超構(gòu)材料與紅外探測芯片的結(jié)合

超構(gòu)材料具有強(qiáng)大的電磁波參量調(diào)控與分辨功能，可以構(gòu)成多功能的超薄平面光學(xué)元件。由于超構(gòu)材料的制造工藝與集成電路芯片的制造工藝是一致的，而目前集成電路的工藝節(jié)點(diǎn)尺寸已達(dá)到了10nm以下的精度，因此大規(guī)模制備基于超構(gòu)材料的多功能電磁參量調(diào)控元件也不存在根本性的障礙。用超構(gòu)材料取代單一功能的傳統(tǒng)紅外光學(xué)元件，并與紅外探測芯片結(jié)合，勢必革新傳統(tǒng)的紅外成像探測系統(tǒng)架構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更為緊湊、功能更為多樣的紅外探測成像系統(tǒng)出現(xiàn)，而這也契合了紅外探測芯片和成像系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢：在系統(tǒng)緊湊化、輕量化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更多的功能。以下，對近年來國內(nèi)、外在將超構(gòu)材料與紅外探測芯片結(jié)合、壓縮成像系統(tǒng)體積并實(shí)現(xiàn)新型探測功能方面的代表性工作進(jìn)行了回顧與梳理。

3.1 超構(gòu)材料調(diào)控探測芯片的光譜響應(yīng)

日本三菱電子公司高等技術(shù)研究所的Shinpei Ogawa等人從2012年開始發(fā)表了一系列論文，報(bào)道了如何將超構(gòu)材料吸收體集成在基于摻雜多晶硅的熱電堆探測器像元上，實(shí)現(xiàn)波長選擇型探測和偏振選擇型探測。如圖13(a)、圖13(b)所示，論文采用了圓形金屬槽陣列作為具有波長選擇功能的超構(gòu)材料吸收體。從圖13(c)可以看出，超構(gòu)材料吸收體只在某個(gè)峰值波長附近較窄的波長范圍內(nèi)具有高吸收率，而通過調(diào)節(jié)金屬槽陣列的單元周期，可以調(diào)控峰值吸收波長。因此，超構(gòu)材料吸收體起到了波長可調(diào)的吸收式窄帶濾光片的作用。如果將超構(gòu)材料吸收體與熱電堆探測器的像元進(jìn)行集成，如圖13(d)、圖13(e)所示，就可以實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)的窄帶熱探測。需要指出的是，熱探測材料對入射光的波長是沒有分辨能力的，因此傳統(tǒng)的熱探測器的光譜響應(yīng)是寬帶的，而要實(shí)現(xiàn)窄帶熱探測，一般要依賴外加的分立式窄帶濾光片。超構(gòu)材料吸收體的引入，使熱探測器在像元層次上具有獨(dú)立分辨電磁波長的能力，可以在不依賴分立式窄帶濾光片的前提下便實(shí)現(xiàn)窄帶探測，這使得基于熱探測像元陣列的非制冷紅外焦平面有了更大的設(shè)計(jì)自由度。圖13(f)展示了如何構(gòu)建像元陣列，并獨(dú)立調(diào)控每個(gè)像元上集成的吸收體的吸收波長，從而實(shí)現(xiàn)中紅外波段的多波長探測功能。圖13(g)給出了兩個(gè)像元的響應(yīng)率與入射光波長的關(guān)系曲線，即光譜響應(yīng)率。這兩個(gè)像元分別集成了具有不同吸收波長的吸收體，因此，它們的光譜響應(yīng)率的峰值也分別位于不同的波長處。圖13(h)則給出了8個(gè)像元的峰值響應(yīng)波長?？梢钥闯觯ㄟ^調(diào)節(jié)金屬槽陣列的單元周期，像元的峰值響應(yīng)波長可以覆蓋整個(gè)中紅外波段。集成超構(gòu)材料吸收體的熱電堆像元的制造工藝流程如圖13(i)所示，該流程采用了與CMOS兼容的工藝，因此可以利用集成電路芯片的生產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

圖13 利用二維周期性金屬圓槽陣列調(diào)控?zé)犭姸烟綔y器的紅外光譜響應(yīng)

