基于约瑟夫森结阵列的亚太赫兹辐射研究

摘要

在生物、医疗、天文、安检、通信等应用领域，理想的太赫兹辐射源应当是易集成、可调谐、相干性好的固态器件。从这个意义上来讲，量子级联激光器是近年来发展起来的工作在1.2～5THz频率范围内最成功的辐射源，但是由于半导体材料固有的缺陷，很难将它的工作频率拓展到亚太赫兹频段(0.1THz～1 THz)。另一方面，现有的微波电子器件由于受到电子传输速率的限制，也很难工作在0.1 THz以上的频段。幸运的是，随着微加工技术的发展和相关研究的不断深入，超导约瑟夫森结已经可以作为理想的高度集成化直流电调谐亚太赫兹辐射源。尽管至今辐射功率还无法完全满足实际应用的需求，但是这一问题能够通过相位锁定大数目的约瑟夫森结和改善约瑟夫森结与外界的阻抗匹配来解决。
　　 本论文对高温超导和低温超导约瑟夫森结阵列的辐射特性分别进行了深入的研究。开创性地将约瑟夫森结的基片作为介质谐振器天线，利用其固有的谐振作用来同时实现几千个约瑟夫森结的相位锁定和阻抗匹配的改善，本论文主要成果如下：
　　 1．通过研究构建在不同基片上，结构相同的双晶晶粒间界结串联阵列的辐照和辐射特性，并深入分析其与外界的电磁耦合，证明了基片对于改善阻抗匹配，同时提高辐照和辐射特性具有的重要作用。
　　 2．在80 GHz频率附近和液氮温度下，成功观测到了源自534个串联双晶约结阵列的自辐射，最大功率大约为50 pW，并且直流偏置电压与自辐射频率关系符合交流约瑟夫森效应。电磁场仿真研究发现，基片作为介质谐振器有效改善了约瑟夫森结与外界的阻抗匹配。
　　 3．利用基片的谐振作用，在液氦温度下成功实现了嵌入准光腔中的7500个SINIS铌结串联阵列的相位锁定，并通过工作在常温的外差式接收机，在76 GHz频率附近观测到了功率约为2uW的自辐射。电磁场仿真研究再次证明，如果约瑟夫森结置于基片谐振模式的电场强度最大值区域，那么该谐振模式将会被有效激发。这样，约瑟夫森结间的相位锁定以及与外界的阻抗匹配便会得以实现，同时可以观测到高功率的自辐射。
　　 4．基于以上研究，优化了约瑟夫结阵列与基片的结构设计，力图将辐射频率拓展到亚太赫兹频段。利用国际上最先进的新型SNS铌结阵列，观测到了包含6972个结的串联阵列与基片强电磁耦合作用下的一系列自感应台阶。当结阵列偏置在这些台阶上的时候，能够相应产生一系列频率范围在0.1-0.25 THz左右，相位锁定的可调谐非约瑟夫森辐射，常温可测功率最高可达7uW。这里的非约瑟夫森辐射是由约瑟夫森结自辐射激发，但辐射频率又由于约瑟夫森结的非线性和基片谐振的作用，而略不同于约瑟夫森振荡频率。更重要的是，通过进一步改进结阵列与基片的设计，还能够实现频率更高、功率更大的亚太赫兹辐射，从而完全填补亚太赫兹频段集成化可调谐辐射源的空白。