Гетеродинные детекторы

Гетеродинные приемники терагерцового диапазона

Наиболее эффективными гетеродинными детекторами для радиоастрономии при изучении спектров межзвездного излучения в диапазоне частот 0,1-1,25 ТГц на сегодня признаны смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС — смеситель). Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу, с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малой мощности гетеродина. При дальнейшем повышении частоты (выше двойной щелевой частоты используемых сверхпроводников) чувствительность СИС-смесителей подает из-за увеличения внутренних потерь.

Другим распространенным полупроводниковым преобразователем частоты в гетеродинном приемнике, который может работать в диапазоне частот 0,3-5 ТГц, является диод с барьером Шоттки (ДБШ-смеситель). ДБШ-смесители не требуют глубокого охлаждении и могут работать в диапазоне температур от комнатных до гелиевых, что является основным их преимуществом при освоении терагерцового диапазона. К существенным недостаткам ДБШ-смесителей следует отнести низкую чувствительность и большую требуемую мощность гетеродина (порядка милливатта).

Указанные недостатки рассмотренных смесителей, применяемых в терагерцовом диапазоне, скорее всего, частично будут устраняться по мере их дальнейшего совершенствования, однако принципиальное улучшение характеристик смесительных устройств этого участка спектра возможно лишь путем использования новых физических механизмов преобразования частоты. Наиболее перспективным представляется использование эффекта разогрева электронов в резистивном состоянии тонких пленок сверхпроводников под действием терагерцового излучения и возникающей при этом инерционной нелинейности для преобразования частоты.

Смесители на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии тонких сверхпроводящих пленок — hot-electron bolometer (НЕВ) — обладают хорошей чувствительностью наряду с достаточно широкой полосой частот преобразования, а также требуют малой мощности гетеродина при субмикронных размерах чувствительного элемента. Они являются весьма перспективными приемными элементами на частотах выше 1,25 ТГц, так как не имеют частотных ограничений по механизму смешения и не содержат реактивной компоненты, что облегчает задачу согласования смесителя с различными типами квазиоптических антенн.

С уменьшением толщины сверхпроводящих пленок (d<10 нм для NbN) возрастает роль электрон -электронных столкновений в процессах энергообмена. Если пленки содержат большое количество статических дефектов, электроны рассеиваются не только на границах, но и на этих дефектах, в результате чего роль электрон -электронных столкновений становится определяющей в формировании функции распределения. При воздействии излучения на такие пленки, поглощенная энергия распределяется по электронной подсистеме, повышая ее температуру 0, что проявляется в росте сопротивления пленки. Эффект не зависит от частоты излучения — экспериментально доказана неселективность разогрева в диапазоне частот Ю10 — 1015Гц. Возбужденная электронная подсистема за счет электрон-фононного взаимодействия, характеризуемого временем электрон-фононного взаимодействия те.рь, остывает за время релаксации электронной температуры тв, передавая энергию фононной подсистеме пленки. На последнем этапе происходит остывание фононной подсистемы пленки за счет выхода неравновесных фононов в подложку. Описанный канал охлаждения электронной подсистемы называется фононным и реализуется в случае неупорядоченных плёнок с малой длиной свободного пробега. Полоса смесителей с фононным каналом охлаждения определяется в этом случае временем выхода неравновесных фононов в подложку resc и временем релаксации.

Другой канал охлаждения электронов в сверхпроводящих смесителях на горячих электронах был предложен в и далее развит в целом ряде работ. Здесь в качестве «холодного» резервуара выступает не фононная подсистема, а массивные контакты прибора. В этом случае скорость остывания ограничивается диффузией горячих электронов в контакты, а прибор носит название болометра на горячих электронах с диффузионным каналом охлаждения. В настоящее время практическое применение находят только НЕВ-смесители первого типа.

