五、太赫茲波段信號的檢測

在THz波段的開發和利用中，信號的檢測具有舉足輕重的重要意義。因為，一方面，與較短波長相比，THz波段光子能量低，背景噪聲常常占據顯著的地位；另一方面，為了充分發揮THz系統的作用（例如，發現更微弱的目標、在更遠的距離上通訊等等），不斷提高接收的靈敏度也是必然的追求。

在不同的頻率應選擇不同的檢測器。在THz的低端，一般傾向于外差式的檢測器，而在THz的高端，直接檢測器的靈敏度似乎更勝一籌。有關的簡況和進一步發展的建議如下。

脈沖THz信號檢測的兩種方法：（a）光導天線；（b）電光取樣。

CW THz信號的檢測

1．超外差式檢測器（對于頻率稍低而譜線分辨率十分重要的場合）

a）室溫肖特基二極管混頻器，目前的一般水平是本振功率0.5 mW（單管）或3－5mW（多管）。輻射計的最小可檢測溫度是0.05K（500GHz）或0.5K（2500GHz），積分時間1秒，帶寬1GHz。 今后應著重于降低其噪聲和所需的本振功率。

b）超導體一絕緣體一超導體（SIS）結混頻器，以及以之為前端的接收機多用在100—700 GHz的頻率范圍，最近已推進到1200 GHz，并將在2007年用于空間飛行（FIRST，全稱Far InfraRed and Submillimeter space Telescope；現改稱European Space Agency’s Herschel)。

c）熱電子測熱電阻（HEB）混頻器，以Nb，NbN，NbTiN，Al，YBCO等材料制成尺寸為微米量級的微橋，THz信號的熱效應，使它們有靈敏的響應，響應時間也極快（快聲子或電子擴散的機制）。比SIS結混頻器的工作頻率更高。作為混頻器使用，電壓響應是在皮秒的量級，因此中頻可以達到幾千兆，甚至15千兆（取決于材料、尺寸、冷卻機制）。目前工作頻率已高達5THz，噪聲溫度約為量子極限的10倍左右，本振功率1—100nW的量級。
熱電子測熱輻射計(HEB)：金屬在低溫下的熱容很小，聲子與電子系統是去耦的。外加的輻射只加熱電子，其溫升可以測出。

肖特基二極管混頻器室溫高靈敏超外差檢測技術

具體的器件

2．直接檢測器（對于頻率更高但并不需要極高的譜線分辨率的場合）

a）室溫的直接檢測器，種類很多，如：小面積GaAs肖特基二極管用作天線耦合的平方率檢測器；直接吸收熱量后引起電阻變化的普通鉍測熱電阻；有溫度計和讀出電路與輻射吸收器集成在一起的復合測熱電阻（鉍、碲）；高蘭泡（充氣室內吸收熱之后，體積有變化，使鏡子偏轉，用光放大器測出）；聲測熱電阻（用光聲檢測器測出氣泡受熱后壓力的變化）；微測熱電阻（用天線把功率耦合到小的吸熱區域）；快速量熱計；等等。
目前，這類直接檢測器的標定是很大的問題，響應時間約為秒的量級；靈敏度不高（幾微伏）。我們今后的工作應該是：改進和用好已有的器件，使之符合我們的研究的需要

b）冷卻的直接檢測器，其中，目前已有商品的如：液氦冷卻的硅、鍺或InSb復合測熱電阻，響應時間微秒的量級，4K時噪聲等效功率（NEP）約為10^-13W／√Hz的量級，冷到毫度時有很大的改進。不少商品的紅外檢測器對THz也能響應。在冷卻的直接檢測器方面，還有一些目前沒有商品的，如：超導轉變邊緣測熱電阻（超導薄膜條偏置在超導一正常轉變的邊緣）；懸置的微加工的硅條鍍以鉍，以獲得理想的電阻一溫度特性，并由此制成陣列；
超導一絕緣一正常金屬（SIN）隧道結復合測熱電阻。這些檢測器的NEP約為10^-17到10^-18W／√Hz的量級。超導熱電子測熱電阻(HEB)也可用于轉變邊緣檢測器，NEP約為10^-20w／√Hz的量級。

我們今后的工作應該是：提出新型的THz波檢測結構或改進國際上雖已著手研究但尚有許多改進余地的器件。

鼓勵研究THz信號于物質的相互作用，從中發現新的物理效應，據以研制THz信號檢測器，注意國際上研究工作的新動向（例如，用高磁場中冷卻至50 mk的單電子晶體管和量子點，探測入射的THz光子）。

