SchoolofElectronicScienceandEngineering高溫超導(dǎo)直接檢測器及其性能研究答辯人：黃順利指導(dǎo)老師：許偉偉專業(yè)：集成電路工程1提綱一、太赫茲技術(shù)概述二、高溫超導(dǎo)直接檢測器頻譜檢測的實(shí)現(xiàn)三、系統(tǒng)設(shè)計與器件優(yōu)化四、頻譜測量與特性分析五、致謝2一、太赫茲技術(shù)概述1.太赫茲波：100G-10T，介于微波與遠(yuǎn)紅外之間。2.主要性質(zhì)：透視性；低能安全性；寬頻性；相干性；指紋特性。3.一些應(yīng)用：安檢儀、美容按摩棒、寬帶太赫茲雷達(dá)等等34.主要研究領(lǐng)域太赫茲信號的產(chǎn)生、傳輸和檢測，其中檢測技術(shù)是一個關(guān)鍵。本文基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)而開發(fā)的高溫超導(dǎo)直接檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、無需本振、便捷、靈敏度高、寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)。二、高溫超導(dǎo)直接檢測器頻譜檢測的實(shí)現(xiàn)4夏皮羅臺階1.連續(xù)波檢測的種類：直接檢測和超外差檢測2.超導(dǎo)檢測器：基于超導(dǎo)結(jié)的交流Josephson效應(yīng)3.交流Josephson效應(yīng)加直流電壓后，約瑟夫森雙晶結(jié)的電流響應(yīng)：如果令，并代入54.加直流電壓且太赫茲波照射后約瑟夫森雙晶結(jié)的電流響應(yīng)65.頻譜的測量與頻譜的恢復(fù)根據(jù)RSJ理論，結(jié)的響應(yīng)函數(shù)H(V)與信號頻譜的S(f)希爾伯特變換成比例。因此，在實(shí)驗(yàn)中只要能測得約瑟夫森結(jié)在太赫茲波照射下的電壓電流響應(yīng)，就可以通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換取得信號的頻譜。三、系統(tǒng)設(shè)計與器件優(yōu)化超導(dǎo)直接檢測器系統(tǒng)示意圖7①探測元件②低溫系統(tǒng)③準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)④讀出電路系統(tǒng)⑤計算機(jī)控制系統(tǒng)主要優(yōu)化工作：1.超導(dǎo)薄膜R-T測試系統(tǒng)的設(shè)計2.RC貼片濾波器的設(shè)計3.面板和屏蔽盒等的定位鉆孔4.參與系統(tǒng)的特性測試1.超導(dǎo)薄膜的R-T測試系統(tǒng)設(shè)計8設(shè)計的兩個目標(biāo)：一、性能穩(wěn)定；二、維修方便。9最初的樣品盒第一次改進(jìn)后的樣品盒（已加工成實(shí)物）第二次改進(jìn)后的樣品盒（還未加工）設(shè)計是一個不斷優(yōu)化的過程。M3→M2M2→M1.2前期設(shè)計過程中存在的主要問題就是：設(shè)計最優(yōu)化選擇和尺寸標(biāo)注的準(zhǔn)確性。減少不必要孔10①預(yù)留尺寸不足焊接有難度改進(jìn)措施②檢查線路時直接牽引溫度計引腳改進(jìn)后的的溫度計卡槽第一次設(shè)計的溫度計卡槽③因溫度計槽透穿受粘樣品影響11001套筒：材料為紫銅拋光并電鍍，開口螺紋深度由M2.5改為M1.5002樣品盒-1：材料為紫銅，拋光，光潔度達(dá)到3花以上。M3孔更換為M2孔同時，外半徑減小1mm。003連接板：材料為紫銅拋光，減少兩個通孔，并由M3孔更換為M2下垂孔。12004樣品盒蓋-2：材料為紫銅，拋光。將M3孔更換為M2孔。005樣品盒蓋-1：材料為紫銅，拋光。將M3孔更換為M2孔，同時外半徑減小1mm。006溫度計卡槽：材料為紫銅。開槽由2mm增至2.4mm，厚度由2mm增至5mm，M3孔改為M2孔，插針固定在槽口處，溫度計經(jīng)接插件引出。另外，不能太厚也不能太薄。13007-1塑料底座：材料為硬塑料，表面加工要求光滑。將M3孔更換為M2孔，同時外半徑減小1mm。作用：隔熱；安裝結(jié)合性好。007-2塑料蓋子：材料為硬塑料，表面加工要求光滑。將M3孔更換為M2下垂孔，同時外半徑減小1mm。008蓋子：材料為不銹鋼，表面光潔度，光滑度達(dá)3花以上。14009螺母，010墊圈，011緊圈：它們都是固定件，材料為不銹鋼，緊圈開口由原來的2mm增加到4mm，如果開口過小起不到固定作用。堅固性好012不銹鋼管013插座盒：材料為不銹鋼，表面光潔度達(dá)到3花以上。15R-T盒系統(tǒng)加工后實(shí)物照片1617結(jié)合PCB板的電路特性，選取濾波電容的一個經(jīng)驗(yàn)公式是：另外，低通RC濾器的截止頻率需滿足10PF電容用來濾除高頻的干擾信號。0.1μF電容濾除低頻的波紋干擾，而且還能起到穩(wěn)壓作用。18生成光繪文件19貼片元件具有體積小、可靠性高、抗振能力強(qiáng)、高頻特性好。20四、頻譜測量與特性分析（一）實(shí)現(xiàn)對多個源的測量耿氏振蕩器提供114GHz的太赫茲輻射，T=3.5K，出現(xiàn)峰值的最高點(diǎn)處頻率為114.62GHz，3dB帶寬約為0.04GHz1.超導(dǎo)直接檢測器測到的耿氏振蕩器頻譜2.對頻率綜合源的頻譜測量頻率綜合源提供11.4GHz、4.5dBm的微波，經(jīng)18倍頻獲得205.2GHz的太赫茲波。T=70K，峰值的最高點(diǎn)對應(yīng)頻率為205.3GHz，其3dB帶寬約為20GHz213.對氣體激光源的頻譜測量