Определяющую роль в реализации многих приложений в терагерцовом спектральном диапазоне играет возможность совмещения большого динамического диапазона и широкой полосы промежуточных частот, используемых гетеродинных приемников излучения. Привлекательность НЕВ — смесителей с фононным каналом охлаждения в этом плане несомненна. Путем изменения объема чувствительного элемента смесителя, не ухудшая его эффективности преобразования, можно не только оптимизировать динамический диапазон приемника, но и регулировать величину требуемой оптимальной мощности гетеродина. Существующие твердотельные гетеродинные источники терагерцового излучения, применяемые в практических системах, не всегда имеют достаточный запас выходной мощности на частотах выше 1,5 ТГц.

Увеличение полосы ПЧ для НЕВ-смесителей с фононным каналом охлаждения может быть достигнуто за счет применения как ультратонких пленок толщиной в единицы нанометров, так и промежуточных диэлектрических подслоев между сверхпроводящей пленки и подложкой для улучшения их акустического согласования.

С радиотехнической точки зрения НЕВ-смеситель с фононным каналом охлаждения осуществляет нелинейное инерционное преобразование частоты. При этом, поскольку энергетическая щель в сверхпроводящей пленке в резистивном состоянии сильно подавлена и число квазичастиц велико, поглощение терагерцового излучения осуществляется почти так же, как если бы пленка находилась в нормальном состоянии и слабо зависит от выбора рабочей точки по постоянному току. Это позволяет достаточно просто согласовывать его с различными типами приемных антенн, поскольку импеданс пленки на высокой частоте является чисто активным и может быть оптимизирован путем изменения размеров чувствительного элемента в плане.

Согласование НЕВ-смесителя с принимаемым электромагнитным излучением достигается путем использования волноводной или квазиоптической схем. В первом случае чип из тонкого кристаллического кварца со смесителем и ВЧ фильтрами монтируется в короткозамкнутой волноводной секции со скалярной рупорной антенной. Во втором случае чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается во втором фокусе эллиптической или в фокусе гиперполусферической линзы, выполненной, как правило, из высокоомного кремния. Среди планарных антенн популярность снискали три типа: двухщелевая, спиральная, и логопериодическая. Последние два типа относятся к так называемым частотно-независимым антеннам, их ожидаемая полоса рабочих частот может составлять несколько октав. Двухщелевая антенна является резонансной структурой с рабочей полосой порядка 30 % от центральной частоты. Несмотря на широкое использование этих планарных антенн на диэлектрических подложках в квазиоптических схемах согласования с терагерцовым излучением, их характеристики, такие как входная полоса, диаграмма направленности, эффективность, поляризационная чувствительность, изучены наиболее полно лишь на частотах до 0,6 ТГц. Исследование характеристик планарных антенн на более высоких частотах, конструируемых путем масштабирования низкочастотного варианта антенны, остается пока неудовлетворительным, что является определенным препятствием их эффективного использования. Несмотря на это, все же происходит накопление экспериментального материала, который помогает определиться с выбором планарной антенны того или иного типа при создании гетеродинного приемника для практических применений. На частотах выше 1,5 ТГц чаще всего исследуются такие параметры антенны как входная полоса и диаграмма направленности.

Наиболее активно используемым сверхпроводниковым материалом для создания НЕВ-смесителей терагерцового диапазона является высококачественные пленки нитрида ниобия. Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей, изготовленных на основе пленки толщиной 2,5-3,5 нм, осажденной на сапфировую подложку, достигает 4 ГГц, что не всегда достаточно для проведения радиоастрономических наблюдений, где в тракте ПЧ обычно используют малошумящие усилители с рабочей полосой 4-8 ГГц.

Таким образом, вопрос расширения полосы преобразования квазиоптических смесителей с фононным каналом охлаждения является весьма актуальным для практической радиоастрономии, что связано как с доплеровским уширением спектральных линий при наблюдении быстро перемещающихся источников терагерцового излучения, так и с ограниченностью перестройки частоты терагерцовых гетеродинных источников излучения.