中红外集成光子传感系统研究进展

发表时间:2022-07-21 08:45

近年来,中红外(波长范围2~20μm)集成光子学因其潜在的应用场景如吸收光谱、热成像、自由空间光通信等而受到了广泛的关注。中红外波段包含了多个大气透明窗口,有着作为气体传感应用的先天优势,并且得益于近红外成熟的器件设计测试流程与微纳加工技术,一些近红外的应用也能够较快地拓展至中红外波段。


此外,集成光子器件在一些传感应用中不仅可以做到媲美传统设备的灵敏度,同时还具有低功耗、低成本、结构紧凑,易于与其他设备集成的特点。因此,中红外集成光子传感器件在未来将会在工业检测、科学研究、医疗诊断、军事安防、民用生活等领域中不断发挥出重要的作用。


据麦姆斯咨询报道,近期,上海科技大学信息科学与技术学院邹毅研究员课题组在《红外与激光工程》期刊上发表了以“中红外集成光子传感系统研究进展”为主题的综述文章。邹毅研究员主要从事集成光子学方面的研究工作。


这项研究主要对中红外集成光子传感平台进行了回顾,对中红外传感系统的三个主要部分:传感单元、光谱仪和探测器做出了简要介绍,展示了目前中红外集成光子传感器件的研究进展,并对其未来发展做出了展望。


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中红外集成片上传感系统


传感单元:基于中红外光学的传感单元拥有高灵敏度、高选择性,响应快且长期运行稳定的特点,目前已经有单层蛋白质检测、甲烷检测、重水检测、温室气体检测等各类化学、环境、生物检测应用。中红外片上传感单元依据集成类型可以分为面内以及面外两种。更进一步,也可以分成使用硅、锗IV 族材料和使用硫系玻璃、氮化铝等其他材料的传统波导型传感器件,以及表面等离激元共振型传感器件。


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中红外波导传感器件


在面内传感器件中,光波通常沿芯片上的波导进行传播,这样的设计有利于高度的单片集成。绝大部分使用硅、锗IV 族材料和使用硫系玻璃、氮化铝等其他材料的传统波导型传感器件都属于面内传感器件,还有一些表面等离激元传感器件也可以归入该类型。


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中红外环形谐振器传感器件


面外传感器也是很常见的片上集成传感器件。在面外传感器件中,基于超表面结构的传感器件是很常见的一类。超表面是一种具有周期性亚波长结构的人工材料,基于超表面结构的光学传感器件一般需要通过解析面外照射光的透反射谱来完成分析物检测,因此大多都属于面外器件。在中红外波段,硅基及其他材料的超表面研究正在逐步展开,相比之下现阶段更为成熟的面外中红外传感器件主要基于等离激元共振原理。它们以稍弱的集成能力为代价,展现出许多有趣的性能。


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中红外面外传感器件


中红外片上光谱仪:对于集成在片上的中红外光谱仪结构,主要分为以下几种:滤波-光谱重建光谱仪,空间外差法光谱仪以及双光梳光谱仪。滤波光谱重建光谱仪,由于其能够以较小的结构实现较大的光程(如谐振腔) 或不同的光谱响应,所以通常其具有结构更紧凑的特点,但具体需要根据光谱仪本身结构特征探讨其优缺点。基于空间外差法的傅里叶变换光谱仪,具有高光通量和高信噪比的特点,但为了实现更长的光程,通常需要较大的结构面积。双光梳光谱仪利用光梳在时间域的相干拍频,对相干结果做光谱求解,通常能够以较小的面积进行高精度的光谱检测,但其对光梳生成和探测速度的要求也相应较高。


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重建型光谱仪


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空间外差傅里叶变换光谱仪


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双光梳光谱仪原理及结构示意图


中红外集成光电探测器:光电探测器作为光强度信息获取的工具,在整个通信和传感系统中扮演着至关重要的角色。其可以作为片上传感如光谱仪,传感单元等信号收集端,也可用于雷达等设备的接收后端,作为数据采集的工具。目前报道的中红外的探测器材料主要有HgCdTe合金、III-V材料、二维材料、IV族材料等。


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部分吸收材料光学响应范围


当前报告最多的集成光电探测器探测方式主要为面外探测器,多用于焦平面阵列,红外成像,遥感等领域。波导集成作为探测器的另一种设计方式,可通过绝热耦合、光栅耦合等方式,加强光与吸收材料的交互,导出光强信息。


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中红外集成光电探测器


总体来说,中红外波段是理想的传感波段。同时由于波长比近红外更长,中红外器件的微结构特征尺寸所需工艺要求通常更低,使得工艺与制造更加容易。然而,目前中红外平台仍面临着一些不可忽视的问题。例如,第一,相较于更加成熟的近红外平台,中红外器件在传播损耗、插入损耗等性能方面还有很多可以提升的空间;第二,中红外光源、传感单元、中红外光电探测器的单片集成问题亟待解决,虽然许多器件的性能表现优异,但能够与之完全单片集成的光源和探测器目前还尚未达到商业化水平,这限制了中红外传感系统走出实验室环境和大规模向工业,军事和民用等领域普及;最后,许多除了传统硅基材料外的中红外平台相关研究正在展开,在此情景之下,如何权衡新材料带来的优秀性能和CMOS 加工工艺兼容上的困难,并同时做到与硅基平台相近的成本等难题仍待解决。但是这些问题并非无法克服,相信在研究人员的努力下,中红外传感将于未来能够在信息科学、天文、物联网、生命,可穿戴等科学、军事、工业和民用领域,发挥出重要的作用。


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