球面式探测器

为了进一步提高红外变焦光学系统的性能，兼顾其空间分辨率和灵敏度的要求，基于可变冷光阑技术的制冷型变F数红外探测器需求迫切。相较于传统的红外变焦光学系统，变F数红外变焦光学系统可在大视场和小视场切换时保持分辨率和灵敏度的平衡，提高光学系统的孔径利用率，进而缩小光学系统的径向尺寸，有利于红外光学系统成像质量的提升和小型化设计。昆明物理研究所科研团队对变F数与变焦之间的关系进行研究，概述了国内外在可变冷光阑红外探测器技术领域的研究进展，并对主流技术路线的关键技术难点进行了分析。相关研究内容以“可变冷光阑红外探测器研究进展和关键技术分析”为题发表在《红外技术》期刊上。变焦和变F数的关系变焦光学系统的理论依据：光学系统的焦距是一项重要的设计指标，其关系到系统的视场角、空间分辨率等关键性能。变F数与变焦的关系：为了理清变焦与变F数的关系，首先对传统的红外变焦系统进行分析。传统变焦系统中，探测器的F数是固定不变的，而光学系统（为方便讨论，将冷屏作为光学系统的一部分）的F数则分以下几种情况：① 假设系统在最长焦距时入瞳尺寸与物镜尺寸相等：该种情况下，光学系统的F数由最长焦距和物镜尺寸的比值决定，此时冷屏开口即为系统的孔径光阑。在系统由最长焦距切换到短焦状态时，孔径光阑及其尺寸均保持不变，入瞳由原来占满整个物镜逐步等比例缩小。由F数的公式可知，此时光学系统的F数保持不变。如图1所示，探测器的F数固定不变，为F/3，在长焦窄视场时，通光孔径被完全利用，见图中浅蓝色部分；当系统切换至短焦大视场状态时，通光孔径大幅减小，见图1中深蓝色部分。图1 传统变焦红外光学系统的孔径利用率示意图② 假设系统在最短焦距时入瞳尺寸与物镜尺寸相等：该种情况下，系统的F数由最短焦距和物镜尺寸的比值决定。在系统由短焦向长焦切换时，由于物镜尺寸固定，孔径光阑不再是冷屏开口，物镜边框成为了新的孔径光阑，也就是说此时虽然焦距在变大，但是入瞳直径保持不变，使得光学系统的F数逐步增加，并大于探测器的F数，造成冷屏效率的下降。如图2所示，光学系统的F数为F/6，探测器的F数为F/3，光学系统的F数大于探测器，光学系统自身产生的红外辐射大量的进入焦平面，大幅增加系统的NETD，干扰成像。图2 25%冷屏效率系统的辐射示意图实际的变焦光学系统设计时，往往是上述两种情况的平衡，通常不会只考虑某一个状态的性能。而对于变F数光学系统来说，在设计时保证系统在各个焦距下的孔径光阑均为探测器冷光阑，则当系统由长焦变换到短焦时，通过等比例增大冷光阑尺寸，可保证入瞳尺寸保持不变，通光孔径被充分利用，如图3所示。图3 变F数红外光学系统的孔径利用率示意图当系统由短焦变为长焦时，变F数光学系统可以通过等比例减小探测器冷光阑开口尺寸，使得探测器的F数变大，从而保持100%的冷屏效率，避免系统自身的杂散辐射进入焦平面，如图4所示。图4 100%冷屏效率系统的辐射示意图变焦光学系统可兼顾大视场搜索目标和极小视场识别目标的需求，但是由于探测器的F数固定不变，因此要么不能充分利用通光孔径，要么引入大量杂散辐射，不能达到最佳的成像质量。而变F数光学系统则可以很好地解决上述问题。因此理论上，凡是红外变焦光学系统应用的场合，变F数光学系统均可应用，具有广泛的应用前景。可变冷光阑红外探测器的研究进展可变冷光阑的优势可变冷光阑红外探测器技术是目前实现变F数红外系统的重要技术路线。相对于温阑来说，其具有以下几个优势：F数调节范围大且可连续调节。为了解决温阑自身及反射的杂散辐射对成像的影响问题，通常做成球面温阑，这使得F数调节范围小，通常只有两个F数可以选择，或者只能在某两个接近的F数之间进行调节，而可变冷光阑红外探测器可实现系统F数的连续可调，且调节范围较大。可降低系统的复杂度。在传统变焦光学系统中增加温阑设计，将大幅增加光学系统的复杂度和成本。而采用可变冷光阑红外探测器，只需针对探测器杜瓦封装结构进行设计和装配，可大幅降低系统的复杂度。可提升系统的灵敏度。