双极化太赫兹谐振探测单元及阵列式探测装置

本发明涉及太赫兹信号探测和成像。

背景技术：

1、光子是传递电磁波相互作用的基本粒子，单光子探测器是一种抗噪声干扰能力强、超高灵敏度器件，其能探测光的最小能量量子，并对单个光子进行计数。当信号强度仅为几个光子能量级时，单光子探测器能探测其幅度、相位和极化等信息，可突破传统直接探测器只探测幅度的局限，能实现对极微弱目标信号的超高灵敏度探测，具有极大优势。近些年来，随着量子信息技术飞速发展，涌现出各种新型量子信息器件。常见的单光子探测器种类主要有光电倍增管（pmt）、单光子雪崩二极管（spad）及超导纳米线单光子探测器（snspd）等。这些单光子探测器大部分都工作在红外、可见光或以上频段，很少能在远红外或太赫兹频段进行单光子探测。

2、太赫兹波，一般指频率在0.1thz至10thz之间的电磁波，其覆盖亚毫米波至远红外波段，处于电子学与光子学的过渡频段。相比红外波段，太赫兹波单个光子能量要低两个数量级，因此探测更低能量太赫兹单个光子需要更高灵敏度的太赫兹探测器。太赫兹波有着丰富的可用频段资源，其具有指纹谱的特点，并对干燥物料具备穿透性，且有着宽带宽和高分辨率的优点，已应用于安检成像和生物医药等技术领域。此外，太赫兹频段是未来军事高科技竞争的战略制高点，太赫兹单光子探测在雷达增程、远程防空预警、反隐身目标追踪、光谱测量以及生物荧光等领域前景广阔，是未来太赫兹探测技术的重要发展方向，可推动太赫兹技术在军事和民用领域的进一步应用。

3、专利文献cn 112540056 a公开了一种阵列式太赫兹接收装置及其读出装置。阵列式太赫兹接收装置包括共面波导器和阵列式布置的谐振探测单元。每个谐振探测单元包括有大小叉指电容和曲折电感以及连接大小叉指电容和曲折电感的基于超导氮化铌测辐射热计的超导天线耦合探测单元。该阵列式太赫兹接收装置及其读出装置可进行太赫兹波连续功率探测和灵敏成像，频分复用读出系统相对简单。因此，可频分复用读出的阵列式谐振结构太赫兹探测器是一个很好的发展方向。

4、现有技术下，对太赫兹波的探测研究大都还处于连续功率探测阶段，大部分太赫兹探测器尚不具备探测单个太赫兹光子的灵敏度，利用太赫兹单光子探测器进行太赫兹单光子计数和成像还处于刚起步阶段。专利文献cn 112540056 a所公开的阵列式太赫兹接收装置的灵敏度不足以探测太赫兹单光子。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题：提高太赫兹探测器的灵敏度，尤其是阵列式结构中提高太赫兹信号的探测灵敏度，使其能够探测单个太赫兹光子。

2、为解决上述问题，本发明采用的方案如下：

3、根据本发明的双极化太赫兹谐振探测单元，包括谐振单元和超导量子电容探测单元；超导量子电容探测单元包括超导岛、约瑟夫森结和准粒子库；超导岛通过栅极电容器连接谐振单元；准粒子库包括吸收器和中间臂；吸收器包括北向连接臂、南向连接臂和十字单元串；北向连接臂和南向连接臂横向设置且相互平行；十字单元串有若干，设置在北向连接臂和南向连接臂之间；十字单元串包括若干通过纵向臂串接的方框体；方框体由两根相互平行的横向臂和两根相互平行的侧臂所组成；纵向臂末端垂直连接横向臂，并与横向臂组成t字形结构；连接横向臂的纵向臂有两根，相互平行，且其对称中心线和两根侧臂的对称中心线共线；所述十字单元串最北方的方框体通过纵向臂连接北向连接臂，最南方的方框体通过纵向臂连接南向连接臂；连接北向连接臂和南向连接臂的纵向臂与北向连接臂、南向连接臂相垂直；中间臂一端连接北向连接臂，另一端通过约瑟夫森结连接超导岛；谐振单元包括相连的微电容器和微电感器。

4、进一步，根据本发明的谐振探测单元，超导岛是一根由超导材质制成的细长线体，与北向连接臂相平行；中间臂与北向连接臂、超导岛相垂直；中间臂与北向连接臂的连接点位于北向连接臂的中点；中间臂与超导岛连接的约瑟夫森结位于超导岛的中点。

