五、太赫茲波段信號的檢測

在THz波段的開發(fā)和利用中，信號的檢測具有舉足輕重的重要意義。因為，一方面，與較短波長相比，THz波段光子能量低，背景噪聲常常占據(jù)顯著的地位；另一方面，為了充分發(fā)揮THz系統(tǒng)的作用（例如，發(fā)現(xiàn)更微弱的目標(biāo)、在更遠(yuǎn)的距離上通訊等等），不斷提高接收的靈敏度也是必然的追求。

在不同的頻率應(yīng)選擇不同的檢測器。在THz的低端，一般傾向于外差式的檢測器，而在THz的高端，直接檢測器的靈敏度似乎更勝一籌。有關(guān)的簡況和進(jìn)一步發(fā)展的建議如下。

脈沖THz信號檢測的兩種方法：（a）光導(dǎo)天線；（b）電光取樣。

CW THz信號的檢測

1．超外差式檢測器（對于頻率稍低而譜線分辨率十分重要的場合）

a）室溫肖特基二極管混頻器，目前的一般水平是本振功率0.5 mW（單管）或3－5mW（多管）。輻射計的最小可檢測溫度是0.05K（500GHz）或0.5K（2500GHz），積分時間1秒，帶寬1GHz。 今后應(yīng)著重于降低其噪聲和所需的本振功率。

b）超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體（SIS）結(jié)混頻器，以及以之為前端的接收機(jī)多用在100—700 GHz的頻率范圍，最近已推進(jìn)到1200 GHz，并將在2007年用于空間飛行（FIRST，全稱Far InfraRed and Submillimeter space Telescope；現(xiàn)改稱European Space Agency’s Herschel)。

c）熱電子測熱電阻（HEB）混頻器，以Nb，NbN，NbTiN，Al，YBCO等材料制成尺寸為微米量級的微橋，THz信號的熱效應(yīng)，使它們有靈敏的響應(yīng)，響應(yīng)時間也極快（快聲子或電子擴(kuò)散的機(jī)制）。比SIS結(jié)混頻器的工作頻率更高。作為混頻器使用，電壓響應(yīng)是在皮秒的量級，因此中頻可以達(dá)到幾千兆，甚至15千兆（取決于材料、尺寸、冷卻機(jī)制）。目前工作頻率已高達(dá)5THz，噪聲溫度約為量子極限的10倍左右，本振功率1—100nW的量級。
熱電子測熱輻射計(HEB)：金屬在低溫下的熱容很小，聲子與電子系統(tǒng)是去耦的。外加的輻射只加熱電子，其溫升可以測出。

肖特基二極管混頻器室溫高靈敏超外差檢測技術(shù)

具體的器件

2．直接檢測器（對于頻率更高但并不需要極高的譜線分辨率的場合）

a）室溫的直接檢測器，種類很多，如：小面積GaAs肖特基二極管用作天線耦合的平方率檢測器；直接吸收熱量后引起電阻變化的普通鉍測熱電阻；有溫度計和讀出電路與輻射吸收器集成在一起的復(fù)合測熱電阻（鉍、碲）；高蘭泡（充氣室內(nèi)吸收熱之后，體積有變化，使鏡子偏轉(zhuǎn)，用光放大器測出）；聲測熱電阻（用光聲檢測器測出氣泡受熱后壓力的變化）；微測熱電阻（用天線把功率耦合到小的吸熱區(qū)域）；快速量熱計；等等。
目前，這類直接檢測器的標(biāo)定是很大的問題，響應(yīng)時間約為秒的量級；靈敏度不高（幾微伏）。我們今后的工作應(yīng)該是：改進(jìn)和用好已有的器件，使之符合我們的研究的需要

b）冷卻的直接檢測器，其中，目前已有商品的如：液氦冷卻的硅、鍺或InSb復(fù)合測熱電阻，響應(yīng)時間微秒的量級，4K時噪聲等效功率（NEP）約為10^-13W／√Hz的量級，冷到毫度時有很大的改進(jìn)。不少商品的紅外檢測器對THz也能響應(yīng)。在冷卻的直接檢測器方面，還有一些目前沒有商品的，如：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣測熱電阻（超導(dǎo)薄膜條偏置在超導(dǎo)一正常轉(zhuǎn)變的邊緣）；懸置的微加工的硅條鍍以鉍，以獲得理想的電阻一溫度特性，并由此制成陣列；
超導(dǎo)一絕緣一正常金屬（SIN）隧道結(jié)復(fù)合測熱電阻。這些檢測器的NEP約為10^-17到10^-18W／√Hz的量級。超導(dǎo)熱電子測熱電阻(HEB)也可用于轉(zhuǎn)變邊緣檢測器，NEP約為10^-20w／√Hz的量級。

我們今后的工作應(yīng)該是：提出新型的THz波檢測結(jié)構(gòu)或改進(jìn)國際上雖已著手研究但尚有許多改進(jìn)余地的器件。

鼓勵研究THz信號于物質(zhì)的相互作用，從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應(yīng)，據(jù)以研制THz信號檢測器，注意國際上研究工作的新動向（例如，用高磁場中冷卻至50 mk的單電子晶體管和量子點，探測入射的THz光子）。

研制以超導(dǎo)體－絕緣體－超導(dǎo)體（SIS）結(jié)混頻器、熱電子測熱電阻（HEB）混頻器為前級的THz波段接收機(jī)，實際使用于天文、環(huán)境監(jiān)測登方面。

