紫金山天文台等首次实现太赫兹超导热电子混频器与量子级联激光器高集成度外差混频接收机

太赫兹谱段（0.1-10 THz）是最后一个有待全面发展的天文探测窗口，在当代天文学前沿研究中具有其他谱段不可替代的重要作用。该谱段包含丰富的分子和原子谱线，它们是研究宇宙生命环境的重要探针。太赫兹谱段的高光谱分辨率探测需要外差混频接收机，包括高灵敏度混频器和高频率稳定度参考信号源，1 THz以上频段的最佳选择是超导热电子（HEB)混频器和量子级联激光器（QCL）。尽管太赫兹QCL本身体积很小，但1 W级以上热耗使得与超导混频器集成应用仍然是一大挑战。

中国科学院紫金山天文台、中科院射电天文重点实验室史生才团队近期与中科院上海技术物理研究所徐刚毅团队、法国IEF实验室RaffaeleColombelli团队和英国剑桥大学Cavendish实验室David A. Ritchie团队合作，在国际上率先实现了同一4K低温环境下基于2.7 THz量子级联激光器泵浦的高集成度超导热电子外差混频接收机。相关研究成果发表在Optics Express 期刊。

该项研究采用了基于“束缚态至连续态跃迁”的有源区结构和递变型光子异质结谐振腔的低功耗单模QCL，并实现了QCL辐射波束的精确模拟仿真与整形。该成果为研制实用的太赫兹/远红外高光谱分辨率探测系统打下重要基础，也拓展了低功耗太赫兹单模QCL的应用方向，在我国南极天文台计划及未来太赫兹空间计划中有重要应用前景。

该项研究得到国家自然科学基金委重大项目、中科院先导专项B类项目及“百人计划”等经费支持。

图（左）2.7 THz量子级联激光器泵浦的高集成度超导热电子外差混频接收机；（中）整形前（上）与后（下）2.7 THz量子级联激光器波束；（右）2.7 THz量子级联激光器泵浦的超导热电子混频器（插图）电流-电压特性曲线。