极低温下高灵敏太赫兹探测阵列的信号读出

doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.02.008

量子电子学报 ›› 2023, Vol. 40 ›› Issue (2): 267-274.doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.02.008

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极低温下高灵敏太赫兹探测阵列的信号读出

姚柏志1 , 石粒力1 , 吴敬波1,2 , 陈健 1,2∗ , 吴培亨 1,2

( 1 南京大学超导电子学研究所, 江苏南京 210023; 2 紫金山实验室, 江苏南京 211111 )

收稿日期:2022-09-24 修回日期:2022-10-25 出版日期:2023-03-28 发布日期:2023-03-28
通讯作者: E-mail: chenj63@nju.edu.cn E-mail:E-mail: chenj63@nju.edu.cn
作者简介:姚柏志 ( 1998 - ), 浙江温州人, 研究生, 主要从事超导量子电容探测器方面的研究。 E-mail: mf20230137@smail.nju.edu.cn
基金资助:
中央高校经费和江苏省电磁波先进调控重点实验室项目

Readout of high-sensitive terahertz detector arrays at low temperature

YAO Bozhi 1 , SHI Lili 1 , WU Jingbo 1,2 , CHEN Jian 1,2∗ , WU Peiheng 1,2

( 1 Research Institute of Superconductor Electronics, Nanjing University, Nanjing 210023, China; 2 Purple Mountain Laboratories, Nanjing 211111, China )

Received:2022-09-24 Revised:2022-10-25 Published:2023-03-28 Online:2023-03-28

摘要/Abstract

摘要： 太赫兹 (THz) 波段的高灵敏探测器在诸多前沿领域中有着巨大的应用价值。超导量子电容探测器 (QCD) 是一种在 THz 波段具备单光子探测能力的高灵敏直接探测器, 且可实现大规模阵列。对阵列而言, 可靠的读出技术是其性能发挥的基本保障。本研究利用零差读出技术进行了 QCD 信号读出与表征。微波同相正交 (IQ) 混频器是零差读出电路的重要组成元件, 故对 IQ 混频器进行了详细表征与校准, 通过排除其不平衡性对探测器信号读出的影响, 提高了测量的可靠性。在此基础上, 对 QCD 的 THz 响应信号进行了测量, 结果显示 QCD 响应信号与理论预期结果高度一致。此外, 所构建的零差读出电路还可用于高灵敏超导微波动态电感探测器 (MKID) 阵列等极低温 (15 mK 以下) 探测器的信号读出, 为高灵敏 THz 探测器的开发奠定了良好的基础, 具有较高的应用价值。

关键词: 光电子学, 零差读出, 高灵敏太赫兹探测阵列, 超导量子电容探测器, 低温, 单光子探测

Abstract: High-sensitive detector arrays in terahertz (THz) band have great application value in many ﬁelds. Quantum capacitance detector (QCD) is one kind of direct detectors with single-photon detection and array capabilities in THz band, which uses frequency division multiplexing, and the array readout technology is relatively simple. For high-sensitive detector arrays, reliable readout technology is the basic guarantee for its superior performance. In this study, QCD signal is measured and characterized by homodyne readout technique. As microwave in-phase quadrature-phase (IQ) mixer is an important component of the homodyne readout circuit, the IQ mixer is characterized and calibrated, and its measurement reliability is improved by eliminating the impact of its imbalance on signal readout. Under this calibration method, the quantum capacitance response signal of QCD is measured, and the results show that the QCD response signal is periodic, which is highly consistent with the expected quantum capacitance eﬀect. In addition, the constructed readout circuit can also be used for signal readout of extremely low temperature (below 15 mK) detectors such as microwave kinetic inductance detector (MKID) arrays, which lays a good foundation for the development of high-sensitive THz detector arrays and has good application value.

Key words: optoelectronics, homodyne readout, high-sensitive THz detector array, superconducting quantum capacitance detector, low temperature, single photon detection

中图分类号:

O441.4

姚柏志 , 石粒力 , 吴敬波, , 陈健 , ∗ , 吴培亨 , . 极低温下高灵敏太赫兹探测阵列的信号读出[J]. 量子电子学报, 2023, 40(2): 267-274.

YAO Bozhi , SHI Lili , WU Jingbo , , CHEN Jian , ∗ , WU Peiheng , . Readout of high-sensitive terahertz detector arrays at low temperature[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2023, 40(2): 267-274.