长春光机所的常松涛等人研究了球面温阑对中波640×512（15 μm）红外探测器的NETD的影响，假设球面温阑的温度为20℃，球面温阑的发射率为0.01，当温阑发生0.5℃的温度变化时，温阑引入的NETD达到3.6 mK，虽然引入的NETD很小，但也接近目前探测器本身的NETD。而采用可变冷光阑探测器的方法，引入的NETD可进一步降低。可变冷光阑红外探测器的研究进展国外研究进展：美国弹道导弹防御局（BMDO）在2000年为高空观测系统（HALO）进行更新时设计了一个双波段红外分光系统。如图5所示，该系统在中波和长波的焦平面前端分别设置滤光片转盘，每个转盘上可放置5片不同带通的滤光片以及一片用于背景测试的空白片。美国OKSI公司的Nahum Gat等人先后开发了两套中继光学系统，如图6所示。2013年Nahum Gat等人提出了与杜瓦集成封装的内置式可变冷光阑结构，该结构相较于外置可变冷光阑结构来说结构紧凑，如图7所示。2014年，雷神公司的Jeffrey和Eric等人在Nahum Gat的基础上改进了刀片虹膜式的可变冷光阑结构，其结构示意图如图8所示。雷神公司的第三代前视红外系统是可变冷光阑探测器技术的集大成者。其冷光阑结构如图9所示。此外，雷神公司将中长双波段探测器芯片、双F数可变冷光阑、制冷机、制冷机驱动电路、成像控制电路、冷光阑控制电路等均集成为一个前视红外系统，该系统的体积和重量相对于第二代长波标准先进杜瓦组件（SADA Ⅱ）来说反而更小。包含中长双波段探测器芯片、双F数可变冷光阑、制冷机、成像控制电路、冷光控制电路等均在内的第三代前视红外系统的组成以及实物如图10所示。图5 HALO的双色红外系统图6 带可变冷光阑的真空密封结构和外置可变光阑与滤光片转盘的集成结构图7 刀片虹膜式可变冷光阑图8 双稳态螺线管驱动的可变冷光阑示意图图9 雷神公司可变冷光阑杜瓦俯视图图10 第三代前视红外系统的主要组成部件及系统的实物图国内研究进展：国内对基于可变冷光阑的变F数红外探测器研究较少。上海技物所于2001年发明了一种带可变冷光阑功能的用于红外探测器芯片中测的杜瓦（如图11所示），上海技物所的可变冷光阑结构用于芯片的中测筛选，对结构的小型化以及制冷时间、制冷量的要求不高，因此不适合正式的红外探测器。2014年长春光机所发明了一种与滤光片转盘相似的可变光阑机构（如图12所示）。在光学系统设计方面，613所于2017年设计了可以匹配不同F数探测器的中波大视场光学系统；中电科11所于2022年设计了F/2和F/4可调的变F数光学系统。图11 用于中测杜瓦的可变冷光阑图12 可变式的固定光阑目前国内对于可变冷光阑红外探测器的研究较少，相关产品不够成熟；国外也只有美国雷神公司对该技术进行深入研究，目前产品已进行小批量试制。通过对国内外研究现状的对比，可以发现雷神公司采用的与杜瓦集成封装的内置式可变冷光阑是实现变F数红外探测器的可行的技术路线。该技术路线有如下几点优势：1）集成度高：针对640×480（20 μm）的芯片封装，雷神公司的探测器体积和重量甚至还略小于SADA II探测器；2）可靠性高：可变冷光阑在制冷状态下可进行1万次的开合运动，在非制冷状态下可进行10万次的开合运动；3）功耗低：由于可变冷光阑机构与杜瓦进行集成封装，无需单独为其再配备制冷机，因此功耗不大于75 W，且常温降温时间小于10 min；4）响应时间快：虽然雷神的报道中没有明确说明F数的切换时间，但是根据其使用的压电电机的特性，F数的切换时间可满足光学系统视场切换时间的要求。可变冷光阑红外探测器的关键技术采用刀片虹膜式的可变冷光阑结构，并将其与杜瓦进行集成封装，存在以下关键技术：1）可变冷光阑杜瓦的整体设计技术可变冷光阑杜瓦与传统的固定光阑杜瓦在设计上有很大的不同，需从整体设计上来保证功能的实现。主要需考虑整体结构设计、光阑片的设计、驱动方式的选择、结构的温度控制、整体装配集成、小型化以及可靠性等多方面的技术。2）可变冷光阑精密装配技术可变冷光阑涉及到光阑片的精密装调、驱动电机的隔热装配以及整体结构的精密封装等装配步骤，由于其结构比传统冷屏结构复杂得多，且存在运动部件，其装配更加困难。