一种阵列谐振式太赫兹接收器及其太赫兹光谱仪装置的制作方法

本发明涉及基于超导氮化铌测辐射热计的太赫兹光谱检测。

背景技术：

太赫兹(terahertz，通常简称thz)波，通常是指频率在0.1thz至30thz之间的电磁波。太赫兹波光子能量低、具有穿透性以及指纹谱等特征，使其广泛应用于射电天文、安检成像、生物医药等领域。近几十年来，人们对太赫兹波的研究不断深入，不同种类的太赫兹检测器和辐射源纷纷诞生，各种太赫兹光谱仪检测技术也相应产生。

基于超导氮化铌(nbn)测辐射热计(heb)的太赫兹直接检测器，速度快(响应时间约35ps)且灵敏度高(噪声等效功率nep为10^-13～10^-12w/√hz)，成为检测微弱太赫兹短脉冲信号的有力工具。太赫兹超材料是由电小尺寸、周期性重复单元构成的应用于太赫兹波段的人工电磁超材料。利用开口环结构的太赫兹超材料可制备成窄带电感电容(lc)谐振器，具有q值高、易于平面集成等优点。随着太赫兹技术的发展，对片上集成太赫兹光谱仪的需求逐步增加。传统的太赫兹光谱检测方式有干涉仪，如迈克尔逊(michelson)干涉仪等，需要一套控制移动的位移平台光学系统，不利于搭载在空间飞行器上。时域太赫兹光谱仪是较新的检测太赫兹频谱的方式，但需要较昂贵的亚皮秒或飞秒激光器。基于肖特基二极管(schottkydiode)的检测器也拥有较快的速度，但灵敏度相对不高，其噪声等效功率nep约为5.0×10^-10w/hz^1/2，对微弱太赫兹脉冲信号检测能力不及超导氮化铌(nbn)测辐射热计(heb)。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题：同时提高太赫兹信号光谱检测的灵敏度和响应速度。

为解决上述问题，本发明采用的方案如下：

根据本发明的一种阵列谐振式太赫兹接收器，包括若干谐振单元；谐振单元按n×m行列排列组成天线阵列，包括上臂、下臂、中间臂和两条侧边臂；上臂和下臂相互平行，中间臂和侧边臂相互平行；中间臂位于两条侧边臂之间，并且中间臂和侧边臂之间留有空腔；两条侧边臂的中间留有开口，使得侧边臂分成分别连接上臂和下臂的两段，从而使得谐振单元呈现两个相背的c字形结构；同一行内，谐振单元一边通过上臂之间的上臂桥串接一边相邻的谐振单元，另一边通过下臂之间的下臂桥串接另一边相邻的谐振单元；中心谐振单元是位于所述天线阵列中心的谐振单元；中心谐振单元的中间臂设有间隙，使得中间臂分成连接上臂和下臂的两段；间隙内设有超导氮化铌热电子测辐射热计；超导氮化铌热电子测辐射热计将中心谐振单元内分别连接上臂和下臂的两段中间臂桥接，并通过其所在同一行内的所有谐振单元串接，串接的一端为接地部，另一端则作为探测连接电极。

进一步，根据本发明的阵列谐振式太赫兹接收器，还包括衬底；所述天线阵列以掩模溅射金膜的方式制备在所述衬底上。

进一步，根据本发明的阵列谐振式太赫兹接收器，所述天线阵列有多组；同一组天线阵列内的谐振单元具有相同的谐振频率，不同组的天线阵列内的谐振单元具有不同的谐振频率。

根据本发明的一种太赫兹光谱仪装置，包括低温真空光学杜瓦、超半球硅透镜、阵列谐振式太赫兹接收器和读出电路，所述低温真空光学杜瓦设有透明窗，使得太赫兹波能够通过所述透明窗进入所述低温真空光学杜瓦的内部；所述超半球硅透镜用于聚焦进入所述低温真空光学杜瓦内的太赫兹波；所述阵列谐振式太赫兹接收器紧贴在所述超半球硅透镜的背部平面，包括若干谐振单元；谐振单元按n×m行列排列组成天线阵列，包括上臂、下臂、中间臂和两条侧边臂；上臂和下臂相互平行，中间臂和侧边臂相互平行；中间臂位于两条侧边臂之间，并且中间臂和侧边臂之间留有空腔；两条侧边臂的中间留有开口，使得侧边臂分成分别连接上臂和下臂的两段，从而使得谐振单元呈现两个相背的c字形结构；同一行内，谐振单元一边通过上臂之间的上臂桥串接一边相邻的谐振单元，另一边通过下臂之间的下臂桥串接另一边相邻的谐振单元；中心谐振单元是位于所述天线阵列中心的谐振单元；中心谐振单元的中间臂设有间隙，使得中间臂分成连接上臂和下臂的两段；间隙内设有超导氮化铌热电子测辐射热计；超导氮化铌热电子测辐射热计将中心谐振单元内分别连接上臂和下臂的两段中间臂桥接，并通过其所在同一行内的所有谐振单元串接，串接的一端为接地部，另一端则作为探测连接电极；所述接地部接地；所述探测连接电极连接所述读出电路；所述读出电路用于将所述天线阵列的电流响应信号放大并转换为电压信号。

