[發(fā)明專利]新型高集成超導(dǎo)熱電子外差接收機

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911068638.8
• 申請日: 2019-11-05
• 公開（公告）號: CN110808788B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周康敏;繆巍;任遠(yuǎn);張文;史生才
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院紫金山天文臺
• 主分類號: H04B10/64
• 分類號: H04B10/64;H04B10/61;H04B10/70
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 上官鳳棲

新型高集成超導(dǎo)熱電子外差接收機，采用太赫茲量子級聯(lián)激光器作為本振源，太赫茲量子級聯(lián)激光器通過偏軸反射鏡對輸出波束進行整形，經(jīng)過整形后的本振信號從超導(dǎo)熱電子混頻器芯片背面直接進行耦合，被檢測信號由正面耦合至超導(dǎo)熱電子混頻器。混頻后中頻信號經(jīng)過低溫工作第一級放大器和常溫工作第二級放大器放大，然后通過頻譜儀分析處理。本發(fā)明只使用單一杜瓦冷卻太赫茲量子級聯(lián)激光器和超導(dǎo)熱電子混頻器，簡化了接收機結(jié)構(gòu)。另外，無需使用波束分離器耦合待測信號，降低了接收機的射頻噪聲，同時可避免空氣擾動對波束分離器以及超導(dǎo)外差接收機工作穩(wěn)定性的影響。本發(fā)明無任何可調(diào)光學(xué)元件，且杜瓦外無任何光學(xué)元件，易于在實際系統(tǒng)中集成應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超導(dǎo)熱電子外差接收機領(lǐng)域，具體涉及一種通過超導(dǎo)熱電子芯片背面耦合本振信號的高集成度超導(dǎo)熱電子外差接收機。

背景技術(shù)

太赫茲波段介于微波和紅外之間，該頻段是現(xiàn)代天文學(xué)重要頻段之一。太赫茲頻段存在豐富分子轉(zhuǎn)動譜線和精細(xì)結(jié)構(gòu)原子譜線，對這些分子和原子譜線進行高分辨率觀測可以研究天體物體的化學(xué)性質(zhì)與運動學(xué)特征。太赫茲波段分子轉(zhuǎn)動譜線和精細(xì)結(jié)構(gòu)原子譜線高分辨率觀測對于理解早期宇宙演化、恒星和星系形成、行星及行星系統(tǒng)形成等具有非常重要的意義，在天體物理及宇宙學(xué)研究中具有不可替代的作用。事實上，國際上一系列重要天文觀測發(fā)現(xiàn)，如宇宙微波背景輻射、系外行星、引力波等都與觀測設(shè)備的技術(shù)進步息息相關(guān)，尤其是高靈敏度探測器技術(shù)。國際上已經(jīng)提出并建立了一系列地面和空間太赫茲天文計劃，如地面最大干涉陣列ALMA、Herschel空間天文衛(wèi)星、APEX地面太赫茲望遠(yuǎn)鏡、SOFIA機載平流層天文臺、地面最大單口徑毫米波望遠(yuǎn)鏡LMT、下一代空間遠(yuǎn)紅外望遠(yuǎn)鏡OST、中國南極天文臺等。這些計劃需要高靈敏度、高頻率分辨率外差接收機將待測太赫茲信號變換到較低的中頻（～GHz），在保留原始信號的幅度和相位信息的同時便于后端設(shè)備分析處理。

相干探測器（外差接收機）主要核心部件為外差混頻器和本振參考源。超導(dǎo)熱電子混頻器是目前1THz以上頻段靈敏度最高的相干探測器，其靈敏度在整個太赫茲頻段已經(jīng)達(dá)到10倍量子噪聲極限，個別頻率點甚至突破5倍量子噪聲極限。此外，超導(dǎo)熱電子混頻器沒有能隙頻率的限制，理論上可以工作到其等離子頻率（高達(dá)100THz）。在本振參考源方面，太赫茲頻段信號源主要有固態(tài)半導(dǎo)體源、紅外氣體激光器和太赫茲量子級聯(lián)激光器等。固態(tài)半導(dǎo)體源通常應(yīng)用于太赫茲低頻段，在1THz以上頻段，固態(tài)半導(dǎo)體源受寄生電抗效應(yīng)限制輸出信號功率急劇降低，難以滿足本振參考源應(yīng)用需求。紅外氣體激光器是目前實驗室最常用的本振參考源，其輸出功率大（可達(dá)上百毫瓦），但其輸出信號功率穩(wěn)定性不高且體積較大，難以應(yīng)用于實際天文觀測。太赫茲量子級聯(lián)激光器是一種新發(fā)展的本振參考源，近年來太赫茲量子級聯(lián)激光器在輸出功率，輸出頻率和工作溫度等各個方面均取得顯著突破，已成為太赫茲頻段本振參考源的重要選擇之一。

外差混頻器所需本振信號和待測信號通常通過波束分離器進行耦合，波束分離器同時透射待測信號并反射本振信號，兩者入射方向與波束分離器平面法線成45°角。該方式為了反射足夠功率的本振信號以保證外差混頻器正常工作，會導(dǎo)致待測信號在透射波束分離器時產(chǎn)生10-20%的損耗，極大的提高了接收機系統(tǒng)的射頻噪聲。該損耗通常會使得整個接收機系統(tǒng)的靈敏度惡化200K左右，對高靈敏度的超導(dǎo)熱電子外差接收機來說幾乎占到了其系統(tǒng)噪聲溫度的40%左右。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種高靈敏度、結(jié)構(gòu)緊湊且易于實際應(yīng)用的超導(dǎo)熱電子外差接收機，即一種無需使用波束分離器的超導(dǎo)外差集成接收機。在該集成接收機中，將采用太赫茲量子級聯(lián)激光器作為本振源，和超導(dǎo)熱電子混頻器都被集成于單一杜瓦4K冷級。太赫茲量子級聯(lián)激光器通過偏軸反射鏡對輸出波束進行整形，該反射鏡與太赫茲量子級聯(lián)激光器、混頻器腔體集成在同一基板上。經(jīng)過整形后的本振信號從超導(dǎo)熱電子混頻器芯片背面直接進行耦合，從而無需使用波束分離器，降低了接收機系統(tǒng)的射頻噪聲，同時可避免空氣擾動對波束分離器以及超導(dǎo)外差接收機工作穩(wěn)定性的影響。另外，該超導(dǎo)外差集成接收機中無任何可調(diào)光學(xué)元件，且杜瓦外無任何光學(xué)元件，易于在實際系統(tǒng)中集成應(yīng)用。