紅外探測與遙感是氣象觀測的核心技術(shù)，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(shù)。常見的技術(shù)方案是通過組合濾光片與偏振片轉(zhuǎn)輪實現(xiàn)光譜和偏振的探測，這造成了系統(tǒng)體積大、功耗高、通道數(shù)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(jié)構(gòu)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(jù)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(tuán)隊介紹了一種基于薄膜微結(jié)構(gòu)耦合調(diào)控的設(shè)計新思路，以13 μm附近的大氣紅外波段為例，實現(xiàn)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(yīng)用于偏振光譜成像領(lǐng)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(guān)研究內(nèi)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(jié)構(gòu)

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(jìn)行結(jié)合，構(gòu)建出類似于FP腔的結(jié)構(gòu)，利用兩者耦合產(chǎn)生的共振激發(fā)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)覆蓋了探測器的一個像元，而若干像元最終實現(xiàn)了偏振光譜成像功能。由于各區(qū)域中結(jié)構(gòu)的縱向參數(shù)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(xiàn)片上集成。具體到各個通道來看，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

片上集成式偏振光譜成像器件的設(shè)計方法

有別于傳統(tǒng)意義的FP腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，文中提出的偏振光譜成像器件借鑒了光學(xué)隧穿器件的設(shè)計理念。光學(xué)隧穿類比于量子隧穿，通常指光子突破光學(xué)帶隙的勢壘，穿透全反射界面產(chǎn)生透射的一種現(xiàn)象。光學(xué)隧穿器件中常見的一種機(jī)制是基于光子晶體異質(zhì)結(jié)或金屬-光子晶體兩種結(jié)構(gòu)的光學(xué)TAMM態(tài)（OTS）。這是一種表面波，會在高反體系分界面產(chǎn)生指數(shù)衰減的倏逝場，并在光譜中表現(xiàn)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(cè)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(xué)隧穿器件通常利用薄膜層厚度的調(diào)控實現(xiàn)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(yīng)，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(jìn)行了改進(jìn)，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(shù)的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)不同通道的振幅和相位匹配。這種薄膜微結(jié)構(gòu)耦合的新構(gòu)型在工作機(jī)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(shè)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(shè)計流程圖

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

圖3 1D光柵結(jié)構(gòu)

片上集成式偏振光譜成像器件的物理機(jī)制、結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jī)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(jī)制：1D光柵和多層高反膜構(gòu)成了一種類FP腔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在滿足振幅與相位匹配時會出現(xiàn)光學(xué)隧穿現(xiàn)象，從而激發(fā)透射峰。而微結(jié)構(gòu)的引入導(dǎo)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(jié)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(nèi)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(shè)計提供了新思路，隨著上層微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化例如引入拓?fù)涑鈻拧⒊砻娴龋约凹訌?qiáng)對多層高反膜的優(yōu)化，未來有望實現(xiàn)更大的反射帶寬和更強(qiáng)的相位調(diào)控能力，進(jìn)而增強(qiáng)該器件的性能并增加其調(diào)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(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，而ZnS光柵的制備則需要利用H?刻蝕，該物質(zhì)的管控較為嚴(yán)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(xiàn)調(diào)研，初步確立了該器件的制備方案。具體內(nèi)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(yīng)離子束刻蝕SiO?硬掩模、SiO?圖形轉(zhuǎn)移、SiO?掩模刻蝕ZnS、ZnS圖形轉(zhuǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)陣列，再將其對準(zhǔn)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(shù)制備PbTe/ZnS多層膜。2）由于長波紅外微結(jié)構(gòu)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(yīng)離子束刻蝕技術(shù)制備ZnS微結(jié)構(gòu)。3）利用光譜儀對薄膜微結(jié)構(gòu)陣列各通道的光譜進(jìn)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(jī)制上的普適性，因此，可以通過縮放結(jié)構(gòu)尺寸實現(xiàn)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)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(shè)計和實現(xiàn)都提出了全新的挑戰(zhàn)。提出了基于薄膜微結(jié)構(gòu)耦合的設(shè)計新思路。將偏振敏感的1D GMR微結(jié)構(gòu)和偏振不敏感的多層高反膜進(jìn)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(xué)隧穿器件中OTS的啟發(fā)，通過在多層膜和微結(jié)構(gòu)交界面構(gòu)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(shù)的調(diào)控，實現(xiàn)多通道的集成，從而最終應(yīng)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(jìn)行了設(shè)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(jī)制、制備方案等進(jìn)行了研究與探索。

這種新的設(shè)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(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，有望獲得更好的性能，并成功應(yīng)用于偏振光譜成像領(lǐng)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(xiàn)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(xiàn)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