5、进一步，根据本发明的谐振探测单元，北向连接臂和南向连接臂之间的各个十字单元串所包括的方框体数量相同且横向位置相同。

6、进一步，根据本发明的谐振探测单元，微电容器包括南北向布置并相互平行的左臂和右臂；左臂连接有若干与左臂相垂直的左手指；右臂连接有若干与右臂相垂直的右手指；左手指和右手指相间交错排列于左臂和右臂之间；微电感器设置在微电容器的左侧，包括若干水平折线和竖直折线；水平折线和左臂相垂直；竖直折线和左臂相平行；水平折线沿着南北向等间距布置，左右两端分别通过竖直折线连接两根相邻的水平折线；其中，最北方的水平折线通过左桥肩连接右臂；最南方的水平折线通过右桥臂和右桥肩连接左臂；右桥臂平行于左臂；右桥肩垂直于左臂，并与最北方的左手指共线；右桥肩两端分别连接右桥臂和左臂；微电容器最南方的右手指的指根，也即右臂最南方的末端，通过栅极电容器连接超导岛。

7、进一步，根据本发明的谐振探测单元，超导岛是一根由超导材质制成的细长线体，与微电容器最南方的右手指相平行；栅极电容器由超导岛和微电容器最南方的右手指构筑而成。

8、进一步，根据本发明的谐振探测单元，谐振单元和超导量子电容探测单元设置在被共面波导地平面所环绕的槽体中；其中，谐振单元位于第一槽体，超导量子电容探测单元位于第二槽体；第一槽体和第二槽体连通，且第二槽体面积小于第一槽体。

9、进一步，根据本发明的谐振探测单元，约瑟夫森结包括隧道结底层、隧道结顶层以及位于隧道结底层和隧道结顶层之间的隧道结中间层；其中，隧道结底层和隧道结顶层由超导材料制成；隧道结底层和隧道结顶层分别连接中间臂和超导岛；隧道结中间层采用铝氧化物薄膜，厚度不超过纳米，电阻不小于6.15kω。

10、进一步，根据本发明的谐振探测单元，准粒子库和谐振单元均由超导材料制成；制成准粒子库的超导材料与制成超导岛、隧道结顶层和隧道结底层的超导材料相同，其临界温度小于制成谐振单元的超导材料。

11、根据本发明的双极化太赫兹阵列式探测装置，包括设置在衬底上的探测电路；探测电路包括共面波导器、共面波导地平面以及上述的谐振探测单元；共面波导器包括中心馈线和连接于中心馈线末端的馈线接头部；中心馈线、馈线接头部和所述谐振探测单元被共面波导地平面包围，并与所述共面波导地平面绝缘相隔；所述谐振探测单元有n×m个，按照n×m行列排列成谐振探测单元阵列；中心馈线按照之字形走线，来回穿插于谐振探测单元阵列行间或列间；其中，n和m大于等于1。

12、进一步，根据本发明的阵列式探测装置，各个谐振探测单元的谐振单元的谐振频率呈等差数列。

13、本发明的技术效果如下：本发明具有极高的灵敏度，能够探测极为微弱的双极化太赫兹信号，可进行太赫兹单光子探测、计数和成像。

技术特征：

1.双极化太赫兹谐振探测单元，其特征在于，包括谐振单元(3)和超导量子电容探测单元(4)；超导量子电容探测单元(4)包括超导岛(41)、约瑟夫森结(42)和准粒子库(46)；超导岛(41)通过栅极电容器(43)连接谐振单元(3)；准粒子库(46)包括吸收器(5)和中间臂(45)；吸收器(5)包括北向连接臂(59n)、南向连接臂(59s)和十字单元串(500)；北向连接臂(59n)和南向连接臂(59s)横向设置且相互平行；十字单元串(500)有若干，设置在北向连接臂(59n)和南向连接臂(59s)之间；十字单元串(500)包括若干通过纵向臂(52)串接的方框体(51)；方框体(51)由两根相互平行的横向臂(511)和两根相互平行的侧臂(512)所组成；纵向臂(52)末端垂直连接横向臂(511)，并与横向臂(511)组成t字形结构；连接横向臂(511)的纵向臂(52)有两根，相互平行，且其对称中心线和两根侧臂(512)的对称中心线共线；所述十字单元串(500)最北方的方框体(51)通过纵向臂(52)连接北向连接臂(59n)，最南方的方框体(51)通过纵向臂(52)连接南向连接臂(59s)；连接北向连接臂(59n)和南向连接臂(59s)的纵向臂(52)与北向连接臂(59n)、南向连接臂(59s)相垂直；中间臂(45)一端连接北向连接臂(59n)，另一端通过约瑟夫森结(42)连接超导岛(41)；谐振单元(3)包括相连的微电容器(31)和微电感器(32)。

2.根据权利要求1所述的谐振探测单元，其特征在于，超导岛(41)是一根由超导材质制成的细长线体，与北向连接臂(59n)相平行；中间臂(45)与北向连接臂(59n)、超导岛(41)相垂直；中间臂(45)与北向连接臂(59n)的连接点位于北向连接臂(59n)的中点；中间臂(45)与超导岛(41)连接的约瑟夫森结(42)位于超导岛(41)的中点。

