[发明专利]新型高集成超导热电子外差接收机

说明书

新型高集成超导热电子外差接收机，采用太赫兹量子级联激光器作为本振源，太赫兹量子级联激光器通过偏轴反射镜对输出波束进行整形，经过整形后的本振信号从超导热电子混频器芯片背面直接进行耦合，被检测信号由正面耦合至超导热电子混频器。混频后中频信号经过低温工作第一级放大器和常温工作第二级放大器放大，然后通过频谱仪分析处理。本发明只使用单一杜瓦冷却太赫兹量子级联激光器和超导热电子混频器，简化了接收机结构。另外，无需使用波束分离器耦合待测信号，降低了接收机的射频噪声，同时可避免空气扰动对波束分离器以及超导外差接收机工作稳定性的影响。本发明无任何可调光学元件，且杜瓦外无任何光学元件，易于在实际系统中集成应用。

技术领域

本发明属于超导热电子外差接收机领域，具体涉及一种通过超导热电子芯片背面耦合本振信号的高集成度超导热电子外差接收机。

背景技术

太赫兹波段介于微波和红外之间，该频段是现代天文学重要频段之一。太赫兹频段存在丰富分子转动谱线和精细结构原子谱线，对这些分子和原子谱线进行高分辨率观测可以研究天体物体的化学性质与运动学特征。太赫兹波段分子转动谱线和精细结构原子谱线高分辨率观测对于理解早期宇宙演化、恒星和星系形成、行星及行星系统形成等具有非常重要的意义，在天体物理及宇宙学研究中具有不可替代的作用。事实上，国际上一系列重要天文观测发现，如宇宙微波背景辐射、系外行星、引力波等都与观测设备的技术进步息息相关，尤其是高灵敏度探测器技术。国际上已经提出并建立了一系列地面和空间太赫兹天文计划，如地面最大干涉阵列ALMA、Herschel空间天文卫星、APEX地面太赫兹望远镜、SOFIA机载平流层天文台、地面最大单口径毫米波望远镜LMT、下一代空间远红外望远镜OST、中国南极天文台等。这些计划需要高灵敏度、高频率分辨率外差接收机将待测太赫兹信号变换到较低的中频（～GHz），在保留原始信号的幅度和相位信息的同时便于后端设备分析处理。

相干探测器（外差接收机）主要核心部件为外差混频器和本振参考源。超导热电子混频器是目前1THz以上频段灵敏度最高的相干探测器，其灵敏度在整个太赫兹频段已经达到10倍量子噪声极限，个别频率点甚至突破5倍量子噪声极限。此外，超导热电子混频器没有能隙频率的限制，理论上可以工作到其等离子频率（高达100THz）。在本振参考源方面，太赫兹频段信号源主要有固态半导体源、红外气体激光器和太赫兹量子级联激光器等。固态半导体源通常应用于太赫兹低频段，在1THz以上频段，固态半导体源受寄生电抗效应限制输出信号功率急剧降低，难以满足本振参考源应用需求。红外气体激光器是目前实验室最常用的本振参考源，其输出功率大（可达上百毫瓦），但其输出信号功率稳定性不高且体积较大，难以应用于实际天文观测。太赫兹量子级联激光器是一种新发展的本振参考源，近年来太赫兹量子级联激光器在输出功率，输出频率和工作温度等各个方面均取得显著突破，已成为太赫兹频段本振参考源的重要选择之一。

外差混频器所需本振信号和待测信号通常通过波束分离器进行耦合，波束分离器同时透射待测信号并反射本振信号，两者入射方向与波束分离器平面法线成45°角。该方式为了反射足够功率的本振信号以保证外差混频器正常工作，会导致待测信号在透射波束分离器时产生10-20%的损耗，极大的提高了接收机系统的射频噪声。该损耗通常会使得整个接收机系统的灵敏度恶化200K左右，对高灵敏度的超导热电子外差接收机来说几乎占到了其系统噪声温度的40%左右。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种高灵敏度、结构紧凑且易于实际应用的超导热电子外差接收机，即一种无需使用波束分离器的超导外差集成接收机。在该集成接收机中，将采用太赫兹量子级联激光器作为本振源，和超导热电子混频器都被集成于单一杜瓦4K冷级。太赫兹量子级联激光器通过偏轴反射镜对输出波束进行整形，该反射镜与太赫兹量子级联激光器、混频器腔体集成在同一基板上。经过整形后的本振信号从超导热电子混频器芯片背面直接进行耦合，从而无需使用波束分离器，降低了接收机系统的射频噪声，同时可避免空气扰动对波束分离器以及超导外差接收机工作稳定性的影响。另外，该超导外差集成接收机中无任何可调光学元件，且杜瓦外无任何光学元件，易于在实际系统中集成应用。