氮化铌HEB混频器的研究

论文摘要

由于在天文方面的应用,基于HEB混频器的太赫兹探测器经历了二十余年的不断发展。HEB是一种平面波导,它具有极小的寄生电抗。2003年成功部署在南极的TREND光谱仪就是基于HEB技术制成的。基于氮化铌（NbN）超导材料的外差太赫兹波探测器有着极其高的灵敏度,它的双边带噪声温度可接近于量子极限的数量级。这种探测器可用于宇宙辐射的微弱的亚毫米波、太赫兹波的接收与分析,对于宇宙辐射的研究有着非常重大的意义。探测器采用的是一种叫作HEB的外差光混频技术,而HEB混频器可分为电子-声子相互作用冷却型（p-HEB）和电子扩散冷却型（d-HEB）。由于在实际应用中,对于d-HEB的微桥长度很短（使电子扩散时间小于电子声子作用时间）,产生的约瑟夫森噪声很大,可完全湮没信号电流,故只有p-HEB才是可行的,我们这里研究的是前一种。它的噪声温度、转换增益、IV曲线、尺寸效应、稳定性、中频特性等各种性质还没有一种好的理论能全面地解释。现在最为常用的模型是Hot-Spot Model,它能很好的符合以上各种特性,但当本地振荡器的频率超过能隙频率以上时,由于热点结构不再出现规律的调制,理论和实验数据出现较大的偏差,并且随着频率增加而变大。我们的研究重点是建立一种用效的理论模型来解释其表现特性,如本论文中所做的是加强入Andreev反射项,以期全面的符合实验数据,进而为其组成焦平面阵列提供理论预测。最后我们利用太赫兹时域光谱仪（TDS）与傅立叶红外光谱仪对NbN HEB混频器系统中所用到的Zitex滤波器进行了透过率的光谱分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 太赫兹波简介
• 1.2 太赫兹外差探测与成像介绍
• 1.3 研究内容与意义
• 2 超导NbN HEB 的结构
• 2.1 准光耦合器件
• 2.2 冷却设备与本地振荡器
• 2.3 混频器件
• 2.4 低噪声放大器
• 2.5 本章小结
• 3 HEB 混频器的理论
• 3.1 HEB 混频器原理及噪声特性
• 3.2 标准模型
• 3.3 KE 模型
• 3.4 NSGR 模型
• 3.5 含有Andreev 反射的Hot-spot 模型
• 3.6 本章小结
• 4 数值模拟分析
• 4.1 电子温度的分布曲线、I-V 曲线
• 4.2 中频阻抗
• 4.3 混频增益曲线
• 4.4 噪声温度
• 4.5 本章小结
• 5 Zitex 滤波器的实验光谱分析
• 5.1 PTFE 材料
• 5.2 Zitex
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献