3.根据权利要求1所述的谐振探测单元，其特征在于，北向连接臂(59n)和南向连接臂(59s)之间的各个十字单元串(500)所包括的方框体(51)数量相同且横向位置相同。

4.根据权利要求1所述的谐振探测单元，其特征在于，微电容器(31)包括南北向布置并相互平行的左臂(311)和右臂(312)；左臂(311)连接有若干与左臂(311)相垂直的左手指(313)；右臂(312)连接有若干与右臂(312)相垂直的右手指(314)；左手指(313)和右手指(314)相间交错排列于左臂(311)和右臂(312)之间；微电感器(32)设置在微电容器(31)的左侧，包括若干水平折线(321)和竖直折线(322)；水平折线(321)和左臂(311)相垂直；竖直折线(322)和左臂(311)相平行；水平折线(321)沿着南北向等间距布置，左右两端分别通过竖直折线(322)连接两根相邻的水平折线(321)；其中，最北方的水平折线(321)通过左桥肩(21)连接右臂(312)；最南方的水平折线(321)通过右桥臂(22)和右桥肩(23)连接左臂(311)；右桥臂(22)平行于左臂(311)；右桥肩(23)垂直于左臂(311)，并与最北方的左手指(313)共线；右桥肩(23)两端分别连接右桥臂(22)和左臂(311)；微电容器(31)最南方的右手指(314)的指根，也即右臂(312)最南方的末端，通过栅极电容器(43)连接超导岛(41)。

5.根据权利要求4所述的谐振探测单元，其特征在于，超导岛(41)是一根由超导材质制成的细长线体，与微电容器(31)最南方的右手指(314)相平行；栅极电容器(43)由超导岛(41)和微电容器(31)最南方的右手指(314)构筑而成。

6.根据权利要求1所述的谐振探测单元，其特征在于，谐振单元(3)和超导量子电容探测单元(4)设置在被共面波导地平面(14)所环绕的槽体中；其中，谐振单元(3)位于第一槽体(191)，超导量子电容探测单元(4)位于第二槽体(192)；第一槽体(191)和第二槽体(192)连通，且第二槽体(192)面积小于第一槽体(191)。

7.根据权利要求1至6任一项所述的谐振探测单元，其特征在于，约瑟夫森结(42)包括隧道结底层(421)、隧道结顶层(422)以及位于隧道结底层(421)和隧道结顶层(422)之间的隧道结中间层(423)；其中，隧道结底层(421)和隧道结顶层(422)由超导材料制成；隧道结底层(421)和隧道结顶层(422)分别连接中间臂(45)和超导岛(41)；隧道结中间层(423)采用铝氧化物薄膜，厚度不超过3纳米，电阻不小于6.15kω。

8.根据权利要求7所述的谐振探测单元，其特征在于，准粒子库(46)和谐振单元(3)均由超导材料制成；制成准粒子库(46)的超导材料与制成超导岛(41)、隧道结顶层(421)和隧道结底层(422)的超导材料相同，其临界温度小于制成谐振单元(3)的超导材料。

9.双极化太赫兹阵列式探测装置，其特征在于，包括设置在衬底(19)上的探测电路(100)；探测电路(100)包括共面波导器(110)、共面波导地平面(14)以及根据权利要求1至9任一项所述的谐振探测单元；共面波导器(110)包括中心馈线(11)和连接于中心馈线(11)末端的馈线接头部(12)；中心馈线(11)、馈线接头部(12)和所述谐振探测单元被共面波导地平面(14)包围，并与所述共面波导地平面(14)绝缘相隔；所述谐振探测单元有n×m个，按照n×m行列排列成谐振探测单元阵列(130)；中心馈线(11)按照之字形走线，来回穿插于谐振探测单元阵列(130)行间或列间；其中，n和m大于等于1。

10.根据权利要求9所述的阵列式探测装置，其特征在于，各个谐振探测单元的谐振单元(3)的谐振频率呈等差数列。

技术总结
本发明公开了双极化太赫兹谐振探测单元及阵列式探测装置。其中，谐振探测单元包括谐振单元和超导量子电容探测单元。超导量子电容探测单元包括超导岛、约瑟夫森结和准粒子库。超导岛通过栅极电容器连接谐振单元。准粒子库包括吸收器和中间臂。吸收器包括北向连接臂、南向连接臂和连接于在北向连接臂和南向连接臂之间的若干十字单元串。十字单元串由若干十字单元串接而成。北向连接臂通过中间臂和约瑟夫森结连接超导岛。本发明利用准粒子隧穿、库伦阻碍以及量子电容效应来探测超导岛电荷数奇偶态，能够对极其微弱的双极化太赫兹信号进行探测，具有高吸收效率和高灵敏度优点，甚至能够进行太赫兹单光子探测、计数和成像。

技术研发人员：苏润丰,陈健,涂学凑,吴敬波,贾小氢,康琳,王华兵,金飚兵,吴培亨
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19