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亚波长微偏振光栅探测器的研制方法及其偏振特性研究

【摘要】:偏振作为电场的一个重要参数,随着物体的表面理化特性、观测角度以及内部特性而变化,使偏振探测成为进一步提高目标识别的一种有效手段。相对于传统的偏振探测器,分焦平面偏振探测成像具有光路结构简化和实时偏振成像等优点。本文针对短波红外波段偏振探测特点,设计并制备了单片集成亚波长金属光栅的InGaAs分焦平面偏振探测器。根据InGaAs探测器的工作波段,对亚波长金属偏振光栅进行理论设计与模拟仿真,研究光栅结构参数对偏振性能的影响,为结构设计和工艺制备奠定理论基础;开展了短波红外波段偏振测试系统的设计与搭建,为所制备的亚波长金属光栅偏振片和InGaAs分焦平面偏振探测器提供了测试手段与方法;利用电子束光刻技术,在InP衬底上制备了亚波长金属光栅偏振片,并测试分析其偏振光学特性,确定了最后集成到器件上的光栅参数;最后开展InGaAs分焦平面偏振探测器的结构设计、探测器制备和光栅制备之间的工艺兼容性摸索以及性能测试分析。利用有限时域差分法,系统地理论研究了亚波长金属偏振光栅和InGaAs探测器耦合的偏振光学特性。首先研究不同金属材料(Au,Al和Ag),不同光栅周期(0.1-1.2μm)下的TM,TE透过率和消光比。发现对于Metal grating/InP结构,当亚波长金属光栅直接集成在InP衬底上时在1.35μm处会激发SPP共振,严重影响TM透过率和消光比。为提高偏振性能,可在光栅层和InP衬底中间插入一层SiO2介质层,能够有效消除SPP共振现象。在Metal grating/SiO2/InP结构基础上,研究了光栅参数(材料、周期、厚度和占空比)和SiO2介质层厚度对TM,TE透过率和消光比的影响。发现金属光栅周期是影响其偏振性能的主要因素,并且通过调整SiO2介质层厚度能对特定波长起到增透作用。最后结合工艺条件,确定光栅参数为:光栅材料Al,周期400 nm,厚度100 nm,占空比0.5,SiO2介质层厚度100 nm。设计并搭建了两套短波红外波段偏振测试系统,能够分别对所制备的亚波长金属光栅偏振片和InGaAs偏振探测器进行偏振性能测试。其中每套系统都由两套子系统组成:基于傅里叶红外光谱仪的偏振测试系统获取了测试样品在短波红外波段偏振透过率的曲线基本形状;基于1342 nm激光的偏振测试系统对偏振透过率进一步校准。在此基础上,介绍了测试系统的具体光学部件、光路构成、测试原理、数据处理以及相关注意事项。最后对所搭建的误差来源进行分析以及校准,发现傅里叶红外光谱仪的偏振测试系统由于入射光的非平行性,会对测试结构引入较大的误差。而激光偏振测试系统能够在激光所在波段处精确测试样品偏振性能。利用该系统能够获取入射光波长、入射角度、入射光偏振角度、透射光偏振性能(TM波透过率、TE波透过率和消光比)几者之间的关系。根据理论模拟分析结果,利用电子束光刻制备了亚波长金属偏振光栅:Au grating/InP、Au grating/SiO2/InP和Al grating/SiO2/InP三种结构,并测试其偏振光学特性,实验测试结果与理论计算结果基本一致。首先通过Au grating/InP结构证明了表面等离子激元共振是引起TM透过率在1.35μm降低的主要原因。然后利用Au grating/SiO2/InP结构验证插入一层低折射率SiO2介质层后,可以消除SPP共振,共振腔模式开始起主要作用,导致TM透过率和消光比显著上升。最后比较Au grating/SiO2/InP和Al grating/SiO2/InP两种结构,发现Al金属光栅在短波红外具有更好偏振特性。结合理论计算和实验测试,确定了最后集成到InGaAs探测器上的亚波长金属光栅参数。在入射波长是1342 nm时,TM波透过率约63.78%,TE波透过率约1.07%,消光比约60。开展了InGaAs分焦平面偏振探测器的研制与性能测试。研究探测器制备和光栅制备之间的工艺兼容性,发现电子束光刻制备中的高温处理、电子束辐照以及长时间丙酮浸泡等工艺对正入射InGaAs探测器光电性能无明显影响。设计并制备了10×1线列正入射InGaAs偏振探测器,其中光敏元的偏振角度分别是0°、90°、45°、135°以及非偏振,光敏元面积为100μm×84μm,中心距为100μm。对InGaAs偏振探测器进行偏振性能测试和光电性能测试:0°、90°、45°、135°四个偏振方向光敏元的测试消光比分别为16.59、26.28、33.30、24.37;虽然偏振光敏元相比非偏振光敏元探测率明显降低,但仍能达到8E11cmHz1/2/W以上。

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