太赫兹科学技术的新发展

五、太赫兹波段信号的检测

在THz波段的开发和利用中，信号的检测具有举足轻重的重要意义。因为，一方面，与较短波长相比，THz波段光子能量低，背景噪声常常占据显著的地位；另一方面，为了充分发挥THz系统的作用（例如，发现更微弱的目标、在更远的距离上通讯等等），不断提高接收的灵敏度也是必然的追求。

在不同的频率应选择不同的检测器。在THz的低端，一般倾向于外差式的检测器，而在THz的高端，直接检测器的灵敏度似乎更胜一筹。有关的简况和进一步发展的建议如下。

脉冲THz信号检测的两种方法：（a）光导天线；（b）电光取样。

CW THz信号的检测

1．超外差式检测器（对于频率稍低而谱线分辨率十分重要的场合）

a）室温肖特基二极管混频器，目前的一般水平是本振功率0.5 mW（单管）或3－5mW（多管）。辐射计的最小可检测温度是0.05K（500GHz）或0.5K（2500GHz），积分时间1秒，带宽1GHz。 今后应着重于降低其噪声和所需的本振功率。

b）超导体一绝缘体一超导体（SIS）结混频器，以及以之为前端的接收机多用在100—700 GHz的频率范围，最近已推进到1200 GHz，并将在2007年用于空间飞行（FIRST，全称Far InfraRed and Submillimeter space Telescope；现改称European Space Agency’s Herschel)。

c）热电子测热电阻（HEB）混频器，以Nb，NbN，NbTiN，Al，YBCO等材料制成尺寸为微米量级的微桥，THz信号的热效应，使它们有灵敏的响应，响应时间也极快（快声子或电子扩散的机制）。比SIS结混频器的工作频率更高。作为混频器使用，电压响应是在皮秒的量级，因此中频可以达到几千兆，甚至15千兆（取决于材料、尺寸、冷却机制）。目前工作频率已高达5THz，噪声温度约为量子极限的10倍左右，本振功率1—100nW的量级。
热电子测热辐射计(HEB)：金属在低温下的热容很小，声子与电子系统是去耦的。外加的辐射只加热电子，其温升可以测出。

肖特基二极管混频器室温高灵敏超外差检测技术

具体的器件

2．直接检测器（对于频率更高但并不需要极高的谱线分辨率的场合）

a）室温的直接检测器，种类很多，如：小面积GaAs肖特基二极管用作天线耦合的平方率检测器；直接吸收热量后引起电阻变化的普通铋测热电阻；有温度计和读出电路与辐射吸收器集成在一起的复合测热电阻（铋、碲）；高兰泡（充气室内吸收热之后，体积有变化，使镜子偏转，用光放大器测出）；声测热电阻（用光声检测器测出气泡受热后压力的变化）；微测热电阻（用天线把功率耦合到小的吸热区域）；快速量热计；等等。
目前，这类直接检测器的标定是很大的问题，响应时间约为秒的量级；灵敏度不高（几微伏）。我们今后的工作应该是：改进和用好已有的器件，使之符合我们的研究的需要

b）冷却的直接检测器，其中，目前已有商品的如：液氦冷却的硅、锗或InSb复合测热电阻，响应时间微秒的量级，4K时噪声等效功率（NEP）约为10^-13W／√Hz的量级，冷到毫度时有很大的改进。不少商品的红外检测器对THz也能响应。在冷却的直接检测器方面，还有一些目前没有商品的，如：超导转变边缘测热电阻（超导薄膜条偏置在超导一正常转变的边缘）；悬置的微加工的硅条镀以铋，以获得理想的电阻一温度特性，并由此制成阵列；
超导一绝缘一正常金属（SIN）隧道结复合测热电阻。这些检测器的NEP约为10^-17到10^-18W／√Hz的量级。超导热电子测热电阻(HEB)也可用于转变边缘检测器，NEP约为10^-20w／√Hz的量级。

我们今后的工作应该是：提出新型的THz波检测结构或改进国际上虽已着手研究但尚有许多改进余地的器件。

鼓励研究THz信号于物质的相互作用，从中发现新的物理效应，据以研制THz信号检测器，注意国际上研究工作的新动向（例如，用高磁场中冷却至50 mk的单电子晶体管和量子点，探测入射的THz光子）。