沿著利用超構(gòu)材料調(diào)控?zé)崽綔y器像元光譜響應(yīng)的思路，Shinpei Ogawa等人進(jìn)一步開發(fā)了基于SOI二極管的雙色成像熱探測器。如圖14(a)所示，該探測器采用 “金屬天線陣列-介質(zhì)層-金屬背板”(即MIM結(jié)構(gòu))的超構(gòu)材料吸收體實(shí)現(xiàn)對入射光波長的選擇。上層的金屬天線為圓盤型，以確保對入射光的偏振態(tài)不敏感吸收。同時(shí)，在MIM結(jié)構(gòu)中還留出了若干釋放孔，用于形成懸空的支撐結(jié)構(gòu)，如圖14(b)所示。由于MIM結(jié)構(gòu)的超構(gòu)材料吸收體對入射光的局域化功能很強(qiáng)，釋放孔的存在對吸收體的吸收譜影響并不大。如圖14(c)所示，通過調(diào)節(jié)上層圓盤型金屬天線的尺寸，便可以靈活調(diào)控吸收體的吸收波長。集成超構(gòu)材料吸收體的完整像元結(jié)構(gòu)及其典型光譜響應(yīng)曲線如圖14(d)、圖14(e)所示?；谶@種像元結(jié)構(gòu)，作者制作了相應(yīng)的焦平面陣列，如圖14(f)所示。焦平面陣列的像元間距(pixel-pitch)為50μm，像元陣列的大小為320×240，整個(gè)焦平面陣列的尺寸為20.0mm×19.0mm。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的雙色成像探測，像元陣列被劃分為左右兩半，通過調(diào)控上層金屬天線的結(jié)構(gòu)和大小，將左半邊像元陣列的探測波長設(shè)定為4.7μm，右半邊像元陣列的探測波長設(shè)定為7.6μm。為了驗(yàn)證雙色成像探測功能，作者將一個(gè)輻射體與一個(gè)中心波長為4.7μm的窄帶濾光片的組合作為探測目標(biāo)。對該探測目標(biāo)的成像效果如圖14(g)所示。可以看到，只有左半邊像元陣列可以對目標(biāo)進(jìn)行成像，而右半邊像元陣列對探測目標(biāo)沒有響應(yīng)，這也就驗(yàn)證了雙色成像探測的功能。

圖14 基于超構(gòu)材料的雙色紅外成像探測芯片

超構(gòu)材料不但可以分辨入射光的頻率，還可以分辨入射光的偏振態(tài)，上述目標(biāo)只需要在亞波長單元的結(jié)構(gòu)中引入不對稱性即可實(shí)現(xiàn)。例如，Shinpei Ogawa等人于2014年報(bào)道了采用橢圓形金屬槽陣列作為具有偏振態(tài)選擇功能的超構(gòu)材料吸收體，如圖15(a)、圖15(b)所示。由于橢圓形金屬槽具有結(jié)構(gòu)不對稱性，只有在入射光的電場分量平行于橢圓的短軸時(shí)才會(huì)激發(fā)諧振，因此其具有分辨偏振態(tài)的能力，如圖15(c)所示。而如果將這種超構(gòu)材料吸收體與熱電堆探測器像元進(jìn)行集成，如圖15(d)、圖15(e)所示，就可以調(diào)控像元響應(yīng)與入射光偏振態(tài)的關(guān)系，即偏振光譜響應(yīng)。從圖15(f)可以看出，集成超構(gòu)材料吸收體的熱電堆探測器像元對兩種偏振態(tài)的響應(yīng)是不同的，即其具有了獨(dú)立的偏振態(tài)分辨能力。對于焦平面探測器而言，這意味著可以靈活設(shè)置像元陣列中每個(gè)像元所響應(yīng)的偏振態(tài)。如果將像元陣列中四個(gè)相鄰的像元規(guī)定為一個(gè)超像元，并將其中每個(gè)像元所響應(yīng)的偏振態(tài)按圖15(g)所示的方式進(jìn)行設(shè)置，就可以根據(jù)它們的讀出信號，按照斯托克斯公式計(jì)算出入射光的偏振度和偏振角，這也是分焦平面式偏振成像探測的原理。

