Криогенные детекторы терагерцового диапазона

Криогенные детекторы
терагерцового диапазона
kT  E  
Затухание на уровне моря
Два семейства методов
• Понижение частоты квантово-оптических
методов
– Низкое спектральное разрешение (ширина линии источников >10 кГц),
акустооптика, брэгговские решетки, детекторы мощности
• Увеличение рабочей частоты
радиофизических методов
– Все функциональные элементы могут быть представлены в виде R,L,C
эквивалентных схем
– Супергетеродинные приемники. Источники гетеродина имеют высокую
фазовую стабильность
Радиоастрономия
Спектроскопия
Пример спектра, измеренного
гетеродинным методом
Медицинская диагностика
Базально-клеточная карцинома
Детектирование наркотических веществ
Детекторы кинетической
индуктивности
Детекторы с антенной
Примеры широкополосных
антенн
Поверхностные токи
логопериодической антенны
спиральная
логопериодическая
Размещение чипа на
квазиоптическкой линзе
Волноводные конструкции
Недостаток - узкополосность
Согласование антенны с
приемником
Импеданс приемника Zпр = Rпр + iXпр
Импеданс антенны ZA = RA+ iXA
PПР
1 2
 I RПР
2
max
ПР
P


8 RПР
Гетеродинные приемники
Шумовые свойства цепи усилителей
Y-factor
Измерение шумовой температуры калиброванным источником шума
Прямое детектирование
2
I 1 2

I
2
I (V0  V cos t )  I (V0 )  V cos t
 V cos t

2
V 2
V
Соотношение амплитуд тока и напряжения
Отклик по постоянному току I DC
Чувствительность
1

2
I  cos t  V cos t
2
I
V
2
2
1 2

I
1

I
2
2
V
cos

t
d
(

t
)

V

0 2 
4
V 2
V 2

I DC
I DC
1  2 I / V 2
R


P
1 / 2V I  2 I / V 

Гетеродинное преобразование частоты
SIS pumped by FFO; frequency tuning
LO frequency
290 GHz
435 GHz
500 GHz
630 GHz
hot-spot mixing model
Внутри «горячего» пятна
В сверхпроводящей
области
Lb  th
-phonon cooled
Lb  th
-diffusion cooled
Responsivity

C
G
PIF
PLO

~ 2 S ( )
PS
ZL
ZB 
- Эффективность преобразования
dV
dI
PLO = 20,30,40 nW
Физика болометров
Расчет чувствительности
- падающая мощность модулируется с частотой ω
R – сопротивление резистивного термометра
Тогда выделяемая мощность
Исходящий тепловой поток
k(T) – удельная теплопроводность
Уравнение теплового баланса
Поток входной мощности равен потоку выходной и сумме выходной и
накапливаемой в абсорбере с теплоемкостью С
- динамическая теплопроводность
стационарная часть -
зависящая от времени
чувствительность по напряжению
Подставляя нестационарную часть уравнения теплового баланса получаем:
[B/Вт]
Поскольку R зависит от Т, то для учета приращения напряжения V1
используют эффективную теплопроводность
где
- коэффициент электротермической обратной связи
Электротермическая обратная связь
• Полупроводники: α<0 Ge>G
• сверхпроводники: α>0 Ge<G
Чувствительность по напряжению
Нужен разумный баланс между высокой чувствительностью и малой τe
Мощность эквивалентная шуму
• Это оптическая мощность, приложенная к
входу идеального (нешумящего) оптического
приемника и создающая на выходе
электрическую шумовую мощность, равную
наблюдаемой на выходе фактически
рассматриваемого приемника.
• Мощность сигнала на входе, при которой
соотношение сигнал/шум на выходе равно 1,
если времени интегрирования составляет 0.5 с
Собственная МЭШ болометра
Болометр на крае с/п перехода
Изменение электронной температуры БКП под действием излучения
приводит к увеличению сопротивления пленки вблизи критической
температуры Тк. Ток через болометр, работающий в режиме задания
напряжения, считывается посредством СКВИДа.
ΔT<10-5 К
NEP~10-15 W/Hz0.5
Минимальная NEP ~ 10-15
W/Hz0.5
При Tc=500 mK
NEP

2
4k T G
Болометр на холодных электронах
Уравнение теплового баланса БХЭ
Квантовая эфективность N и S
абсорберов
Массив – частотно селективная
поверхность
Массив линзовых антенн
МЭШ
Массив линзовых антенн