【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太赫兹单光子信号探测领域，尤其涉及一种太赫兹单光子探测单元及阵列式探测装置。
技术介绍
1、太赫兹波一般指频率范围为0.1-10thz的电磁波，对应光子能量为0.4-41.4mev，介于毫米波和远红外之间，处于微电子学与光子学技术的交叉领域。基于太赫兹波的非破坏性、穿透性、指纹特性、宽带宽等特性，太赫兹技术在生物医学、深空通信、国防与安检、物质科学等领域都有重要的应用前景，高性能的探测器是太赫兹技术发展的关键器件之一。由于太赫兹波段光子能量低，且在大气中传播会因为水汽的吸收有很大的衰减，所以基于低温超导技术的高灵敏度探测器是目前太赫兹探测器研究的热点。
2、常见的超导太赫兹探测器有超导隧道结探测器sis、超导转变边缘结探测器tes、超导热电子测热辐射计heb、超导微波动态电感探测器mkid等。但随着对探测器成像质量、频谱分辨率等指标的要求不断提高，研发具备单光子探测能力的新型探测器成为目前发展方向。超导量子电容探测器qcd在太赫兹单光子探测方面表现出优异的性能，是迄今验证的灵敏度最高的超导太赫兹探测器。目前，对qcd的研究处于起步阶段，利用qcd进行太赫兹单光子计数和成像性能还有待进一步提升。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术旨在提供一种提高超导量子电容探测器对太赫兹单光子计数和成像的性能的太赫兹单光子探测单元；本专利技术的另一目的是提供一种包括太赫兹单光子探测单元的阵列式探测装置。
2、技术方案：本专利技术所述的太赫兹单光子探测单元
3、进一步的，所述圆螺旋电感是以圆心为起点分别向上方和下方沿顺时针方向向外螺旋扩展，两条螺旋线平行，螺旋线的线宽一致，线间距不变。
4、进一步的，所述圆螺旋电感连接部为圆螺旋电感最外圈末端垂直延申出两条相同线宽和线间距的平行线，经过两次垂直弯折后与叉指电容部分相连接。
5、进一步的，所述圆螺旋电感的圆螺旋线圈数由谐振器谐振频率决定。
6、进一步的，所述栅极电容器包括横向栅极、竖向栅极和叉指电容底部连接部。
7、进一步的，所述超导隧道结又下向上依次包括底层、中间层和顶层，底层为凸型结构，底层的凸起部与竖向栅极底部连接。底层的凹陷部构建在太赫兹光子吸收器上边缘线中心处，即超导隧道结底层凹陷部就是太赫兹光子吸收器薄膜及其延伸。
8、优选的，所述底层和顶层由超导材料铝制成，中间层为超导材料铝的氧化物薄层，厚度不超过3纳米，电阻不小于6.15kω。
9、进一步的，太赫兹光子吸收器由若干个周期性单元阵列分布构成，周期性单元为两个相对设置的t型结构；太赫兹光子吸收器的顶部和底部分别镜像设有一行半个周期性单元。太赫兹光子吸收器由超导材料铝制成。
10、本专利技术所述阵列式探测装置，包括衬底和设置在其上的接收电路，所述接收电路包括共面波导器、共面波导地平面和上述太赫兹单光子探测单元，所述共面波导器包括中心馈线和连接于中心馈线两端的馈线接头部；所述中心馈线、馈线接头部和太赫兹单光子探测单元被共面波导地平面包围，并与所述共面波导地平面绝缘相隔；所述太赫兹单光子探测单元有n×m个，按照n×m行列排列成谐振探测单元阵列；所述中心馈线按照之字形走线，来回穿插于所述太赫兹单光子探测单元行间或列间，位于太赫兹单光子探测单元的圆螺旋电感外侧的中心馈线部分为圆弧型，圆螺旋电感的上边缘与该中心馈线部分和共面波导地平面形成耦合电容器。
11、进一步的，所述共面波导地平面、馈线接头部的绑线焊盘、中心馈线和谐振器均包括超导铌薄膜。
12、有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：1、本专利技术采用了圆螺旋电感结构，扩大了谐振器与中心馈线耦合的面积，增强了信号耦合的强度；同时，圆螺旋电感结构不存在方形拐角，使得周围的磁场分布更加均匀，提减小了寄生电容和电阻损耗；有效提高了谐振器的品质因子，增强了探测器对引起相位移动信号的灵敏度；2、本专利技术可以通过调整谐振器叉指电容的手指长度和圆螺旋电感的缠绕圈数，灵活地调整谐振器的谐振频率，且保证了每个谐振器单元的面积和耦合强度相同；3、本专利技术的超导隧道结直接通过中心臂垂直与栅极电容器一端相连，保证了量子电容变化有效地耦合至谐振器；4、太赫兹光子吸收器的t字形结构相比于现有的网格状结构，能够促使太赫兹波与吸收器结构之间产生更强的近场相互作用，有效增强了对光子的吸收效率；5、本专利技术的探测器阵列不同探测像元设计不同的谐振频率，耦合至一条中心馈线中，采用频分复用方式读出信号，读出系统简单，易于阵列化，太赫兹阵列式探测装置探测可实现宽频带范围的太赫兹探测；灵敏度极高，能够进行太赫兹单光子的探测与计数。
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1.一种太赫兹单光子探测单元，其特征在于，包括谐振器(20)和太赫兹光子吸收器(3)，谐振器(20)与太赫兹光子吸收器(3)之间通过栅极电容器和超导隧道结(323)连接；谐振器(20)包括圆螺旋电感和叉指电容，圆螺旋电感的外周圈延伸处引出圆螺旋电感连接部，与叉指电容的顶部连接。