研制以超導體－絕緣體－超導體（SIS）結混頻器、熱電子測熱電阻（HEB）混頻器為前級的THz波段接收機，實際使用于天文、環境監測登方面。

THz的單光子檢測

單電子晶體管和量子點（@高磁場&50 mK)NEP＝10^-22 W／öHz響應時間：毫秒

優先鼓勵研究THz信號與物質的相互作用，從中發現新的物理效應，據以研制新型THz檢測器，注意國際上研究工作的新動向。

我國南京大學和紫金山天文臺也已開展了THz檢測和接收方面的研究工作，并取得了一定的成果。

THz檢測方面的詳細內容也將在專題報告中給出。

六、太赫茲功能器件

為了組成THz系統，例如THz成像和THz波譜等，除了THz源和檢測系統外，其內部連接也是非常重要的，所以需要一些功能器件，如傳輸系統、諧振系統等。已經提出了很多種不同的傳輸系統，如：太赫茲金屬不銹鋼波導，太赫茲鐵電聚合物（包層）波導（PVDF），太赫茲塑料帶狀平面波導，太赫茲單模藍寶石光纖等，但研究發現，簡單的直徑0.9mm的金屬導線波導性能可能最好（Nature 432，p377，2004），如圖所示。

此外光子晶體在THz功能器件中可能會有重要的貢獻。

光子晶體是折射率在空間周期性變化，存在一定光學能帶間隙的介質結構，具有一定的光學禁帶和通帶，對于某些波長是不能透射過。光子晶體的折射率在空間排列的周期是波長量級。光子晶體的材料對工作波段的光的吸收很小。

雖然光子晶體的理論基礎是建立在Maxwell方程基礎上，而半導體的理論基礎是建立在Schrodinger方程基礎上的，它們分別屬于電動力學和量子力學的范疇。但是可以證明：在光子晶體的條件下，由Maxwell方程和Schrodinger方程，可以得到相同的結果。

如果比較薛定諤方程和波動方程：

(薛定諤方程)
(波動方程)

以下兩式如果成立：

則由薛定諤方程和波動方程可得到相同的結果。

由于光子晶體折射率的排列與晶體中原子的排列類似，都具有周期性，分析時都可以引入布洛赫波函數，因而可以得出：當光子晶體中折射率周期為波長量級時可以出現與固體能帶理論中的禁帶相類似的光學禁帶。

從發展歷史上來看，光子晶體的研究是源自于對光子的兩個基本現象的研究（1987年同一期PRL上發表的2篇文章）。

Localization  of  Light
S.John，Phys.Rev.lett.58，2486（1987）.
Inhibition of Spontaneous Emission
E.Yablonovitch，Phys.Rev .Lett.58，2059（1987）

事實上，在此之前人們早已應用了光子晶體；微波中的慢波結構和光學中的布拉格光柵，它們都屬于一維光子晶體。

1991年制造出第一個人造三維光子晶體——Yablonovite型光子晶體。

最早由ST．J．Russell等人于1992年提出的光子晶體光纖是典型的二維光子晶體。1998年報道了第一個真正利用光子禁帶（PBG）導光的光子晶體光纖。

V．Berger于1998年提出非線性光子晶體。

二維光子晶體

與固體能帶理論類似，在完美的光子晶體中也可以引入雜質和缺陷，使嚴格的周期結構破壞，這些缺陷能夠束縛一定頻率的光子，產生局域化的能級，這部分局域態位于光學禁帶之中。

在光子晶體中也可以引入不同類型的缺陷；點缺陷，線缺陷和面缺陷等。這些缺陷的控制是光子晶體實現各種功能的基礎。

缺陷態與局域態

利用光子晶體的局域態可以制備光子晶體的波導，微腔，環形諧振腔，分束器，耦合器等波導器件，可以制備出微小型平面光學回路（PLC），也可能實現三維光學回路模塊。

光子晶體具有某些獨特的光學特性，如微腔的高Q值性，超棱鏡，大群折射率和負折射率等，使制備無閾值激光器，高效光放大器或其他功能器件成為可能。

利用光子晶體的非線性光學效應，使制造出光開關、光二極管，光三極管，光邏輯回路等器件成為可能，是制造全光集成芯片的基礎。

光子晶體在近代科學技術特別是光學上有很多重要的應用。這里我們僅討論光子晶體在THz技術中的應用。雖然光子晶體在THz技術中主要可以用來作為各種功能器件：

 1．光子晶體THz傳輸線、波導
 2．光子晶體THz諧振腔
 3．光子晶體THz濾波器
 4．光子晶體THz波偏振器
 5．光子晶體THz波開關
 6．光子晶體THz波混頻器
 7．光子晶體THz波天線