NASA強力推進超外差接收器研發拓寬宇宙觀測

根據美國國家航空航天局（NASA）《2017 Science Mission Directorate TechnologyHighlights Report》公布信息顯示，NASA正在開發一款可觀測宇宙形成和結構的新型超外差探測器。宇宙中眾多輻射與機械相互作用，塑造了星系的星際介質並推動著星系演化（如恆星風和噴射流的衝擊波、超新星爆炸等），這種相互作用可在4.744 THz氧氣吸收譜線下獲得最佳觀測。但是，大多數現有超外差接收機（heterodyne receiver）中運行的本地振蕩器（local oscillator，LO）無法達到4.744 THz頻率，所以無法對該譜線進行觀測。NASA目前正資助麻省理工團隊研究該技術，使未來的NASA任務加入可觀測這一重要譜線的接收器。

技術發展

超外差探測是將入射光信號與LO參考信號進行比較的技術。NASA資助的該項目主要任務是：將LO的輸出功率從目前小於1mW的水平提升至5mW，將工作溫度從實驗的10K提升至40K（該溫度為天基或亞軌道天文台的可適應溫度）。該團隊設計了如圖新型ASIC晶元，添加一些連接器等小元件，將提供相當於12個40MHz信道的三天線輸入，且能耗僅需1W。（圖片來源：Michael Shaw, GigOptics, Inc.）。NASA的《2017 SMD Technology Highlights Report》報告中表示，項目團隊正在開發基於THz QCL的LO，該LO可以泵浦七元超外差接收器陣列。這些LO在4.7THz頻點必須發射線寬小於1MHz的單頻輻射，而該技術只能通過分布反饋（Distributed-Feed Back，DFB）光柵來實現。

可預期影響

成功研製4.744THz超外差探測器，將為觀測廣袤無垠的太空恆星與氣體間的相互關係提供新穎獨特的視角。NASA計劃在未來的GUSTO，即將在2021年發射的長時間飛行氣球任務中部署使用該超外差探測器。該技術還可能應用於未來的單孔徑遠紅外觀測站（Single Aperture Far-Infrared Observatory，SAFIR）任務，SAFIR也被認為是斯皮策空間望遠鏡和赫歇爾空間天文台的延續。而太赫茲量子級聯激光器將可以廣泛用於安全、生物化學感測和生物醫學成像等領域。

未來計劃

不久的將來，該研究團隊將開發可上天的本振，服務GUSTO等亞軌道任務。從長遠來看，這項工作還將涉及到SAFIR這樣的天基天文台，這意味著將開發性能更高的器件。