基于超导器件的太赫兹信号源研究

太赫兹（THz）波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波。它在信息通信、国家安全、医学、生命科学、材料科学等诸多与领域中有非常广阔的应用前景。根据交流约瑟夫森效应，超导约瑟夫森结阵列可作为电调谐的高集成化太赫兹辐射源。与其它THz辐射源相比，基于约瑟夫森结的THz辐射源不仅功耗极低、单色性好，还具有辐射频率易于调节的优点。因此，研究超导约瑟夫森结THz波的辐射及检测具有广泛的应用前景和重要的意义。本课题研究基于超导约瑟夫森结阵列的THz信号的产生与辐射方法，包括高温超导双晶结阵列和本征约瑟夫森结阵列的设计、制备和特性分析，约瑟夫森结阵列电磁辐射规律及检测的方法等。预期研究成果可用于THz信号发生器和检测器。通过本项研究，掌握约瑟夫森结阵列THz辐射的机理，掌握提高THz信号辐射功率的关键技术，为THz辐射源和检测技术的实际应用奠定坚实的基础。

太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波。它在信息通信、国家安全、医学、生命科学、材料科学等诸多与领域中有非常广阔的应用前景。根据交流约瑟夫森效应，超导约瑟夫森结阵列可作为电调谐的高集成化太赫兹辐射源。与其它THz辐射源相比，基于约瑟夫森结的THz辐射源不仅功耗极低、单色性好，还具有辐射频率易于调节的优点。因此，研究超导约瑟夫森结THz波的产生及检测具有广泛的应用前景和重要的意义。本课题研究基于超导约瑟夫森结阵列的THz信号产生的方法。研究了不同高温超导双晶结和本征约瑟夫森结及其阵列的电压和电流特性以及电磁波辐照和辐射的特性。研究了超导约瑟夫森结及阵列在THz频段下的电路和电磁仿真模型。研究了用于THz产生和检测的开放式谐振腔测试系统和准光学测试系统。研究表明，在结阵列上并联合适厚度的金膜电阻可以提高结阵列上各个结常态电阻的一致性，从而提高整个结阵列特性的一致性。并且，通过把斜切的Tl-2212超导薄膜制备的微桥结构的本征约瑟夫森结阵列放入法布里-帕罗特谐振腔内，并利用法布里-帕罗特谐振腔的谐振作用，可以增强本征约瑟夫森结阵列和外部微波的耦合，实现本征约瑟夫森结阵列的电磁波辐射。本文还使用Bi-2212单晶制作平台结构的本征约瑟夫森结阵列，在1 THz以上成功观测到可调谐的太赫兹辐射。并使用两个串联的平台结构组成的Bi-2212本征约瑟夫森结阵列，通过逐渐增加平台结构高度的方法，研究了约瑟夫森结的数量和太赫兹辐射功率强度之间的关系。实验结果显示，当单个平台结构中包含约740个约瑟夫森结时，在0.708 THz得到的太赫兹辐射功率最大，～0.5 μW。接着使用并联的串联平台结构和金膜-Bi-2212-金膜结构研究了提高辐射功率的方式。