参考文献

Ferguson B, Zhang Xicheng. Materials for terahertz science and technology[J]. Nature Matererial, 2002, 1: 26-33.
Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology[J]. Nature Photonics, 2007, 1: 97-10.
Song Song, Wang Xuetian, Wang Wei, Chen Jiechen. Development status and key technologies of terahertz radar technology [J]. Journal of Microwave Science, 2018, 34 (7): 289-296.
宋崧，王学田，王伟，陈劫尘. 太赫兹雷达技术的发展现状及其关键技术 [J]. 微波学报，2018, 34(7) : 289-296.
Sizov F, Rogalski A. THz detectors[J]. Progress in Quantum Electronics, 2010, 34(5) : 278-347.
Shaw M D, Bueno J, Day M D, et al. Quantum capacitance detector: A pair-breaking radiation detector based on the single Cooper-pair box[J]. Physical Review B, 2009, 79(14) : 144511.
Bueno J, Shaw M D, Day M D, et al. Proof of concept of the quantum capacitance detector[J]. Applied Physics Letters, 2010, 96(10): 103503.
Echternach P M, Stone K J, Brandford C M, et al. Photon shot noise limited detection of terahertz radiation using a quantum capacitance detector[J]. Applied Physics Letters, 2013, 103(5): 053510.
Echternach P M, Pepper B J, Reck T, et al. Single photon detection of 1.5 THz radiation with the quantum capacitance detector[J]. Nature Astronomy, 2018, 2(1): 90-97.
Farrah D, Smith K E, Ardila D, et al. Far-infrared instrumentation and technological development for the next decade[J]. Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, 2019, 5(2): 020901.
Mazin B A. Microwave kinetic inductance detectors[D]. Los Angeles: California Institute of Technology of American, 2005 (in English).
Echternach P M, Pepper B J, Reck T, et al. Single photon detection of 1.5?THz radiation with the quantum capacitance detector[J]. Nature Astronomy, 2018, 2: 90-97.
Hodkin J E, Somerlock O F, Sharp M D, et al. IQ imbalance decorrelation in digital array radars[A]. IEEE Aerospace Conference[C]. IEEE, 2016.
Shi Qing, Lv Weitao, Fan Bowen et al. A calibration method for an imbalanced microwave homodyne readout for THz MKIDs[A]. International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology [C]. ICMMT2020, 2020.
Gao J. The physics of superconducting microwave resonators[D]. Los Angeles: California Institute of Technology of American, 2008 (in English).

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[1]	吕海燕 , 洪占勇 , 杜先常 , . 单光子探测器制冷系统研究[J]. 量子电子学报, 2023, 40(3): 400-406.
[2]	张若雅 , 朱巧芬 , 张岩 . 可调谐太赫兹超材料吸波器研究进展[J]. 量子电子学报, 2023, 40(3): 301-318.
[3]	徐建伟 , 欧阳收剑 , 段守鑫 , 邹林儿 , 邓晓华 , 沈云 , . 太赫兹平面环偶极子超材料传感器及地沟油检测[J]. 量子电子学报, 2023, 40(3): 333-339.
[4]	陈启明, 傅仁轩, 徐勇军, 刘益标, 周金运, 宋显文. 移动焦平面正反面曝光制备 SU-8 微结构及 PDMS 浓度梯度产生器[J]. 量子电子学报, 2023, 40(3): 415-422.
[5]	潘晓凯 , 姜梦杰, , 王东, , 吕旭阳, , 蓝诗琪 , , 卫英东 , , 何源, , 郭书广, , 陈平平 , 王林∗ , 陈效双 , 陆卫. 红外-太赫兹光电探测器应用及前沿变革趋势[J]. 量子电子学报, 2023, 40(2): 217-237.
[6]	董秦鲁, 韩一平∗ , 张启凡. 太赫兹波在高超声速目标等离子体鞘套中的传输特性[J]. 量子电子学报, 2023, 40(2): 258-266.
[7]	汪辰宇♯ , 廖宇♯ , 梅志杰, 刘旭东, 孙怡雯∗. 基于 GaAs 表面等离子体栅阵结构的太赫兹调制器[J]. 量子电子学报, 2023, 40(2): 275-281.
[8]	吴仍来∗, 余亚斌, 肖世发, 全军. 单层原子的厚度对等离激元色散关系的修正[J]. 量子电子学报, 2022, 39(4): 541-548.
[9]	王洋, 李新∗, 黄雄豪, 刘恩超, 张艳娜. 太阳光谱辐照度仪波长扫描设计[J]. 量子电子学报, 2022, 39(4): 519-530.
[10]	孟维利∗, 王晴晴, 邵静, 程宏伟, 宫昊. 石墨烯基杂化聚合物太阳能电池中光活性层组成对器件性能的影响[J]. 量子电子学报, 2022, 39(4): 613-619.
[11]	张立∗, 王琦. 三角形截面GaN 纳米线中的Fr¨ohlich 电子-声子相互作用哈密顿[J]. 量子电子学报, 2022, 39(4): 632-643.
[12]	许文昊, 寿一畅, 罗海陆. 光的自旋-轨道相互作用[J]. 量子电子学报, 2022, 39(2): 159-181.
[13]	裴志成, 丁朝华∗, 耿艳波, 肖景林. 单层过渡金属硫族化合物中弱耦合极化子的磁场效应[J]. 量子电子学报, 2021, 38(4): 539-544.
[14]	郑丽君刘春娟汪再兴孙霞霞刘晓忠. 6H-SiC基 MPS二极管正向双势垒特性研究[J]. 量子电子学报, 2021, 38(1): 99-107.
[15]	张建芳, 肖景林∗. 非对称半指数量子阱中强耦合极化子振动频率[J]. 量子电子学报, 2020, 37(6): 699-703.

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