量子阱红外探测器的等离激元微腔及波导光耦合

发布时间：2018-01-25 13:45

  本文关键词： 量子阱红外探测器 等离激元微腔 表面等离极化激元 局域表面等离激元 波导 波导模式 金属共振腔　出处：《中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：由于可重复性高、加工工艺成熟、均匀性好、响应时间短等特征,量子阱红外探测器成为了红外探测领域的一个热门方向。然而量子阱的子带跃迁机制导致其不能吸收垂直入射光且量子效率低等问题,制约着量子阱红外探测器的发展。人们往往通过集成光耦合结构来增强光场,进而达到提高量子效率的目的。目前几乎所有的研究都建立在大光敏元(200?200?m2)单元探测器上。与此同时,红外成像技术已经发展到了第三代,多色、大规模红外焦平面阵列,可以获得目标物体的凝视成像。故而,要实现目标的凝视成像,光敏元的尺寸必须减小到像元尺寸(目前红外探测器通用像元尺寸为20-30?m)。等离激元微腔结合了等离激元亚波长尺寸操控光子的能力与微腔捕获光子的本质,可以将光子超强压缩在亚波长尺寸区域内。本课题的工作围绕等离激元微腔与焦平面像元来展开,即将等离激元微腔集成到红外探测器像元上,等离激元微腔可以将垂直入射光强耦合进微腔内,被量子阱吸收,形成增强的光电流。主要的工作有:1.探讨了像元级表面等离激元微腔集成的量子阱红外探测器,实验的结果表明,通过等离激元微腔对光子的捕获与光场增强,黑体响应率提高到原来的4.5倍,峰值响应率可提高到原来的10倍。研究了共振波长及相应共振模式下的响应率增强随几何尺寸的依赖关系。通过改变光敏元尺寸,研究了像元尺寸对光谱的影响,即像元尺寸效应。2.将等离激元微碟集成到量子阱红外探测器像元,理论上对微碟的本征模式进行了分析。实验上观测到了微碟本征模式共振,并且响应率得到了3.1倍的提升。实验上获得了像元尺寸与共振模式(辐射模数)间的关系,证明了可以通过减小共振模数达到减小像元尺寸的目的,以适应当下红外相机像元尺寸减小的趋势。3.研究了金属-介质-空气波导(metal-dielectric-air,MDA)结构,并且将波导结构与量子阱红外探测器进行耦合。理论上对波导模式进行了分析,通过金碟的引入实现相应波导模式共振。实验上观测到了一阶横磁(transverse magnetic,TM)导模共振响应峰,其响应率提高到45°磨角器件的3.7倍。研究发现,该模式可以将光场能量局域在介质层中间,而不是金属-介质界面,实现模场与量子阱激活层的较好交叠,有利于光子利用率的提高。4.研究了金属-介质-金属(metal-dielectric-metal,MIM)耦合的量子阱红外探测器中光学模式与入射角度间的关系,实验上观测到了传输的表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)与局域的表面等离激元(localized surface plasmon,LSP)模式。研究发现SPP模式随着入射角改变而劈裂,而LSP模式则不随入射角改变而改变。用几何光学及波导理论对光学模式的形成及对入射角的依赖关系进行了详细的分析。5.提出了小台面的金属共振腔,即金属包裹像元至下电极层。该共振腔可以提供较高品质因子(Q值)的光学腔模,对共振腔的光学模式进行了理论分析,并且对几何参数进行相关讨论。该共振腔与高光谱成像结合,有望成为一种新的光谱成像探测技术。
[Abstract]:In order to improve the quantum efficiency , the quantum well infrared detector has been developed into three - generation , multi - color and large - scale infrared focal plane arrays . In this paper , we find that the SPP mode is cleaved with the change of incidence angle , whereas LSP mode is not changed with the change of incidence angle . The formation of optical mode and the dependence of angle of incidence are analyzed in detail by geometry optics and waveguide theory . The resonant cavity can provide the optical cavity mode with high quality factor ( Q value ) , and the geometrical parameters are discussed .

【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN215

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