进一步，根据本发明的太赫兹光谱仪装置，所述阵列谐振式太赫兹接收器还包括衬底；所述天线阵列以掩模溅射金膜的方式制备在所述衬底上。

进一步，根据本发明的太赫兹光谱仪装置，所述天线阵列有多组；同一组天线阵列内的谐振单元具有相同的谐振频率，不同组的天线阵列内的谐振单元具有不同的谐振频率；每组天线阵列分别对应一组读出电路。

进一步，根据本发明的太赫兹光谱仪装置，所述读出电路为一种低噪声、宽带的电流至电压转换放大器且为所述天线阵列中的超导氮化铌热电子测辐射热计提供电压偏置。

本发明的技术效果如下：

1、易于片上集成，制备工艺简单方便，成本低，系统简单，易于推广。

2、实验证明，本发明在检测太赫兹光谱信号时具有很高的灵敏度，并且响应速度快。

附图说明

图1是本发明实施例天线阵列的结构示意图。

图2是本发明实施例谐振单元的结构示意图。

图3是本发明实施例中心谐振单元的结构示意图。

图1、图2、图3中，1是谐振单元，10是中心谐振单元，11是上臂，12是下臂，13是中间臂，14是侧边臂，16是开口，19是间隙，21是上臂桥，22是下臂桥，24是探测连接电极，25是接地部，30是超导氮化铌热电子测辐射热计。

图4是本发明实施例太赫兹光谱仪装置的结构示意图。

图5是本发明实施例读出电路的电路图。

图4中，91是低温真空光学杜瓦，911是透明窗，92是超半球硅透镜，931是天线阵列，932是电极连接线，933是接地线，94是读出电路，941是低噪声宽带运算放大器，942是电阻，943是电压偏置源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图4所示，一种太赫兹光谱仪装置，包括低温真空光学杜瓦91、超半球硅透镜92、阵列谐振式太赫兹接收器和读出电路94。低温真空光学杜瓦91是由金属壳体实现的内部真空罐体，可以在2k至20k之间调节温度，真空度为10^-5pa。为使得太赫兹波信号能够进入低温真空光学杜瓦91内，低温真空光学杜瓦91的罐体壁上设置有能透过太赫兹波的光学透明窗911。透明窗911由麦拉膜(mylarfilm)制成。超半球硅透镜92用于收集和聚焦通过透明窗911进入低温真空光学杜瓦91内的太赫兹波，并通过无氧铜支架安装在低温真空光学杜瓦91内。阵列谐振式太赫兹接收器紧贴在超半球硅透镜92的背部平面。阵列谐振式太赫兹接收器包括有衬底和设置在衬底上的多组天线阵列931，本实施例中，包括四组天线阵列931。

天线阵列931，如图1所示，由n×m个谐振单元1按n×m行列排列组成。谐振单元1，为基于电感电容谐振原理的双开口谐振环结构，如图2所示，包括上臂11、下臂12、中间臂13和两条侧边臂14。上臂11和下臂12相互平行，中间臂13和侧边臂14相互平行。中间臂13位于两条侧边臂14之间，并且中间臂13和侧边臂14之间留有空腔15。两条侧边臂14的中间留有开口16，使得侧边臂14分成分别连接上臂11和下臂12的两段，从而使得谐振单元1呈现两个相背的c字形结构，从而形成双开口谐振环结构。同一行内，谐振单元1一边通过上臂11之间的上臂桥21串接一边相邻的谐振单元1，另一边通过下臂12之间的下臂桥22串接另一边相邻的谐振单元1。中心谐振单元10是位于天线阵列中心的谐振单元1，也就是，位于天线阵列的中心行和中心列的谐振单元。具体到本实施例的n行×m列排列的天线阵列中，若n为偶数，中心行是第n/2行或第n/2+1行；若n为奇数，中心行是第(n+1)/2行；若m为偶数，中心列是第m/2列或第m/2+1列；若m为奇数，中心列是第(m+1)/2列。如图3所示，中心谐振单元10的中间臂13设有间隙19，使得中间臂13分成连接上臂11和下臂12的两段。间隙19内设有超导氮化铌热电子测辐射热计30。超导氮化铌热电子测辐射热计30是由超导氮化铌制成的厚度3.0～5.0nm的薄膜，将中心谐振单元10内分别连接上臂11和下臂12的两段中间臂13桥接，并通过其所在同一行内的所有谐振单元1串接，串接的一端为接地部25，另一端则作为探测连接电极24。也就是，探测连接电极24和接地部25分别位于中心谐振单元10所在中心行的两端。本实施例中，n＝30,m＝40，也就是本实施例的天线阵列由1200个谐振单元1按30行×40列排列而成。