而光阑片的装配精度关系到运动机构的长期可靠性以及运动过程中的摩擦力，同时影响驱动功率的大小；而驱动电机的装配精度关系到光阑片的受力均匀性以及温控效果；整体结构的装配精度关系到成像的质量。因此需从设计和工艺等多方面进行综合考虑，保证其装配精度及长期可靠性。3）微型电机设计和制造技术对于可变冷光阑来说，压电陶瓷电机是一种比较适合的驱动方式。压电陶瓷电机单位体积下的力矩较大，没有电磁干扰，具有断电自锁功能。一方面，为了缩小可变冷光阑红外探测器的体积，压电陶瓷电机的体积必须很小，另一方面，光阑片的运动阻力要求压电电机的力矩不能过小。因此需通过电机结构设计优化、高性能压电陶瓷的制造、电机制造工艺的改进等多个方面实现小型化大力矩电机的研制，将杜瓦的体积控制在可接受的范围内。4）杜瓦热固耦合设计技术可变冷光阑由于引入了复杂的运动机构，冷头热质量大幅增加，因此，需从结构设计以及材料选择等多方面进行研究和考虑，减小杜瓦热质量，解决快速制冷的问题。此外，可变冷光阑通过电机与杜瓦外壳热连接，需通过结构设计减小杜瓦的漏热。最后，光阑片之间通过叠加的方式互相贴合，热阻很大，需减小光阑片之间以及光阑片与冷屏之间的热阻，从而使光阑片温度降低至不影响焦平面成像的水平。5）可变冷光阑运动控制技术探测器的F数由冷光阑的开口尺寸决定，因此需精确控制冷光阑的运动，从而精确控制探测器的F数。压电陶瓷电机具有断电自锁的功能，即电机断电后可变冷光阑将立即停止运动，停在断电瞬间的位置，因此在控制方面只需要考虑可变冷光阑运动的反馈问题即可，这关键在于选择合适的小型化位置传感器，并结合可变冷光阑的结构设计，将传感器安装固定在合适的位置。6）光阑片表面镀膜技术光阑片表面需进行镀膜处理，膜层需满足摩擦系数小、耐磨以及反射率低3个条件。摩擦系数小可以减小光阑片之间的摩擦力，减小压电电机的力矩需求，有利于电机的小型化；耐磨性高则有利于可变冷光阑机构的可靠性，防止出现膜层脱落干扰成像的现象；反射率低则可以防止芯片的冷反射。结论这项研究从变焦和变F数的关系出发，阐述了变F数光学系统的优势。与传统的变焦光学系统相比，具有可变F数功能的变焦光学系统可兼顾系统的空间分辨率和灵敏度需求，提高系统的孔径利用率，有利于成像质量的提升和系统的小型化。对可变冷光阑的研究进展进行了分析，发现雷神公司的内置刀片虹膜式可变冷光阑是可行性高、性能优异的技术路线，并对该技术路线的关键技术进行了详细分析。对可变冷光阑红外探测器的研究和应用提供了参考。论文信息：http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/7222d189-ab24-490d-9bd9-98f665c31ed1

近日，Science Advances发表了题为“Broadband and photovoltaic THz/IR response in the GaAs-based ratchet photodetector”的研究工作（Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）。该论文提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs异质结的量子棘轮结构。这种结构综合利用了电泵浦实现的热载流子注入效应、自由载流子吸收和从轻、重空穴带到自旋轨道分裂带的光跃迁等多种吸收机制，突破了界面势垒的限制，实现了从近红外到太赫兹波段（4-300太赫兹）的超宽谱光响应。A. 量子棘轮探测器结构. B. 探测器能带结构. C. 器件PL光谱. D.探测器微观机制示意图. 近年来，红外(IR)/太赫兹(THz)光电探测器已经引起了极大的关注。然而，设计高性能的宽带红外/太赫兹探测器一直是个巨大的挑战。在宽谱探测器领域，一直是热探测器占据主要地位，但热探测器难以实现高速探测。光子型探测器具有可调节的响应范围、良好的信噪比和非常快的响应速度。