摘要： 太赫茲波段占有宇宙微波背景（ CMB） 輻射以后宇宙空間近一半的光子能量，該波段在天文學研究中具有不可替代的作用，因此太赫茲天文學的研究，具有極其重要的科學意義。本文系統介紹了基于超高靈敏度太赫茲超導探測技術的太赫茲相干探測器發展狀況，包括超導隧道結混頻器（ SIS） 和超導熱電子混頻器（ HEB） ,以及以超導動態電感探測器（ MKIDs） 和超導相變邊緣探測器（ TES） 為代表的非相干探測器的研究。在此基礎上，展望了該領域未來發展趨勢，對我國太赫茲天文探測技術的發展具有一定的參考意義。

關 鍵 詞： 太赫茲； 超導； 相干探測； 非相干探測。

1 引 言

1. 1 太赫茲天文及大氣科學從 20 世紀 90 年代以來，國際上太赫茲頻段的一系列重要天文觀測發現已經沖擊了天體物理各個層次的研究。太赫茲波段占有宇宙微波背景（ CMB） 輻射以后宇宙空間近一半的光子能量，該波段在天文學研究中具有不可替代的作用。例如，位于夏威夷 Muna Kea 的 JCMT 望遠鏡的SCUBA 深度巡天發現了亞毫米波星系團和星系，這些最原始的星系在哈勃空間望遠鏡（ HST） 深場內竟沒有光學對應體[1].與光學近紅外波段相比，它具有穿透星際塵埃的能力，有更高的空間與時間相干性； 而與微波毫米波段相比，則具有更高空間分辨率，還可具有更寬瞬時帶寬。

總體來講，太赫茲波段天文學研究的基本特點包括： （ 1） 根據維恩位移定律，10 K 黑體輻射功率的峰值出現在約 1 THz,所以它是天體形成階段冷暗目標最適合觀測的波段； （ 2） 早期遙遠天體由于多譜勒頻移效應，其輻射落入太赫茲頻段，且星際塵埃吸收早期遙遠天體的紫外/可見光后產生亞毫米波輻射，所以它是早期遙遠天體最適合觀測的波段； （ 3） 星際介質遮擋在 THz 波段遠弱于可見光/近紅外，所以它是研究星際塵埃和氣體分子云內部星際介質和恒星物理狀態的獨特波段； （ 4） 太赫茲波段有非常豐富的分子譜線和精細結構原子譜線，被稱為分子/原子譜線“森林”.因此，太赫茲波天文學研究對于理解宇宙狀態和演化有非常重要的意義，正成為現代天體物理的前沿研究領域之一[2-3]

因為太赫茲波與分子轉動的強相互作用會導致強吸收或發射譜線，這一特征使得太赫茲波段除了在天文學具有特別重要的科學意義外，在其他學科也具有廣泛的研究價值，例如： 特別適合大氣及分子科學研究等。太赫茲波段覆蓋了地球大氣中重要的探針分子，且具有全天候觀測的獨特優勢，是開展地球大氣觀測研究及大氣污染監測的獨特波段。針對地球大氣同溫層和對流層中太赫茲分子譜線的高精度測量將是理解地球大氣臭氧層變化和全球氣候變暖與人類溫室氣體排放之間關系的有效手段之一，非常有助于建立精確的地球大氣模型，進而更清晰了解目前地球大氣狀態和預測未來的臭氧層和全球氣候變化。

1. 2 太赫茲超導探測器盡管人們早已認識到太赫茲波段具有非常重要的科學意義和廣泛的應用前景，但該波段仍然是一個有待全面研究和開發的電磁頻率窗口。制約太赫茲波段發展與應用的主要因素有： （ 1） 太赫茲信號產生技術的嚴重缺乏，包括信號源的頻率范圍和輸出信號功率等方面； （ 2） 太赫茲信號探測技術的嚴重缺乏，包括探測靈敏度、帶寬、響應時間、以及探測器陣列規模等問題； （ 3） 大氣衰減的限制。因此，發展具有超高靈敏度的太赫茲探測技術，是推動太赫茲技術發展的重要因素。上世紀末，天體物理學、宇宙學、大氣物理學等基礎科學研究的發展極大推動了太赫茲頻段高靈敏度探測技術的發展，特別是基于低溫超導器件的探測技術，已經成為該波段靈敏度最高的探測器，在天體物理和宇宙學觀測研究中正發揮越來越重要的作用。而其在宇宙學和天體物理研究領域的應用則導致了利用宇宙背景輻射（ CMB） 場分布精確測量宇宙學參數、SCUBA 星系的發現等一系列重大科學突破，正在太赫茲觀測設備中發揮著越來越重要作用。與半導體探測器相比，太赫茲超導探測器除了有超高靈敏度的優點外，還有平面工藝制備、本振信號功率需求低、高動態范圍和響應時間快等優點。目前，太赫茲超導探測技術正在向更高頻率、更高靈敏度和更大規模方向發展。