圖15 利用二維橢圓金屬槽陣列調(diào)控?zé)犭姸烟綔y器的紅外偏振/光譜響應(yīng)

基于相同的思路，Shinpei Ogawa等人于2015年報(bào)道了采用基于條形金屬槽陣列的偏振敏感型超構(gòu)材料吸收體，如圖16(a)、圖16(b)所示。由于條型金屬槽同樣具有結(jié)構(gòu)的不對稱性，因此其也具有對入射光偏振態(tài)的分辨能力。圖16(c)、圖16(d)給出了集成條狀金屬槽陣列的熱電堆探測器像元，而這種像元對兩種入射光偏振態(tài)的光譜響應(yīng)如圖16(e)、圖16(f)所示。

圖16 利用一維周期性金屬槽陣列調(diào)控?zé)犭姸烟綔y器的紅外偏振/光譜響應(yīng)

本文作者與同事從2012年開始發(fā)表了一系列論文，報(bào)道了將超構(gòu)材料吸收體集成在基于雙材料懸臂梁的熱形變探測器像元上，實(shí)現(xiàn)波長選擇型探測和偏振選擇型探測的工作。如圖17(a)、圖17(b)所示，熱形變探測器的像元由“25nm金薄膜+100nm氮化硅薄膜”的雙材料懸臂梁結(jié)構(gòu)組成，臂長為500μm，寬為100μm，且兩端固定。在入射紅外光的照射下，懸臂梁吸收光能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致溫度升高。在溫升的作用下，金薄膜與氮化硅薄膜之間的受熱膨脹程度差異將導(dǎo)致懸臂梁發(fā)生彎曲形變，而這種彎曲形變的程度與入射光的光強(qiáng)成正比。因此，通過測量雙材料懸臂梁結(jié)構(gòu)的形變量，就可以讀出入射紅外光的光強(qiáng)。與其他類型的熱探測器一樣，熱形變探測器對入射光的波長和偏振態(tài)也不具備分辨能力。因此，在雙材料懸臂梁上集成了基于納米槽天線陣列的超構(gòu)材料吸收體，如圖17(c)所示。由于納米槽天線在結(jié)構(gòu)上具有不對稱性，因此只有當(dāng)入射光的偏振態(tài)垂直于納米槽時(shí)，才能激發(fā)起電磁諧振，即對入射光的偏振態(tài)具有分辨能力。當(dāng)入射光的偏振態(tài)垂直于納米槽時(shí)，電磁諧振的峰值波長與納米槽的長度線性相關(guān)，如圖17(d)所示，即對入射光的波長具有分辨能力。為了測量懸臂梁的形變量，采用了基于光纖的法布里-帕羅干涉儀結(jié)構(gòu)，如圖17(e)所示。在該結(jié)構(gòu)中，懸臂梁是一個(gè)反射面，光纖端面是另一個(gè)反射面，兩個(gè)反射面之間的間距(即干涉儀的腔長)，受到懸臂梁彎曲形變的調(diào)控。通過光纖向干涉儀注入1550nm的測試光，并根據(jù)干涉儀反射回的光的強(qiáng)度，便可以推算出干涉儀的腔長變化量，即懸臂梁的彎曲形變量。我們用輸出光波長為6μm的中紅外量子級聯(lián)激光器作為光源，對該熱形變探測器進(jìn)行了測試，集成在懸臂梁上的納米槽天線的峰值吸收波長也設(shè)定為6μm。圖17(f)給出了納米槽天線的吸收系數(shù)和探測器的電壓響應(yīng)率與入射光波長的關(guān)系。圖17(g)給出了入射光在受到斬波器的調(diào)制時(shí)，探測器的響應(yīng)率隨調(diào)制頻率的變化曲線。

圖17 利用基于納米槽天線的超構(gòu)材料吸收體調(diào)控?zé)嵝巫兲綔y器的紅外偏振/光譜響應(yīng)