量子阱探测器（QWP）响应速度快，灵敏度高，光子响应范围灵活可调，是性能优异的光子型红外/太赫兹光电探测器。但窄带特性使其覆盖波段十分有限。内光发射探测器（IWIP）由于其正入射响应机制、宽谱响应以及可调的截止频率，一直被认为是极具竞争力的宽带红外/太赫兹光电探测器。但其激活能低，导致较大的暗电流，需要在极低的温度(液氦温区)下工作。量子点探测器可以在高温下实现太赫兹探测和正入射响应，但可靠性和可重复性仍然是一个巨大的挑战。光泵浦热空穴效应探测器（OPHED）基于热-冷空穴的能量转移机制进行探测，可以突破带隙光谱的限制，实现超宽谱的红外/太赫兹探测。其探测波长可调，同时能够抑制暗电流和噪声。然而，依赖于外部光学激励的热空穴注入是太赫兹探测的前置条件，这大大增加了OPHED的复杂性。A.暗电流随温度变化 B. 暗电流与常用太赫兹探测器对比 C. 零偏压下微观响应机制 D. 量子棘轮探测器光响应谱. 应用物理与计算数学研究所白鹏与上海交通大学张月蘅、沈文忠研究组提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs量子棘轮新结构的超宽谱光子型探测器。该探测器能实现正入射响应，响应范围覆盖4-300THz，远超其他光子类型的探测器的覆盖范围。此外，该器件即使在零偏置电压下也能产生明显的光电流。其峰值响应率达7.3 A/W，比OPHED高出五个数量级。由于量子棘轮能带结构的不对称性，器件的响应在正负偏压下也表现出明显的差别。在温度低于 77K时，由于量子棘轮效应，探测器表现出明显的整流行为，器件暗电流比现有的光子型探测器低得多，噪声等效功率低至3.5 pW·Hz−1/2，探测率高达2.9 × 1010 Jones，展示出其在高温下工作的潜能。 该项研究中展示了一种新型超宽带太赫兹/红外光电探测器。在无任何光耦合结构设计的情况下，这种成像器件具备很宽的光谱探测范围（4-300THz），快响应速度，低噪声等效功率和高探测率，为发展高温高速的超宽谱光电探测器件奠定了基础。 该工作近日发表于Science Advances （Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）上。共同第一作者北京应用物理与计算数学研究所助理研究员白鹏和张月蘅课题组博士研究生李晓虹，共同通讯作者为应用物理与计算数学研究所楚卫东研究员、上海交通大学张月蘅教授和清华大学赵自然教授。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科技自然科学基金、博士后基金和上海交通大学“人工结构及量子调控”教育部重点实验室开放课题的经费支持。上海交通大学张月蘅课题组承担并参与了器件设计、器件性能测试表征及论文写作方面的工作。

红外辐射(760nm-30μm)作为电磁波的一种，蕴含着物体丰富的信息。红外光电探测器在吸收物体的红外辐射后，通过光电转换、电信号处理等手段将携带物体辐射特征的红外信号可视化。其具有全天候观测、抗干扰能力强、穿透烟尘雾霾能力强、高分辨能力的特点，在国防、天文、民用领域扮演着重要的角色，是当今信息化时代发展的核心驱动力之一，是信息领域战略性高技术必争的制高点。众所周知，波长、强度、相位和偏振是构成光的四大基本元素。其中，光的偏振维度可以丰富目标的散射信息，如表面形貌和粗糙度等，使成像更加生动、更接近人眼接收到的图像。因此偏振成像在目标-背景对比度增强、水下成像、恶劣天气下探测、材料分类、表面重建等领域有着重要应用。在短波红外领域，InGaAs/InP材料体系由于其带隙优势，低暗电流，和室温下的高可靠性已经得到了广泛的应用。目前，一些关于短波偏振探测技术的研究已经在平面型InGaAs/InP PIN探测器上开展。然而，平面结构中所必须的扩散工艺导致的电学串扰使得器件难以向更小尺寸发展。同时，平面结构中由对准偏差导致的偏振相关的像差效应也不可避免。与平面结构相比，深台面结构在物理隔离方面具有优势，具有克服上述不足的潜力。