太赫兹波段信号的检测

吴培亨  陈健   

南京大学超导电子学研究所

 
         为了检测太赫兹波段的超短脉冲，目前大多采用光导取样或自由空间电光取样的方法；而对于太赫兹波段连续信号的检测，则有多种方案可用，应根据灵敏度方面的要求，因事制宜作出选择。采用超导技术检测太赫兹信号，可以获得迄今为止最高的灵敏度，但有关的系统必须工作在极低的温度。

         本文主要着眼于连续波信号的检测，讨论几种主要方法及其优缺点，并就今后的研究提出一些建议。
对于频率稍低儿谱线分辨率十分重要的场合，大多采用超外差式检测器，其中有：
         a)  室温肖特基二极管混频器，目前的一般水平是本振功率为毫瓦的量级，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，其特点是噪声温度接近量子极限(10倍以内)、所需本振功率小(微瓦的量级)、并可能获得变频增益等。以之为前端的接收机多用在100一700 GHz的频率范围，最近已推进到1200 GHz。
         c)  超导热电子测辐射计(HEB)混频器，以Nb，NbN，NbTiN，A1，YBCO等材料制成尺寸为微米量级的微桥，作为混频器使用时，中频可以达到几千兆。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l－100nW的量级。
        对于频率更高但并不需要极高的谱线分辨率的场合，可以用直接检测器，如
       a)室温的直接检测器，  种类很多，如：肖特基二极管平方率检测器；铋测热电阻；高兰泡；声测热电阻；微测热电阻；快速量热计；等等。这类直接检测器使用方便，但灵敏度不高(几微伏)、标定困难、响应时间约为秒的量级。
       b)冷却的直接检测器，如：液氦冷却的硅、锗或InSb复合测辐射计；超导转变边缘测辐射计；超导一绝缘一正常金属(SIN)隧道结复合测辐射计；超导热电子测辐射计(HEB)等。噪声等效功率(NEP)各异，从10^-13W／√Hz的量级到10^-17或10^-18W／√Hz的量级，甚至高达10^-20W／√Hz。在这方面，我们今后的工作应该是：提出新型的结构类型或改进国际上虽己着手研究但尚有许多改进余地的器件。
        从整体上看，今后应鼓励研究太赫兹信号与物质的相互作用，从中发现新的物理效应，据以研制太赫兹信号检测器；此外，还应注意研究太赫兹波段频谱议，用于信号的测量和分析。