为EXCLAIM研制新一代集成微光谱型远红外光谱仪

当前远红外天文学的发展状况促使人们需要为未来的空间和地基仪器开发紧凑、灵敏的光谱仪。在此我们介绍目前正在为远红外气球任务EXCLAIM研制的$\rm \mu$-Spec光谱仪的详细情况。这些光谱仪设计覆盖$\rm 555 - 714\ \mu$m范围，在$\rm 638\ \mu$m波段中心处分辨率为$\rm R\ =\ \lambda / \Delta\lambda\ =\ 512$。光谱仪设计采用在低成本单晶Si芯片上的平行板波导中实现的罗兰光栅光谱仪，使用Nb微带平面传输线和薄膜Al动力学电感探测器（KIDs）。EXCLAIM的$\rm \mu$-Spec设计是在成功的$\rm R = 64\ \mu$-Spec原型基础上的改进，可视为结合了光谱色散与探测的亚毫米超导光子集成电路（PIC）。该设计在单一$M{=}2$光栅级次下工作，使一台光谱仪即可覆盖整个EXCLAIM波段而无需多阶焦平面。EXCLAIM仪器将搭载六台光谱仪，它们制作在单块150 mm直径Si晶圆上。制作涉及翻转晶圆键合工艺，在Si介质两侧图案化超导层。光谱仪设计在100 mK下工作，将包含355个Al KID探测器，目标NEP为${\sim}8\times10^{-19}$ $\rm W/\sqrt{Hz}$。我们总结了这些用于EXCLAIM的$\rm \mu$-Spec光谱仪的设计、制作及持续开发工作。