2.根据权利要求1所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述圆螺旋电感是以圆心为起点分别向上方和下方沿顺时针方向向外螺旋扩展，两条螺旋线平行，螺旋线的线宽一致，线间距不变。
3.根据权利要求2所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述圆螺旋电感连接部为圆螺旋电感最外圈末端垂直延伸出两条相同线宽和线间距的平行线，经过两次垂直弯折后与叉指电容部分相连接。
4.根据权利要求1所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述圆螺旋电感的圆螺旋线圈数由谐振器谐振频率决定。
5.根据权利要求1所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述栅极电容器包括横向栅极(321)、竖向栅极(322)和叉指电容底部连接部(324)。
6.根据权利要求5所述太赫兹单光子探测单元，其
7.根据权利要求6所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述底层(3233)和顶层(3231)由超导材料A制成，中间层(3232)为超导材料A的氧化物薄层，厚度不超过3纳米，电阻不小于6.15kΩ。
8.根据权利要求1所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，太赫兹光子吸收器(3)由若干个周期性单元(31)阵列分布构成，周期性单元(31)为两个相对设置的T型结构；太赫兹光子吸收器(3)的顶部和底部分别镜像设有一行半个周期性单元(31)。
9.一种阵列式探测装置，包括衬底(10)和设置在其上的接收电路，其特征在于，所述接收电路包括共面波导器(13)、共面波导地平面(11)和权利要求1—8所述太赫兹单光子探测单元，所述共面波导器(13)包括中心馈线(130)和连接于中心馈线(130)两端的馈线接头部(12)；所述中心馈线(130)、馈线接头部(12)和太赫兹单光子探测单元(2)被共面波导地平面(11)包围，并与所述共面波导地平面(11)绝缘相隔；所述太赫兹单光子探测单元(2)有N×M个，按照N×M行列排列成谐振探测单元阵列(130)；所述中心馈线(11)按照之字形走线，来回穿插于所述太赫兹单光子探测单元(2)行间或列间，位于太赫兹单光子探测单元(2)的圆螺旋电感外侧的中心馈线部分为圆弧型，圆螺旋电感的上边缘与该中心馈线部分和共面波导地平面形成耦合电容器。
10.根据权利要求9所述阵列式探测装置，其特征在于，所述共面波导地平面、馈线接头部的绑线焊盘、中心馈线和谐振器均包括超导铌薄膜。
...【技术特征摘要】
1.一种太赫兹单光子探测单元，其特征在于，包括谐振器(20)和太赫兹光子吸收器(3)，谐振器(20)与太赫兹光子吸收器(3)之间通过栅极电容器和超导隧道结(323)连接；谐振器(20)包括圆螺旋电感和叉指电容，圆螺旋电感的外周圈延伸处引出圆螺旋电感连接部，与叉指电容的顶部连接。
2.根据权利要求1所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述圆螺旋电感是以圆心为起点分别向上方和下方沿顺时针方向向外螺旋扩展，两条螺旋线平行，螺旋线的线宽一致，线间距不变。
3.根据权利要求2所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述圆螺旋电感连接部为圆螺旋电感最外圈末端垂直延伸出两条相同线宽和线间距的平行线，经过两次垂直弯折后与叉指电容部分相连接。
4.根据权利要求1所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述圆螺旋电感的圆螺旋线圈数由谐振器谐振频率决定。
5.根据权利要求1所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述栅极电容器包括横向栅极(321)、竖向栅极(322)和叉指电容底部连接部(324)。
6.根据权利要求5所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述超导隧道结(323)由下向上依次包括底层(3233)、中间层(3232)和顶层(3231)，底层(3233)为凸型结构，底层的凸起部(3234)与竖向栅极(322)底部连接。
7.根据权利要求6所述太赫兹单光子探测单元，其特征在于，所述底层(3...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，姚诗熠，石粒力，苏润丰，迟天圆，谭睿，朱雨微，陈俊桦，臧思鸣，吴敬波，涂学凑，贾小氢，王华兵，金飚兵，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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