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心E03组长期从事化合物半导体材料外延生长与器件制备的研究。E03组很早就开始了对近红外及短波红外探测器材料与器件的研究，曾研制出超低暗电流的硅基肖特基结红外探测器【Photonics Research, 8, 1662(2020)】，研究过短波红外面阵探测器小像元之间的暗电流抑制及串扰问题【Results in Optics, 5, 100181 (2021)】等。最近，E03组研究团队的张珺玚博士生在陈弘研究员，王文新研究员，邓震副研究员地指导下，针对光的偏振成像，并结合亚波长光栅制备技术，片上集成了一种台面型InGaAs/InP基PIN短波红外偏振探测器原型器件。该原型器件具有的深台面结构可以有效地防止电串扰，使其潜在地实现更小尺寸短波红外偏振探测器的制备。图1是利用湿法腐蚀和电子束曝光等微纳加工技术制备红外探测器及亚波长光栅的工艺流程。图2和图3分别是制备完成后的红外探测器光学显微镜图片和不同取向的亚波长光栅结构SEM图片。图1. 集成有亚波长Al光栅的台面型InGaAs PIN基偏振探测器的工艺流程示意图。图2. 两种台面尺寸原型器件的光学显微镜图片 (a) 403 μm×683 μm (P1), (b) 500 μm×780 μm (P0)。图3. 四种角度 (a) 0°, (b) 45°, (c) 90°, (d) 135° Al光栅形貌。图4是不同台面尺寸的P1和P0器件(无光栅)在不同条件下的J-V特性曲线和响应光谱。在1550 nm光激发，-0.1 V偏压下，P1和P0器件的外量子效率分别为 63.2% and 64.8%，比探测率D* 分别达到 6.28×1011 cm？Hz1/2/W 和6.88×1011 cm？Hz1/2/W，表明了原型器件的高性能。图4. InGaAs PIN原型探测器(无光栅)的J-V特性曲线和响应光谱。(a) 无光照下，P1和P0的暗电流密度Jd-V特性曲线；不同入射光功率下，(b) P1和(c) P0的光电流密度Jph-V特性曲线，插图是-0.1V下光电流密度与入射光功率之间的关系曲线； (d) P1和P0的响应光谱曲线。图5表明器件的偏振特性。从图5可以看出，透射率随偏振角度周期性变化，相邻方向间的相位差在π/4附近，服从马吕斯定律。此外， 0°, 45°, 90°和135°亚波长光栅器件的消光比分别为18:1、18:1、18:1和20:1，TM波透过率均超过90%，表明该偏振红外探测器件具有良好的偏振性能。图5. (a) 1550 nm下，无光栅器件和0°, 45°, 90°和135°亚波长光栅器件的电学信号随入射光极化角度的变化关系；(b) 光栅器件透射谱。综上所述，研究团队制备的台面结构InGaAs PIN探测器，其响应范围为900 nm -1700 nm，在1550 nm和-0.1 V (300K) 下的探测率为6.28×1011 cmHz1/2/W。此外，0°，45°，90°和135°光栅的器件均表现出明显的偏振特性，消光比可达18:1，TM波的透射率超过90%。上述的原型器件作为一种具有良好偏振特性的台面结构短波红外偏振探测器，有望在偏振红外探测领域具有潜在的广泛应用前景。近日，相关研究成果以题“Opto-electrical and polarization performance of mesa-structured InGaAs PIN detector integrated with subwavelength aluminum gratings”发表在Optics Letters【47，6173(2022)】上，上述研究工作得到了基金委重大、基金委青年基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略性先导科技专项、怀柔研究部的资助。另外，感谢微加工实验室杨海方老师在电子束曝光等方面的细心指导和帮助。物理所E03组博士研究生张珺玚为第一作者。