美國杜克大學(xué)的Willie Padilla等人于2017年報(bào)道了將超構(gòu)材料吸收體與基于鈮酸鋰薄膜的熱釋電探測器像元進(jìn)行集成、實(shí)現(xiàn)波長選擇型探測的工作。如圖18(a)所示，該探測器采用厚度為575nm的單晶鈮酸鋰薄膜作為熱釋電材料，同時(shí)熱釋電薄膜也構(gòu)成了 “金屬天線-介質(zhì)層-金屬背板”三層結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)層。熱釋電薄膜的上方是分裂十字金天線陣列，如圖18(b)所示，薄膜下方是金背板。天線陣列的大小為150μm×150μm，如圖18(c)所示，這同時(shí)也定義了熱探測器像元的大小。圖18(d)給出了三層結(jié)構(gòu)對入射光的典型吸收譜線。可以看出，三層結(jié)構(gòu)可以選擇性地吸收特定波長范圍內(nèi)的入射光。而通過調(diào)整上層天線陣列的結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)，可以靈活調(diào)控對入射光的峰值吸收波長，如圖18(e)所示。當(dāng)入射光波長等于峰值吸收波長時(shí)，三層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光功率損耗密度分布、溫度分布及相應(yīng)的熱釋電電場場強(qiáng)的分布情況由圖18(f)給出。可以看出，在峰值波長處，入射光被局限在三層結(jié)構(gòu)內(nèi)。由于金屬材料和薄膜鈮酸鋰材料對光均有吸收作用，吸收的光能通過歐姆損耗轉(zhuǎn)化為熱能并導(dǎo)致溫度上升，而溫度的上升又導(dǎo)致熱釋電薄膜上下兩極之間產(chǎn)生電荷堆積和相應(yīng)的電信號輸出。圖18(g)對比了該探測器的光譜響應(yīng)曲線與超構(gòu)材料吸收體的光譜吸收曲線?？梢钥闯觯诩闪苏瓗С瑯?gòu)材料吸收體之后，探測器的光譜響應(yīng)也變?yōu)榱苏瓗У?，即?shí)現(xiàn)了波長選擇型的探測。

圖18 利用基于分裂十字天線的超構(gòu)材料吸收體調(diào)控?zé)後岆娞綔y器的紅外光譜響應(yīng)

3.2 超構(gòu)材料作為探測芯片的波前調(diào)控元件

在Capasso等人提出廣義折反射定律并展示出基于天線陣列的平面聚焦透鏡后，學(xué)術(shù)界對利用超構(gòu)材料(表面)實(shí)現(xiàn)多功能的平面光學(xué)元件產(chǎn)生了濃厚的興趣，而成像透鏡作為各種光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也成為了超構(gòu)材料的一個(gè)標(biāo)志性的應(yīng)用。從2016年開始，學(xué)術(shù)界報(bào)道了一系列基于超構(gòu)材料的平面成像透鏡(超透鏡，metalens)的工作，這里選取兩個(gè)工作在中紅外波段的典型成像超透鏡案例加以說明。

澳大利亞國立大學(xué)的Barry Luther-davies等人于2017年報(bào)道了基于納米硅柱陣列的平面成像透鏡。如圖19(a)所示，該透鏡的陣列基本單元為納米硅柱，襯底為MgF2。納米硅柱陣列在工作波長λ=4μm附近的振幅響應(yīng)(Transmission)和相位響應(yīng)(Phase)隨硅柱的底面半徑(Radius)及陣列單元的尺寸(Lattice Constant)的變化規(guī)律，由圖19(b)、圖19(c)給出。作者利用該納米硅柱陣列進(jìn)行了基本的光線偏折的驗(yàn)證性工作，仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖19(d)、圖19(e)所示。為檢驗(yàn)納米硅柱陣列對光束聚焦的能力，作者根據(jù)式(3)所描述的相位分布函數(shù)對納米硅柱陣列的排布進(jìn)行了設(shè)計(jì)(圖19(f))，并實(shí)驗(yàn)制備了6個(gè)直徑D為300μm的納米硅柱陣列。每個(gè)陣列的焦距f依次為50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm，對應(yīng)的數(shù)值孔徑依次為0.95、0.83、0.71、0.6、0.51、0.45。