與其它波段類似，太赫茲探測器分成相干探測器和非相干探測器兩大類[3].太赫茲相干探測器能夠同時探測信號的幅度和相位信息[4],主要應用于高頻率分辨率的分子和原子譜線觀測，以及具有高空間分辨率的天線干涉陣列，主要有超導隧道結（ SIS） 混頻器和超導熱電子混頻器（ HEB） 兩種，前者主要應用于1 THz 以下頻段，后者多用于 1 THz 以上頻段。太赫茲非相干探測器則只能探測信號的幅度信息，而不能獲取其相位信息，主要應用于低頻率分辨率的連續譜觀測和分光頻譜儀的中頻率分辨率譜線觀測，主要有超導動態電感探測器（ MKIDs） 和超導相變邊緣探測第 1 期 李 婧，等： 超高靈敏度太赫茲超導探測技術發展123器（ TES）[3]

2 國內外發展現狀與趨勢

2. 1 太赫茲超導相干探測器2. 1. 1 超導隧道結（ SIS） 混頻器 超導隧道結（ SIS） 混頻器是基于準粒子隧穿效應的量子混頻器，它是由兩塊超導體及其中間極薄的勢壘層構成。超導隧道結混頻器的典型伏安特性性是基于準粒子隧穿效應，而非庫伯對隧穿效應。它除了取決于其超導和絕緣層材料的本征特性外，還與制備工藝密切相關。其工作頻率上限主要取決于所采用超導材料的能帶。例如，目前應用最廣泛的鈮（ Nb） 和鈮鈦氮（ NbTiN） 超導 SIS 混頻器主要工作在太赫茲低頻段（ 0. 1 ~1. 4 THz） ,其噪聲性能在低于 0. 7 THz 的頻率范圍內已達 3 倍量子極限，但在 0. 7 ~1. 4 THz 的區間尚未突破 5 倍量子極限。

超導 SIS 混頻器的其他典型特征還包括： 穩定工作變頻增益高（ ~0 dB） ; 瞬時帶寬基本無限制，至少可達幾十 GHz; 本振功率需求（ 100% 耦合情況） 在 0. 1 THz 約幾 nW,但隨頻率的平方增加； 與超導 HEB 混頻器相比，可穩定工作電壓區間寬，但在能隙頻率 fgap以上逐漸減小直到零。

超導 SIS 混頻器的性能在其能隙頻率以上將急劇惡化，主要原因是混頻電路中超導體吸收光子能量拆開其中的庫伯對，進而導致能量損耗。另一方面，超導 SIS 混頻器的上限頻率約為其能隙頻率的兩倍[5]

目前超導 SIS 研究領域主要有兩個方向： 一是在現有較成熟的 Nb 超導 SIS 混頻器中引入高能隙超導材料作為其調諧和阻抗變換電路的導體。這種情況可以解決 0. 7 THz 以上 Nb 超導電路的損耗問題，但 SIS 混頻器的頻率上限仍限制在 1. 4 THz; 另外一個方向則是利用高能隙超導材料實現具有更高 fgap的超導 SIS 結及其混頻電路，其頻率上限有望突破 1. 4 THz.荷蘭 SRON/TUDelft 研究小組是前一種的代表，主要應用 Nb-TiN 超導薄膜并結合基于 AlN 勢壘層的高臨界電流密度 Nb 超導 SIS 結制備技術，在 1 THz 頻率附近取得了較理想的結果。Caltech/JPL 和 NiCT/NAOJ / PMO 研究小組是后一種的代表，其中美國Caltech / JPL 小組主要致力于高 Jc 全 NbTiN 超導SIS 結和 NbTiN / Nb 混合 SIS 結的研究，除了實現良好噪聲性能外，也實現了迄今為止頻率最高的超導 SIS 混頻技術[6-8].NiCT/NAOJ/PMO 研究小組一直努力發展全 NbN 超導 SIS 結混頻器，為ALMA 計劃第十波段（ 787 ~ 950 GHz） 所研制的全 NbN 波導型 SIS 混頻器已達到了低于5 倍量子極限的噪聲溫度，而高性能的 0. 5 THz 全 NbN 超導 SIS 混 頻 器 則 實 現 了 天 文 觀 測 的 首 次 應用[9-10],相關成果如圖 1 所示。