研制以超导体－绝缘体－超导体（SIS）结混频器、热电子测热电阻（HEB）混频器为前级的THz波段接收机，实际使用于天文、环境监测登方面。

THz的单光子检测

单电子晶体管和量子点（@高磁场&50 mK)NEP＝10^-22 W／öHz响应时间：毫秒

优先鼓励研究THz信号与物质的相互作用，从中发现新的物理效应，据以研制新型THz检测器，注意国际上研究工作的新动向。

我国南京大学和紫金山天文台也已开展了THz检测和接收方面的研究工作，并取得了一定的成果。

THz检测方面的详细内容也将在专题报告中给出。

六、太赫兹功能器件

为了组成THz系统，例如THz成像和THz波谱等，除了THz源和检测系统外，其内部连接也是非常重要的，所以需要一些功能器件，如传输系统、谐振系统等。已经提出了很多种不同的传输系统，如：太赫兹金属不锈钢波导，太赫兹铁电聚合物（包层）波导（PVDF），太赫兹塑料带状平面波导，太赫兹单模蓝宝石光纤等，但研究发现，简单的直径0.9mm的金属导线波导性能可能最好（Nature 432，p377，2004），如图所示。

此外光子晶体在THz功能器件中可能会有重要的贡献。

光子晶体是折射率在空间周期性变化，存在一定光学能带间隙的介质结构，具有一定的光学禁带和通带，对于某些波长是不能透射过。光子晶体的折射率在空间排列的周期是波长量级。光子晶体的材料对工作波段的光的吸收很小。

虽然光子晶体的理论基础是建立在Maxwell方程基础上，而半导体的理论基础是建立在Schrodinger方程基础上的，它们分别属于电动力学和量子力学的范畴。但是可以证明：在光子晶体的条件下，由Maxwell方程和Schrodinger方程，可以得到相同的结果。

如果比较薛定谔方程和波动方程：

(薛定谔方程)
(波动方程)

以下两式如果成立：

则由薛定谔方程和波动方程可得到相同的结果。

由于光子晶体折射率的排列与晶体中原子的排列类似，都具有周期性，分析时都可以引入布洛赫波函数，因而可以得出：当光子晶体中折射率周期为波长量级时可以出现与固体能带理论中的禁带相类似的光学禁带。

从发展历史上来看，光子晶体的研究是源自于对光子的两个基本现象的研究（1987年同一期PRL上发表的2篇文章）。

Localization  of  Light
S.John，Phys.Rev.lett.58，2486（1987）.
Inhibition of Spontaneous Emission
E.Yablonovitch，Phys.Rev .Lett.58，2059（1987）

事实上，在此之前人们早已应用了光子晶体；微波中的慢波结构和光学中的布拉格光栅，它们都属于一维光子晶体。

1991年制造出第一个人造三维光子晶体——Yablonovite型光子晶体。

最早由ST．J．Russell等人于1992年提出的光子晶体光纤是典型的二维光子晶体。1998年报道了第一个真正利用光子禁带（PBG）导光的光子晶体光纤。

V．Berger于1998年提出非线性光子晶体。

二维光子晶体

与固体能带理论类似，在完美的光子晶体中也可以引入杂质和缺陷，使严格的周期结构破坏，这些缺陷能够束缚一定频率的光子，产生局域化的能级，这部分局域态位于光学禁带之中。

在光子晶体中也可以引入不同类型的缺陷；点缺陷，线缺陷和面缺陷等。这些缺陷的控制是光子晶体实现各种功能的基础。

缺陷态与局域态

利用光子晶体的局域态可以制备光子晶体的波导，微腔，环形谐振腔，分束器，耦合器等波导器件，可以制备出微小型平面光学回路（PLC），也可能实现三维光学回路模块。

光子晶体具有某些独特的光学特性，如微腔的高Q值性，超棱镜，大群折射率和负折射率等，使制备无阈值激光器，高效光放大器或其他功能器件成为可能。

利用光子晶体的非线性光学效应，使制造出光开关、光二极管，光三极管，光逻辑回路等器件成为可能，是制造全光集成芯片的基础。

光子晶体在近代科学技术特别是光学上有很多重要的应用。这里我们仅讨论光子晶体在THz技术中的应用。虽然光子晶体在THz技术中主要可以用来作为各种功能器件：

 1．光子晶体THz传输线、波导
 2．光子晶体THz谐振腔
 3．光子晶体THz滤波器
 4．光子晶体THz波偏振器
 5．光子晶体THz波开关
 6．光子晶体THz波混频器
 7．光子晶体THz波天线