THz的單光子檢測

單電子晶體管和量子點（@高磁場&50 mK)NEP＝10^-22 W／öHz響應(yīng)時間：毫秒

優(yōu)先鼓勵研究THz信號與物質(zhì)的相互作用，從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應(yīng)，據(jù)以研制新型THz檢測器，注意國際上研究工作的新動向。

我國南京大學(xué)和紫金山天文臺也已開展了THz檢測和接收方面的研究工作，并取得了一定的成果。

THz檢測方面的詳細(xì)內(nèi)容也將在專題報告中給出。

六、太赫茲功能器件

為了組成THz系統(tǒng)，例如THz成像和THz波譜等，除了THz源和檢測系統(tǒng)外，其內(nèi)部連接也是非常重要的，所以需要一些功能器件，如傳輸系統(tǒng)、諧振系統(tǒng)等。已經(jīng)提出了很多種不同的傳輸系統(tǒng)，如：太赫茲金屬不銹鋼波導(dǎo)，太赫茲鐵電聚合物（包層）波導(dǎo)（PVDF），太赫茲塑料帶狀平面波導(dǎo)，太赫茲單模藍(lán)寶石光纖等，但研究發(fā)現(xiàn)，簡單的直徑0.9mm的金屬導(dǎo)線波導(dǎo)性能可能最好（Nature 432，p377，2004），如圖所示。

此外光子晶體在THz功能器件中可能會有重要的貢獻(xiàn)。

光子晶體是折射率在空間周期性變化，存在一定光學(xué)能帶間隙的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有一定的光學(xué)禁帶和通帶，對于某些波長是不能透射過。光子晶體的折射率在空間排列的周期是波長量級。光子晶體的材料對工作波段的光的吸收很小。

雖然光子晶體的理論基礎(chǔ)是建立在Maxwell方程基礎(chǔ)上，而半導(dǎo)體的理論基礎(chǔ)是建立在Schrodinger方程基礎(chǔ)上的，它們分別屬于電動力學(xué)和量子力學(xué)的范疇。但是可以證明：在光子晶體的條件下，由Maxwell方程和Schrodinger方程，可以得到相同的結(jié)果。

如果比較薛定諤方程和波動方程：

(薛定諤方程)
(波動方程)

以下兩式如果成立：

則由薛定諤方程和波動方程可得到相同的結(jié)果。

由于光子晶體折射率的排列與晶體中原子的排列類似，都具有周期性，分析時都可以引入布洛赫波函數(shù)，因而可以得出：當(dāng)光子晶體中折射率周期為波長量級時可以出現(xiàn)與固體能帶理論中的禁帶相類似的光學(xué)禁帶。

從發(fā)展歷史上來看，光子晶體的研究是源自于對光子的兩個基本現(xiàn)象的研究（1987年同一期PRL上發(fā)表的2篇文章）。

Localization  of  Light
S.John，Phys.Rev.lett.58，2486（1987）.
Inhibition of Spontaneous Emission
E.Yablonovitch，Phys.Rev .Lett.58，2059（1987）

事實上，在此之前人們早已應(yīng)用了光子晶體；微波中的慢波結(jié)構(gòu)和光學(xué)中的布拉格光柵，它們都屬于一維光子晶體。

1991年制造出第一個人造三維光子晶體——Yablonovite型光子晶體。

最早由ST．J．Russell等人于1992年提出的光子晶體光纖是典型的二維光子晶體。1998年報道了第一個真正利用光子禁帶（PBG）導(dǎo)光的光子晶體光纖。

V．Berger于1998年提出非線性光子晶體。

二維光子晶體

與固體能帶理論類似，在完美的光子晶體中也可以引入雜質(zhì)和缺陷，使嚴(yán)格的周期結(jié)構(gòu)破壞，這些缺陷能夠束縛一定頻率的光子，產(chǎn)生局域化的能級，這部分局域態(tài)位于光學(xué)禁帶之中。

在光子晶體中也可以引入不同類型的缺陷；點缺陷，線缺陷和面缺陷等。這些缺陷的控制是光子晶體實現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)。

缺陷態(tài)與局域態(tài)

利用光子晶體的局域態(tài)可以制備光子晶體的波導(dǎo)，微腔，環(huán)形諧振腔，分束器，耦合器等波導(dǎo)器件，可以制備出微小型平面光學(xué)回路（PLC），也可能實現(xiàn)三維光學(xué)回路模塊。

光子晶體具有某些獨特的光學(xué)特性，如微腔的高Q值性，超棱鏡，大群折射率和負(fù)折射率等，使制備無閾值激光器，高效光放大器或其他功能器件成為可能。

利用光子晶體的非線性光學(xué)效應(yīng)，使制造出光開關(guān)、光二極管，光三極管，光邏輯回路等器件成為可能，是制造全光集成芯片的基礎(chǔ)。

光子晶體在近代科學(xué)技術(shù)特別是光學(xué)上有很多重要的應(yīng)用。這里我們僅討論光子晶體在THz技術(shù)中的應(yīng)用。雖然光子晶體在THz技術(shù)中主要可以用來作為各種功能器件：

 1．光子晶體THz傳輸線、波導(dǎo)
 2．光子晶體THz諧振腔
 3．光子晶體THz濾波器
 4．光子晶體THz波偏振器
 5．光子晶體THz波開關(guān)
 6．光子晶體THz波混頻器
 7．光子晶體THz波天線