一种基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器制造技术

本发明专利技术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。

A direct detector based on superconducting NB reusing heat, microwave and Terahertz

The present invention discloses a direct detector based on superconducting niobium nitride multiplexing heat, microwave and terahertz, including low temperature dewar, superconducting niobium niobium thermeter chip, focusing lens, biasing device, optical chopper, heating system, microwave injection system, terahertz injection system and signal detection system. The superconducting NB thermo meter chip is set in cryogenic dewar. The cryogenic Dewar has a transparent window that allows the terahertz wave to enter the interior of the cryogenic Dewar through a transparent window. The terahertz wave is focused on the superconducting niobium radiation thermeter chip by focusing the lens. The biasing device is a T type biasing device connected with a superconducting NB thermo meter chip. The RF port and DC port of the biasing device are respectively connected with the microwave injection system and the signal detection system. The heating system is used to heat up the superconducting niobium nitride bolometer chip. The optical chopper is located before the transparent window of the low-temperature dewar. The terahertz injection system is located between the transparent window and the optical chopper of the low-temperature dewar.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超导氮化铌复用热、微波及太赫兹的直接检测器
本专利技术涉及基于超导氮化铌测辐射热计的太赫兹波信号检测。
技术介绍
太赫兹（THz）波，一般指频率在0.1THz~30THz之间的电磁波（M.Tonouchi,NaturePhotonics,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1THz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（NoiseEquivalentPower，简称NEP）。后来，本申请人于2017年4月16日通过专利文献CN106595878A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CN107036718A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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题：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，本专利技术采用的方案如下：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100kHz~26.5GHz、功率范围在-20dBm~+20dBm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648GHz、功率2mW的太赫兹辐照信号。进一步，所述加热电阻为一个50Ω/50W，并能够在低温4.2K时正常工作的电阻。本专利技术的技术效果如下：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NbNHEB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是本专利技术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专利技术做进一步详细说明。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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏润丰，陈健，张一頔，涂学凑，贾小氢，康琳，金飚兵，许伟伟，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32