大氣紅外波段的片上集成式偏振光譜成像器件設計

紅外探測與遙感是氣象觀測的核心技術，紅外輻射探測儀作為氣象衛(wèi)星的重要載荷，主要用于大氣溫度、濕度的定量化探測，其探測精度取決于光譜和偏振測量的通道數。常見的技術方案是通過組合濾光片與偏振片轉輪實現光譜和偏振的探測，這造成了系統(tǒng)體積大、功耗高、通道數少的問題。發(fā)展片上集成式偏振光譜成像器件是解決上述問題的有效方法，已有研究主要采用薄膜諧振腔或共振微結構的陣列化方案，但二者都無法兼顧光譜和偏振選擇的要求。

據麥姆斯咨詢報道，南京波長光電科技股份有限公司的科研團隊介紹了一種基于薄膜微結構耦合調控的設計新思路，以13 μm附近的大氣紅外波段為例，實現了片上集成式的偏振光譜成像。該器件有望在將來被廣泛應用于偏振光譜成像領域中，同時，由于該器件對基底折射率并不敏感，基底的選擇也會更加自由。相關研究內容以“大氣紅外波段的片上集成式偏振光譜成像器件”為題發(fā)表在《紅外與激光工程》期刊上。

片上集成式偏振光譜成像器件的基本結構

本文提出了一種片上集成式的偏振光譜成像器件，通過將偏振敏感的一維（1D）亞波長光柵和偏振不敏感的多層高反膜進行結合，構建出類似于FP腔的結構，利用兩者耦合產生的共振激發(fā)實現了偏振選擇的窄帶濾波。這種片上集成式偏振光譜成像器件的示意圖如圖1(a)所示。四組光柵結構覆蓋了探測器的一個像元，而若干像元最終實現了偏振光譜成像功能。由于各區(qū)域中結構的縱向參數均保持不變，因此，這些不同通道的偏振濾波器件在制備時，無需增加套刻等多步迭代工藝，從而可以實現片上集成。具體到各個通道來看，其結構示意圖如圖1(b)所示。

圖1 (a)集成式偏振光譜成像器件的示意圖；(b)單個通道的結構示意圖

片上集成式偏振光譜成像器件的設計方法

有別于傳統(tǒng)意義的FP腔結構設計，文中提出的偏振光譜成像器件借鑒了光學隧穿器件的設計理念。光學隧穿類比于量子隧穿，通常指光子突破光學帶隙的勢壘，穿透全反射界面產生透射的一種現象。光學隧穿器件中常見的一種機制是基于光子晶體異質結或金屬-光子晶體兩種結構的光學TAMM態(tài)（OTS）。這是一種表面波，會在高反體系分界面產生指數衰減的倏逝場，并在光譜中表現出高效率的窄帶透射或吸收峰。OTS的形成無需特別引入共振腔，只需要兩個高反體系分界面兩側的反射相位相互抵消即可，即同時滿足振幅與相位的匹配。

基于OTS的光學隧穿器件通常利用薄膜層厚度的調控實現波長選擇，這在多通道集成加工中是不利的；此外，由于均勻薄膜在正入射時對不同偏振態(tài)具有相同的響應，因此也缺失了偏振選擇功能。為了解決這兩個問題，對既有的OTS器件進行了改進，利用偏振敏感的1D亞波長光柵替代了上層的高反射膜堆或金屬薄膜，通過光柵橫向參數的調節(jié)來實現不同通道的振幅和相位匹配。這種薄膜微結構耦合的新構型在工作機理上與傳統(tǒng)OTS和FP腔器件均有所不同，這點會在下文中給出分析。對于具體的器件設計，參照了圖2中的流程展開了研究。

圖2 集成式偏振光譜成像器件的設計流程圖

1）利用粒子群優(yōu)化算法設計一個偏振敏感的寬帶高反器件。2）設計一個寬帶高反的多層膜堆。3）通過調控間隔層的厚度，實現上下高反體系的相位匹配。4）通過參數掃描實現多通道的設計，從而應用于片上集成式偏振光譜成像，如圖3所示。

