信号源1、光栅分光器2、多波束光纤耦合系统3、2×2像元中远红外超导HEB混频器4、多通道直流偏置电源5、多通道低温低噪声放大器6和常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元7组成。其中，中远红外波段（4-20m）本振信号源采用量子级联激光器的方式；2×2波束阶梯光栅采用利用Si基板进行多层深硅刻蚀，并以蒸镀金涂层作为反射式多波束阶梯光栅；光纤耦合器采用离轴抛物面反射镜耦合自由空间波束至光纤端面；中红外低温光纤采用可工作在4k温区的多晶光纤（polycrystalline AgCl:AgBr光纤）；探测器采用超导HEB混频器；低温低噪声放大器采用集成MMIC技术的低噪声放大器。高分辨频谱处理单元采用高分辨的数字频谱技术。2×2波束超导探测器布局采用工艺易于实现的正方形阵列，同时考虑结构紧凑，并使每一像元的天线（集成于超导探测器）远场辐射图的主波束不交叠确保其接收信号受邻近像元干扰尽量低。
如图2所示，中远红外本振信号源分配耦合系统由量子级联激光器21、离轴抛物面反射镜22、阶梯光栅23、光纤耦合器24组成，2×2像元中远红外超导HEB混频器4为由四个中远红外超导HEB探测器构成的四像元超导HEB混频器阵列26。中远红外本振信号源分配耦合系统的工作原理是本振信号由量子级联激光器21产生，经过离轴抛物面镜22反射聚焦于阶梯光栅23表面。阶梯光栅23通过调控反射信号的波前相位，将入射本振信号，反射分离为2×2共四束反射信号。随后该四束反射本振信号利用由抛物面反射镜构成的光纤耦合器24将各束反射信号耦合至中远红外光纤25端面。本振信号由光纤传输至4K闭环制冷系统8中的超导HEB混频器芯片一侧。
如图3所示，2×2像元中远红外超导HEB混频器4包括超半球透镜31和中远红外超导HEB混频器芯片32。本振信号经由中远红外光纤25传输至4K闭环制冷系统8中中远红外超导HEB混频器芯片32一侧，由超导HEB混频腔机械结构保障光纤端面与混频器芯片距离小于1mm，光纤中心与超导HEB混频器对准误差小于0.1mm。本振信号由光纤端面经自由空间耦合至超导HEB混频器中，实现高效本振信号耦合。
图1中的中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统进行相干检测的步骤如下：
1、探测信号由超半球透镜31耦合至中远红外超导HEB混频器芯片32中，并与本振信号由中远红外超导HEB混频器芯片32进行混频，得到中频信号，中频信号同时保留了原信号的频率和幅度信息。2×2像元中远红外超导HEB混频器4共产生四路中频信号；
2、四路中频信号先经过多通道低温低噪声放大器6进行放大，再通过常温中频及匹配的高分辨频谱处理单元7进行高分辨频谱处理，从而完成多波束超导接收系统的亚毫米波段的信号相干检测，即窄带高分辨信号频谱分析。
图2中的中远红外本振信号分配与耦合的步骤如下：
1、本振信号由量子级联激光器21产生，经过离轴抛物面反射镜22反射聚焦于阶梯光栅23表面；
2、阶梯光栅23将入射本振信号，反射分离为2×2共四束反射信号；
3、利用抛物面反射镜构成的光纤耦合器24将各束反射信号耦合至中远红外光纤25端面；
4、通过光纤传播，本振信号耦合至中远红外超导HEB混频器芯片32一侧，实现高效本振分配与耦合。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统，其特征在于，包括：中远红外本振信号源（1）、光栅分光器（2）、多波束光纤耦合系统（3）、2×2像元中远红外超导HEB混频器（4）、多通道直流偏置电源（5）、多通道低温低噪声放大器（6）和常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元（7）；所述中远红外本振信号源（1）产生本振信号，并聚焦于光栅分光器（2）表面，所述光栅分光器（2）将入射的本振信号反射分离为2×2共四束反射本振信号，四束本振信号通过多波束光纤耦合系统（3）耦合至光纤端面，然后经由光纤传输至低温杜瓦中2×2像元中远红外超导HEB混频器（4）的一侧，实现本振信号的分配与耦合；探测信号与本振信号由2×2像元中远红外超导HEB混频器（4）进行混频，产生四路中频信号，四路中频信号先经过多通道低温低噪声放大器（6）进行放大，再通过常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元（7）进行高分辨频谱处理；所述多通道直流偏置电源（5）与2×2像元中远红外超导HEB混频器（4）相连，用于向2×2像元中远红外超导HEB混频器（4）提供直流偏置；
所述2×2像元中远红外超导HEB混频器（4）和多通道低温低噪声放大器（6）位于4K闭环制冷系统（8）中；
所述中远红外本振信号源（1）包括量子级联激光器（21）和离轴抛物面反射镜（22），所述量子级联激光器（21）产生本振信号，经过离轴抛物面反射镜（22）反射聚焦于光栅分光器（2）表面；
所述光栅分光器（2）采用阶梯光栅（23），本振信号经过离轴抛物面反射镜（22）反射聚焦于阶梯光栅（23）表面，所述阶梯光栅（23）通过调控反射信号的波前相位，将入射的本振信号反射分离为2×2共四束反射本振信号；
所述多波束光纤耦合系统（3）包括光纤耦合器（24）和中远红外光纤（25），四束反射本振信号通过由抛物面反射镜构成的光纤耦合器（24）将各束反射信号耦合至中远红外光纤（25）端面；
所述2×2像元中远红外超导HEB混频器（4）为由四个中远红外超导HEB探测器构成的四像元超导HEB混频器阵列（26），2×2像元中远红外超导HEB混频器（4）包括超半球透镜（31）和中远红外超导HEB混频器芯片（32），探测信号由超半球透镜（31）耦合至中远红外超导HEB混频器芯片（32），本振信号由中远红外光纤（25）端面经自由空间耦合至中远红外超导HEB混频器芯片（32），中远红外光纤（25）端面与中远红外超导HEB混频器芯片（32）距离小于1mm。
2.如权利要求1所述的中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统，其特征在于：所述阶梯光栅（23）利用Si基板进行多层深硅刻蚀，并以蒸镀金涂层作为反射式多波束阶梯光栅。
3.如权利要求1所述的中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统，其特征在于：所述中远红外光纤（25）采用可工作在4 k温区的多晶光纤。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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