遠(yuǎn)紅外氣體激光器提供1.8THz和2.5THz太赫茲信號。T=40K，測得頻譜有三個峰值，其最高點(diǎn)處頻率分別為887GHz，1784GHz，2561GHz，其3dB帶寬分別為200GHz，2GHz，34GHz。其中，887GHz的頻率信號是來源于2.5THz與1.8THz信號的差頻。224.不同溫度下系統(tǒng)探測到頻譜的比較。輻射待測信號用頻率綜合源提供11.4GHz、4.5dBm的輻射通過18倍倍頻器獲得205.2GHz的信號。23溫度升高，檢測器的信噪比增大與線寬減小可能的原因探討：不同溫度下Josephson雙晶結(jié)的IV特性不同溫度下Josephson雙晶結(jié)在300GHz輻射下的IV特性可能的原因：溫度升高，結(jié)的臨界電流減小，正常態(tài)電阻增大，但臨界電流的影響更大一些。但溫度過高時ΔI=0，Josephson效應(yīng)消失

。24四、頻譜測量與特性分析（二）約瑟夫森線寬研究

頻譜帶寬是檢測器的一個重要參數(shù)。兩部分構(gòu)成，一是直接檢測器本身的測量帶寬，一是直接檢測器的約瑟夫森線寬。數(shù)字采集卡（型號NI-6281，最大電壓范圍：-10V~+10V以最大電壓范圍的采集精度為980μV。根據(jù)電壓與頻率轉(zhuǎn)換公式，檢測器的測量帶寬為：系統(tǒng)的零點(diǎn)噪聲電壓25仿真結(jié)果：正常態(tài)電阻越小，約瑟夫森線寬越小。同時特征電壓越小，約瑟夫森線寬越小且變化更加平緩。26仿真結(jié)果：噪聲溫度越低，約瑟夫森線寬越小27仿真及測量結(jié)果：偏置電流越大，約瑟夫森線寬越小28檢測器特性分析小結(jié)

一般來講，特征電壓與響應(yīng)頻率成正比。然而，從我們計算約瑟夫森線寬的結(jié)果來看，特征電壓越小約瑟夫森線寬越小。這和希望響應(yīng)頻率高要求