Numéro
Rev. Phys. Appl. (Paris)
Volume 9, Numéro 1, janvier 1974
Page(s) 279 - 284
DOI https://doi.org/10.1051/rphysap:0197400901027900
Rev. Phys. Appl. (Paris) 9, 279-284 (1974)
DOI: 10.1051/rphysap:0197400901027900

Heterodyne laser radiation detection at 891 GHz using josephson point contacts

T.G. Blaney

Division of Electrical Science, National Physical Laboratory, Teddington, Middlesex, England


Abstract
Experiments were carried out to investigate the performance of a heterodyne detector at 891 GHz using a cw hydrogen cyanide laser as the local oscillator and Nb-Nb point contact Josephson junctions as mixing devices. Using a second off-tuned HCN laser as the signal, intermediate frequencies (IF's) up to a few MHz could be studied. Both pre-set and adjustable types of junction were used, and the latter, arranged so that radiation could be directly focussed onto them gave the best ultimate sensitivity. Dependence of the IF power on dc current bias and local oscillator power is described, and compared with simple theory. IF power varied linearly with signal power for signals less than 10-5 to 10-6 W. The mixer conversion efficiency was independent of IF. The sensitivity of the detector was a strong function of junction characteristics and ranged over several orders of magnitude in the junctions studied. Noise at the output was dominated by the room temperature preamplifier with a noise temperature of about 500 K. The smallest observed value for conversion loss of the junction was about 29 dB. This figure includes the signal input matching loss. The best sensitivity of the whole receiving system was equivalent to 1 × 10-17 W/Hz.


Résumé
Pour étudier les performances d'un détecteur hétérodyne à 891 GHz on a utilisé un laser continu HCN comme oscillateur local, et une jonction Josephson à contact à pointe Nb-Nb, comme mélangeur. On a pu réaliser des fréquences intermédiaires (IF) jusqu'à quelques MHz, en utilisant un autre laser HCN comme générateur de signal. On a employé à la fois des jonctions pré-réglées, et des jonctions ajustables. Ces dernières donnant la meilleure sensibilité car elles permettent de focaliser le rayonnement directement sur la jonction. On étudie l'influence du courant continu de polarisation, et de la puissance de l'oscillateur local sur la puissance IF. Celle-ci varie linéairement avec la puissance du signal pour des niveaux inférieurs à 10-5 ou 10 -6 W. Le rendement de conversion du mélangeur est indépendant de la fréquence intermédiaire. La sensibilité du détecteur dépend fortement des caractéristiques et s'étend sur plusieurs ordres de grandeurs pour les jonctions étudiées. Le bruit est essentiellement celui du préamplificateur à température ambiante avec une température de bruit de l'ordre de 500 K. Les pertes par conversion minimales sont de l'ordre de 29 dB. Elles incluent les pertes dues à la désadaptation à l'entrée. La meilleure sensibilité obtenue pour le système de réception est de 10-17 W/Hz.

PACS
0757K - Bolometers; infrared, submillimeter wave, microwave, and radiowave receivers and detectors.
8525C - Josephson devices.

Key words
Radiation detectors -- Heterodyne detection -- Local oscillator -- Josephson junctions -- Point contacts -- Sensitivity analysis -- IV characteristic -- Frequency conversion