谐振单元1具有特定的谐振频率。同一组天线阵列内的谐振单元1具有相同的谐振频率，该谐振频率也是天线阵列的谐振频率。不同组的天线阵列内的谐振单元1具有不同的谐振频率。谐振单元1的谐振频率落在太赫兹的频率范围内。本实施例中，四组天线阵列内的谐振单元1的谐振频率分别为：0.65thz、0.79thz、0.89thz和1.05thz。谐振单元1的谐振频率由谐振单元1各部件的尺寸大小所确定。本实施例中，谐振频率为0.65thz的天线阵列的谐振单元1具有如下尺寸：谐振单元1的整体高度h1＝50.0μm，整体宽度w1＝32.0μm，上臂11和下臂12具有相同的宽度h2＝11.5μm，中间臂13和侧边臂14具有相同的宽度w2＝6.0μm，侧边臂14的开口16的宽度h3＝7.0μm，谐振单元1行与行之间的中心距为70.0μm，列与列之间的中心距为44.0μm，中心谐振单元10的间隙19的宽度h0＝0.20μm，超导氮化铌热电子测辐射热计30的宽度w0＝1.80μm。

本实施例中，阵列谐振式太赫兹接收器的衬底是由高阻硅制成的厚度为350μm，边长为4mm的方形高阻硅片。方形高阻硅片的衬底的底部用低温胶粘在超半球硅透镜92的背面中心，超半球硅透镜92的背面是直径为9mm的圆形平面。四组天线阵列以掩模溅射厚度约为200nm金膜的方式制备在方形高阻硅片的衬底上，并在衬底上配备一条接地线933和四条电极连接线932。接地线933连接四组天线阵列的接地部25。四条电极连接线932对应四组天线阵列，并分别各自连接一组天线阵列的探测连接电极24。四条电极连接线932对应四组读出电路94，并分别各自连接一组读出电路94，从而使得四组天线阵列分别各自连接一组读出电路94。接地线933和读出电路94的接地线共同接地连接。

本实施例中，读出电路94为一种低噪声、宽带的电流至电压转换放大器且为天线阵列提供电压偏置，其具体结构如图5所示。读出电路94包括低噪声宽带运算放大器941、电阻942和电压偏置源943。低噪声宽带运算放大器941和电阻942组成负反馈电路。负反馈电路通过连接电压偏置源943，为天线阵列提供电压偏置。由此读出电路94将天线阵列中超导氮化铌热电子测辐射热计30的电流响应信号放大并转换成电压信号输出。

本实施例的工作原理如下：

太赫兹波入射进低温真空光学杜瓦91的光学透明窗，经超半球硅透镜92的聚焦，太赫兹波进一步汇聚到阵列谐振式太赫兹接收器的各个天线阵列上。当待测太赫兹信号频率与其中一组天线阵列的谐振频率一致，且电场极化方向与双开口环电壁方向垂直时，该组天线阵列处于强电场谐振模式，等效为一个窄带lc谐振器。此时该组天线阵列对待测太赫兹信号能力吸收最强，并最大程度地被超导氮化铌热电子测辐射热计30检测，转换为电流响应信号，该电流响应信号经探测连接电极24和电极连接线932输出至读出电路94，由读出电路94放大并转换成电压信号输出。当读出电路94存在电压信号输出时，该读出电路94所对应的天线阵列的谐振频率即为所检测到的太赫兹波的频率。

本实施例对太赫兹波的检测具有很高的灵敏度及快速响应。经试验，实验测试数据表明，本实施例在频率为0.65thz的太赫兹波测得最佳噪声等效功率nep约为4.0×10^-12w/hz^1/2。

此外，需要指出的是，本实施例中，阵列谐振式太赫兹接收器所包含的天线阵列为四组，本领域技术人员理解，阵列谐振式太赫兹接收器所包含的天线阵列也可以为一组、两组或者其他数量。天线阵列中的谐振单元按30×40行列排列，本领域技术人员理解，谐振单元也可以按其他数量的行列进行排列。天线阵列的谐振频率由谐振单元1各部件的尺寸大小所确定，本领域技术人员可按照前述谐振单元1的尺寸参数调整后得到各种不同谐振频率的天线阵列，从而检测不同频率的太赫兹波信号。