圖19 基于硅納米柱陣列的中紅外超透鏡

圖19(i)給出了光束聚焦實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果。可以看出，該納米硅柱陣列的聚焦能力已接近衍射極限。為檢驗(yàn)納米硅柱陣列的成像效果，作者制備了直徑為2mm、焦距f也為2mm的納米硅柱陣列。作者首先用該納米硅柱陣列對自制的樣品進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，效果如圖19(j)所示。隨后，作者又用1951年美國空軍制定的標(biāo)準(zhǔn)測試圖案(圖19(l))作為成像對象檢驗(yàn)了該納米硅柱陣列的成像效果，如圖19(k)所示。結(jié)果顯示，當(dāng)該納米硅柱陣列的放大倍數(shù)為120倍時(shí)，可以分辨的最小線寬為4.38μm。作為對比，作者又采用傳統(tǒng)的非球面硫系玻璃透鏡（C036TME-E, Thorlabs, NA=0.56）進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖19(m)所示，該硫系玻璃透鏡可以分辨的最小尺度為3.48μm。由于硫系玻璃透鏡的數(shù)值孔徑比納米硅柱陣列的數(shù)值孔徑大出約10%，作者得出的結(jié)論是，納米硅柱陣列的分辨能力與硫系玻璃透鏡的成像分辨能力相當(dāng)。

美國麻省理工學(xué)院的Juejun Hu等人于2018年報(bào)道了基于碲化鉛(PbTe)納米結(jié)構(gòu)陣列的平面成像透鏡,襯底為氟化鈣CaF2，工作波長λ0=5.2μm。為同時(shí)得到0~2π的相位響應(yīng)范圍和較高的透射率，納米結(jié)構(gòu)陣列中的基本單元(meta-atom)選取了長方形和H型兩種結(jié)構(gòu)，基本單元的周期P為2.5μm、厚度為650nm。圖20(a)~圖20(c)給出了長方形基本單元的結(jié)構(gòu)示意圖、振幅響應(yīng)和相位響應(yīng)。從圖20(d)可以看出，雖然長方形基本單元的相位響應(yīng)能夠覆蓋0~2π，但是在其中120°的相位響應(yīng)范圍內(nèi)，基本單元的透射率較低 (low efficiency gap)。因此，作者引入了H型的基本單元結(jié)構(gòu)，如圖20(e)所示。從圖20(f)可以看出，H型結(jié)構(gòu)能夠有效填補(bǔ)長方形結(jié)構(gòu)透射率較低的相位響應(yīng)范圍。將兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來,就可得出相位響應(yīng)范圍覆蓋0~2π、同時(shí)透射率又較高的一組基本單元,如圖20(g)所示。作者基于設(shè)計(jì)好的基本單元進(jìn)行了平面透鏡的制備。圖20(h)、圖20(i)給出了碲化鉛薄膜的折射率和消光系數(shù)的實(shí)際測量值，以及實(shí)驗(yàn)制備的長方形和H型基本單元的掃描電鏡圖。圖20(j)~圖20(l)給出了用作平面成像透鏡的納米結(jié)構(gòu)陣列的掃描電鏡圖。該平面透鏡的直徑為1mm，焦距f=0.5mm。作者用1951年美國空軍制定的測試圖案對平面透鏡進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn),如圖20(m)所示。實(shí)驗(yàn)測得的成像分辨率為3.9μm，與在衍射極限條件下采用瑞利判據(jù)的理論計(jì)算值3.4μm接近。

事實(shí)上，采用H型等一些不同于圓柱、長方體的結(jié)構(gòu)，以此來填補(bǔ)在相位響應(yīng)覆蓋上的不足這種方法，在目前的超透鏡研究領(lǐng)域具有非常普遍的應(yīng)用。在對單元的設(shè)計(jì)中，半徑這一自由度可以用來調(diào)控相位響應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)聚焦成像功能。而當(dāng)要給予超透鏡其他附加的功能(比如消除色差時(shí))，就需要另外的一個(gè)自由度。將納米陣列的形狀由圓柱、長方體改為其他形狀，正是引入新的自由度的方法。

圖20 基于PbTe納米結(jié)構(gòu)單元陣列的中紅外超透鏡