面向未来空间望远镜的超灵敏超太赫兹微波动力学电感探测器

未来用于远红外（宽泛定义为 1–10 THz 频段）的主动冷却天基观测站，有可能达到仅受宇宙背景辐射限制的灵敏度。这将使观测速度提高多个数量级。此类观测站上的光谱仪器需要大型探测器阵列，其灵敏度以噪声等效功率 NEP = 3 $\times 10^{-20}$ $W\surd{Hz}$ 表示。我们展示了为此频段设计、制备并表征的微波动力学电感探测器（MKIDs），其达到了所需灵敏度。该器件基于薄膜 NbTiN 谐振器，采用透镜天线耦合到谐振器短路端处亚微米宽度的铝传输线，辐射在此被吸收。我们通过使用约 1$\mu m^3$ 的小体积铝，并将铝部分制备在极薄（100 nm）的 SiN 薄膜上，对 MKID 几何结构进行优化以实现低 NEP。这两种优化方法还通过提高器件响应度来减小过量噪声的影响，而减小谐振器的寄生几何电感可进一步提高响应度。我们使用在 1.55 THz 附近窄带滤波的热定标源，测量了八个 MKID 相对于探测器吸收功率的灵敏度。在 200 Hz 调制频率下，所有被测 MKID 平均得到 NEP$_{exp}(P_{abs})\:=\:3.1\pm0.9\times10^{-20}\:W\surd{Hz}$。该 NEP 受准粒子俘获限制。所测灵敏度足以用于未来主动冷却天基观测站的光谱观测。此外，所提出的器件设计与组装可适用于高达约 10 THz 的频率，并易于在千像素阵列中实现。