毕业答辩-黄顺利

SchoolofElectronicScienceandEngineering高温超导直接检测器及其性能研究答辩人：黄顺利指导老师：许伟伟专业：集成电路工程1提纲一、太赫兹技术概述二、高温超导直接检测器频谱检测的实现三、系统设计与器件优化四、频谱测量与特性分析五、致谢2一、太赫兹技术概述1.太赫兹波：100G-10T，介于微波与远红外之间。2.主要性质：透视性；低能安全性；宽频性；相干性；指纹特性。3.一些应用：安检仪、美容按摩棒、宽带太赫兹雷达等等34.主要研究领域太赫兹信号的产生、传输和检测，其中检测技术是一个关键。本文基于超导约瑟夫森结而开发的高温超导直接检测器具有结构简单、无需本振、便捷、灵敏度高、宽频带等优点。二、高温超导直接检测器频谱检测的实现4夏皮罗台阶1.连续波检测的种类：直接检测和超外差检测2.超导检测器：基于超导结的交流Josephson效应3.交流Josephson效应加直流电压后，约瑟夫森双晶结的电流响应：如果令，并代入54.加直流电压且太赫兹波照射后约瑟夫森双晶结的电流响应65.频谱的测量与频谱的恢复根据RSJ理论，结的响应函数H(V)与信号频谱的S(f)希尔伯特变换成比例。因此，在实验中只要能测得约瑟夫森结在太赫兹波照射下的电压电流响应，就可以通过适当的数学变换取得信号的频谱。三、系统设计与器件优化超导直接检测器系统示意图7①探测元件②低温系统③准光学系统④读出电路系统⑤计算机控制系统主要优化工作：1.超导薄膜R-T测试系统的设计2.RC贴片滤波器的设计3.面板和屏蔽盒等的定位钻孔4.参与系统的特性测试1.超导薄膜的R-T测试系统设计8设计的两个目标：一、性能稳定；二、维修方便。9最初的样品盒第一次改进后的样品盒（已加工成实物）第二次改进后的样品盒（还未加工）设计是一个不断优化的过程。M3→M2M2→M1.2前期设计过程中存在的主要问题就是：设计最优化选择和尺寸标注的准确性。减少不必要孔10①预留尺寸不足焊接有难度改进措施②检查线路时直接牵引温度计引脚改进后的的温度计卡槽第一次设计的温度计卡槽③因温度计槽透穿受粘样品影响11001套筒：材料为紫铜抛光并电镀，开口螺纹深度由M2.5改为M1.5002样品盒-1：材料为紫铜，抛光，光洁度达到3花以上。M3孔更换为M2孔同时，外半径减小1mm。003连接板：材料为紫铜抛光，减少两个通孔，并由M3孔更换为M2下垂孔。12004样品盒盖-2：材料为紫铜，抛光。将M3孔更换为M2孔。005样品盒盖-1：材料为紫铜，抛光。将M3孔更换为M2孔，同时外半径减小1mm。006温度计卡槽：材料为紫铜。开槽由2mm增至2.4mm，厚度由2mm增至5mm，M3孔改为M2孔，插针固定在槽口处，温度计经接插件引出。另外，不能太厚也不能太薄。13007-1塑料底座：材料为硬塑料，表面加工要求光滑。将M3孔更换为M2孔，同时外半径减小1mm。作用：隔热；安装结合性好。007-2塑料盖子：材料为硬塑料，表面加工要求光滑。将M3孔更换为M2下垂孔，同时外半径减小1mm。008盖子：材料为不锈钢，表面光洁度，光滑度达3花以上。14009螺母，010垫圈，011紧圈：它们都是固定件，材料为不锈钢，紧圈开口由原来的2mm增加到4mm，如果开口过小起不到固定作用。坚固性好012不锈钢管013插座盒：材料为不锈钢，表面光洁度达到3花以上。15R-T盒系统加工后实物照片1617结合PCB板的电路特性，选取滤波电容的一个经验公式是：另外，低通RC滤器的截止频率需满足10PF电容用来滤除高频的干扰信号。0.1μF电容滤除低频的波纹干扰，而且还能起到稳压作用。18生成光绘文件19贴片元件具有体积小、可靠性高、抗振能力强、高频特性好。20四、频谱测量与特性分析（一）实现对多个源的测量耿氏振荡器提供114GHz的太赫兹辐射，T=3.5K，出现峰值的最高点处频率为114.62GHz，3dB带宽约为0.04GHz1.超导直接检测器测到的耿氏振荡器频谱2.对频率综合源的频谱测量频率综合源提供11.4GHz、4.5dBm的微波，经18倍频获得205.2GHz的太赫兹波。T=70K，峰值的最高点对应频率为205.3GHz，其3dB带宽约为20GHz213.对气体激光源的频谱测量

远红外气体激光器提供1.8THz和2.5THz太赫兹信号。T=40K，测得频谱有三个峰值，其最高点处频率分别为887GHz，1784GHz，2561GHz，其3dB带宽分别为200GHz，2GHz，34GHz。其中，887GHz的频率信号是来源于2.5THz与1.8THz信号的差频。224.不同温度下系统探测到频谱的比较。辐射待测信号用频率综合源提供11.4GHz、4.5dBm的辐射通过18倍倍频器获得205.2GHz的信号。23温度升高，检测器的信噪比增大与线宽减小可能的原因探讨：不同温度下Josephson双晶结的IV特性不同温度下Josephson双晶结在300GHz辐射下的IV特性可能的原因：温度升高，结的临界电流减小，正常态电阻增大，但临界电流的影响更大一些。但温度过高时ΔI=0，Josephson效应消失

。24四、频谱测量与特性分析（二）约瑟夫森线宽研究

频谱带宽是检测器的一个重要参数。两部分构成，一是直接检测器本身的测量带宽，一是直接检测器的约瑟夫森线宽。数字采集卡（型号NI-6281，最大电压范围：-10V~+10V以最大电压范围的采集精度为980µV。根据电压与频率转换公式，检测器的测量带宽为：系统的零点噪声电压25仿真结果：正常态电阻越小，约瑟夫森线宽越小。同时特征电压越小，约瑟夫森线宽越小且变化更加平缓。26仿真结果：噪声温度越低，约瑟夫森线宽越小27仿真及测量结果：偏置电流越大，约瑟夫森线宽越小28检测器特性分析小结

一般来讲，特征电压与响应频率成正比。然而，从我们计算约瑟夫森线宽的结果来看，特征电压越小约瑟夫森线宽越小。这和希望响应频率高要求