NASA强力推进超外差接收器研发拓宽宇宙观测

根据美国国家航空航天局（NASA）《2017 Science Mission Directorate TechnologyHighlights Report》公布信息显示，NASA正在开发一款可观测宇宙形成和结构的新型超外差探测器。宇宙中众多辐射与机械相互作用，塑造了星系的星际介质并推动著星系演化（如恒星风和喷射流的冲击波、超新星爆炸等），这种相互作用可在4.744 THz氧气吸收谱线下获得最佳观测。但是，大多数现有超外差接收机（heterodyne receiver）中运行的本地振荡器（local oscillator，LO）无法达到4.744 THz频率，所以无法对该谱线进行观测。NASA目前正资助麻省理工团队研究该技术，使未来的NASA任务加入可观测这一重要谱线的接收器。

技术发展

超外差探测是将入射光信号与LO参考信号进行比较的技术。NASA资助的该项目主要任务是：将LO的输出功率从目前小于1mW的水平提升至5mW，将工作温度从实验的10K提升至40K（该温度为天基或亚轨道天文台的可适应温度）。该团队设计了如图新型ASIC晶元，添加一些连接器等小元件，将提供相当于12个40MHz信道的三天线输入，且能耗仅需1W。（图片来源：Michael Shaw, GigOptics, Inc.）。NASA的《2017 SMD Technology Highlights Report》报告中表示，项目团队正在开发基于THz QCL的LO，该LO可以泵浦七元超外差接收器阵列。这些LO在4.7THz频点必须发射线宽小于1MHz的单频辐射，而该技术只能通过分布反馈（Distributed-Feed Back，DFB）光栅来实现。

可预期影响

成功研制4.744THz超外差探测器，将为观测广袤无垠的太空恒星与气体间的相互关系提供新颖独特的视角。NASA计划在未来的GUSTO，即将在2021年发射的长时间飞行气球任务中部署使用该超外差探测器。该技术还可能应用于未来的单孔径远红外观测站（Single Aperture Far-Infrared Observatory，SAFIR）任务，SAFIR也被认为是斯皮策空间望远镜和赫歇尔空间天文台的延续。而太赫兹量子级联激光器将可以广泛用于安全、生物化学感测和生物医学成像等领域。

未来计划

不久的将来，该研究团队将开发可上天的本振，服务GUSTO等亚轨道任务。从长远来看，这项工作还将涉及到SAFIR这样的天基天文台，这意味著将开发性能更高的器件。