[发明专利]一种检测太赫兹信号的超导氮化铌热电子接收检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导氮化铌(NbN)热电子(HEB)接收检测装置，特别是一种检测太赫兹波段的超导氮化铌(NbN)热电子(HEB)接收检测装置。

背景技术

太赫兹波(THz)段的接收检测技术在射电天文、大气物理、大气环境检测(臭氧层的形成和演变)等研究中具有重要的作用，在生物体无损检测，未来无线网络等方面也具有很好的应用潜力。

近十几年中，由于薄膜制备技术和微细加工技术的高速发展，大大促进了超导热电子器件的迅速发展。超导HEB器件是通过吸收外来辐照，在超导超薄薄膜中产生非平衡的热电子，器件的电性能发生改变，从而实现对信号的检测。超导HEB混频器主要包括两个部分：一个是用以检测THz信号的超导微桥区，另一个是连接微桥区的正常金属材料的平面天线。平面天线的作用是会聚辐射过来的THz信号，并导入超导微桥区。从器件的工作机制上，可将超导HEB分为两类，一类是扩散制冷型器件，这类HEB要求器件的长度即超导微桥区的长度(约为0.1μm)必须小于电子的热扩散长度。另一类是声子制冷型HEB，又称晶格制冷型，这类器件的工作机制是器件吸收外来辐照，产生高于声子温度的热电子，电子与声子互作用，交换能量，声子再将能量传递到基底。所以对于声子制冷型的HEB，超薄超导薄膜是器件最关键的部分。超导薄膜越薄，能量交换时间越短，HEB混频器就可获得更宽的中频带宽。NbN HEB混频器，在1THz以上频段，目前被认为是最好的低噪声，高分辨率的THz探测器，其灵敏度可以达到10倍的量子极限(hv/kT，h为普朗克常量，k为波尔兹曼常量)，并有望做得更低。目前，世界上许多发达国家都投入了大量的人、财力量致力于该类器件的研究，例如南极的HEAT项目，美国NASA的SAFIR计划，欧洲的ESORUT项目等。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种高灵敏度、太赫兹波段的超导氮化铌(NbN)热电子(HEB)接收检测装置，该装置具有所需本振功率低，中频带宽宽等优点。

技术方案：本发明设计并制备了一种检测太赫兹频段信号的高灵敏度超导氮化铌(NbN)热电子(HEB)接收检测装置，该装置包括：入射信号源、本振信号源、光束分离器、超半球透镜、偏置电源、杜瓦、低温和常温放大器、滤波器、功率计和超导氮化铌热电子器件；被检测信号由入射信号源发出，通过光束分离器后，与本振信号一起由制冷机的窗口入射至Si超半球透镜上，再经Si超半球透镜汇聚至氮化铌热电子器件上，由偏置电压源提供的直流偏置由T型偏置接头提供到氮化铌热电子器件上，氮化铌热电子器件检测出的中频信号经由低温和常温放大器放大、滤波器滤波后，由功率计读出。

超导氮化铌热电子器件通过以下技术实现：(1)3-5nm厚度的超薄氮化铌超导薄膜的生长技术(该技术已经申请专利：申请号为200710132283.5)；(2)超导氮化铌热电子器件制备的微加工技术。

利用Y因子方法，用冷热负载(77K/297K)测定了制备的NbN HEB接收机的高频响应特性。

有益效果：本发明的提供的一种高灵敏度、太赫兹波段的超导氮化铌(NbN)热电子(HEB)接收检测装置，该装置具有所需本振功率低，中频带宽宽等优点，实现了对0.4太赫兹波(THz)到5太赫兹波段频率的微弱信号进行检测。

附图说明

图1是100倍光学放大的HEB器件图形。

图2是超导NbN HEB器件剖面结构示意图。

图3是四端子法测量的NbN HEB器件的R-T曲线。

图4是不同温度下的超导NbN HEB器件的I-V曲线。

图5是本发明装置的信号检测结构原理图。

图6是超导NbN HEB接收机对2.5THz信号检测时的系统噪声温度。

具体实施方式

本发明设计并制备了一种用于太赫兹频段信号检测的高灵敏度超导氮化铌(NbN)热电子(HEB)接收检测装置，该装置包括：入射信号源、本振信号源、光束分离器、超半球透镜、偏置电源、杜瓦、低温和常温放大器、滤波器、功率计和超导氮化铌热电子器件；被检测信号由入射信号源发出，通过光束分离器后，与本振信号一起由制冷机的窗口入射至Si超半球透镜上，再经Si超半球透镜汇聚至氮化铌热电子器件上，由偏置电压源提供的直流偏置由T型偏置接头提供到氮化铌热电子器件上，氮化铌热电子器件检测出的中频信号经由低温和常温放大器放大、滤波器滤波后，由功率计读出。