圖3 1D光柵結構

片上集成式偏振光譜成像器件的物理機制、結構參數及光譜性能

為了理解這種片上集成式光譜成像器件的物理機制，以13 μm的波段為例，計算了其電場分布，如圖4所示。可以這樣理解窄帶透射峰的物理機制：1D光柵和多層高反膜構成了一種類FP腔結構，該結構在滿足振幅與相位匹配時會出現光學隧穿現象，從而激發(fā)透射峰。而微結構的引入導致了電場既無法完全局域于間隔層中，也無法像OTS一樣以倏逝場的形式分布在分界面上，這種特殊的場分布情況表明了透射峰是上層光柵所激發(fā)的GMR與間隔層中的類FP共振共同耦合后的結果。

圖4 偏振光譜成像器件在13 μm處的電場分布

通過滿足OTS的兩個必要匹配條件，可以在一定范圍內得到高透過率與消光比的片上集成式偏振光譜成像器件。該工作為集成式偏振光譜成像器件的設計提供了新思路，隨著上層微結構的復雜化例如引入拓撲超光柵、超表面等，以及加強對多層高反膜的優(yōu)化，未來有望實現更大的反射帶寬和更強的相位調控能力，進而增強該器件的性能并增加其調控范圍。

基于多共振耦合的偏振光譜成像器件的制備方案

對于提出的片上集成式偏振光譜成像器件，由于PbTe薄膜在鍍膜過程會產生有毒有害物質，而ZnS光柵的制備則需要利用H?刻蝕，該物質的管控較為嚴格，受限于種種實驗條件還不完備，因此尚未在實驗上得以驗證。然而，通過文獻調研，初步確立了該器件的制備方案。具體內容如圖5所示，主要包含了旋涂光刻膠、激光直寫圖形化、反應離子束刻蝕SiO?硬掩模、SiO?圖形轉移、SiO?掩?？涛gZnS、ZnS圖形轉移等步驟。

圖5 偏振光譜成像器件的制備流程圖

而對于器件的最終應用，總體思路是在單片ZnS襯底上同時加工出不同通道的薄膜微結構陣列，再將其對準集成在圖像傳感器前端。具體來說，可分為以下3步：

1）采用熱阻蒸發(fā)技術制備PbTe/ZnS多層膜。2）由于長波紅外微結構的特征尺寸較大，通常都在μm量級，因此可采用激光直寫和反應離子束刻蝕技術制備ZnS微結構。3）利用光譜儀對薄膜微結構陣列各通道的光譜進行測試和表征，最后將器件通過紫外固化膠集成在圖像傳感器前端。

這種基于多共振耦合的偏振光譜成像器件，由于在物理機制上的普適性，因此，可以通過縮放結構尺寸實現工作波段的選擇。如在3~5 μm波段，由于光柵材料可以直接沿用ZnS，因此可以采用相同的制備方案；而在近紅外波段，則可對Si基材料的多層膜和光柵結構進行加工。不同于傳統(tǒng)的GMR和FP共振器件，由于相位與振幅的匹配幾乎不會受基底影響，因此，該器件對基底折射率并不敏感，基底的選擇也會更加自由，如鍺、氟化物等紅外透明材料。

結論

新一代大氣紅外探測儀亟待向小型化、集成化、光譜偏振多維度探測的方向發(fā)展，這對片上集成式偏振光譜成像器件的設計和實現都提出了全新的挑戰(zhàn)。提出了基于薄膜微結構耦合的設計新思路。將偏振敏感的1D GMR微結構和偏振不敏感的多層高反膜進行了組合，提出了一種類似于FP腔的偏振濾波器件。該器件受到了光學隧穿器件中OTS的啟發(fā)，通過在多層膜和微結構交界面構建相位和振幅的匹配條件，激發(fā)出偏振選擇的窄帶透射峰，并通過橫向參數的調控，實現多通道的集成，從而最終應用于片上集成式偏振光譜成像。以大氣紅外波段為例，對6個通道進行了設計，得到了平均超過94%的透過率和30的消光比。以外，也對器件的物理機制、制備方案等進行了研究與探索。

這種新的設計思路為片上集成式光譜成像器件打開了新的大門。隨著制備工藝的提高以及結構的進一步優(yōu)化，有望獲得更好的性能，并成功應用于偏振光譜成像領域之中。此外，近年來一些低維紅外探測材料比如GaSb納米線也展現出優(yōu)異的紅外探測性能，且得益于其維度優(yōu)勢可以實現偏振紅外光的探測。為具有偏振選擇特性的紅外探測材料賦予光譜選擇功能，也將會是未來的一個研究新思路。

論文信息：

DOI: 10.3788/IRLA20240012

審核編輯：劉清