量子阱红外探测器的等离激元微腔光耦合研究

发布时间：2017-04-21 07:11

  本文关键词：量子阱红外探测器的等离激元微腔光耦合研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：半导体量子阱(QW)和超晶格(SL)是近30年来半导体物理学最重要的发展之一,被喻为实验中的建筑学。以QW为基本结构的量子阱红外探测器(QWIP)在军事国防航空航天等科技领域有着广泛而重要的应用。Ga As基半导体的材料与器件工艺仅次于硅工艺,均匀性与可重复性远超过在红外成像探测领域中举足轻重的碲镉汞红外器件。本论文针对量子机理基本工作原理导致QWIP量子效率低下这一制约量子阱红外探测器发展的瓶颈性问题,设计并制备了一种新型的集成量子阱红外探测器。将可突破衍射极限且具有强局域场增强特性的等离激元,与具有超强光学压缩能力的微腔有机结合,并运用于光电探测中。本论文利用等离激元微腔结构强大的光学调控能力和量子阱吸收特性,分别研究了集成器件在提高光响应率、拓展截止波长和增强偏振分辨能力三个方面,取得了突破性研究成果:1、研究了等离激元微腔的光学特性,在探测波段内首次同时观察到等离激元微腔的局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon,LSP)模式及表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)模式。构建了Fabry-Perot共振腔中的量子阱吸收模型,并提出集成器件的光响应率公式。分析了等离激元微腔同时具有增强有效电场强度和增大吸收长度的能力,两者结合实现了集成器件的强耦合效应。实验结果表明,新型集成器件对比常规45°磨角光耦合器件,可以实现峰值光响应率提高33倍,在LSP模式耦合下的光响应率提高近160倍。而常规光耦合结构(如二维介质光栅、单层金属等离激元光栅等)峰值光响应率提高不超过5倍2、通过等离激元微腔结构在弱吸收处的巨大增强,利用光子态调控实现截止波长往长波方向拓展。可以在峰值响应率提升21倍的同时,还可以实现截止波长拓展8.4%,并保持暗电流基本不变。而常规电子调控的方法实现探测波长往长波方向拓展同时会急剧增加暗电流,降低器件性能。同等截止波长拓展(8.4%)的情况下,常规电子态调控方法会导致器件在工作温度20 K下暗电流增大近100倍。3、目前红外波段已有常规偏振器件不能满足人们对于实时固态偏振探测的需求。新型集成器件通过将等离激元微腔偏振选择和量子阱跃迁选择定则相结合的双重调控机制,从原理上得以实现高偏振分辨集成器件。并构建了散射因子S微扰模型,分析了等离激元微腔集成器件偏振消光比物理过程并得到了偏振消光比解析公式。实验结果与理论模拟非常吻合,该结构实现了在甚长波红外波段(14.2-14.9?m),偏振消光比高达65(偏振选择度97%),这是已有集成器件红外偏振报道中的最高数值。等离激元微腔集成量子阱红外探测器的研究,同时也为其他光电器件各项性能的提高提供了一种有效的新思路,如本论文还提出一种新型基于等离激元微腔概念的汇聚光栅。通过在波长1550 nm的单光子器件上形成这种金属-介质-金属的汇聚光栅,用以实现低暗计数In P单光子器件。模拟结果表明,等离激元微腔汇聚增强可以达到23倍。将其应用于APD器件时,理论上可以在保证入射光通量不变的情况下,将常规APD器件尺寸缩小近两个数量级,从而能够减小APD器件暗计数,实现小尺寸低暗计数APD器件,解决常规器件暗计数高的问题。
【关键词】：量子阱红外探测器 光电耦合 等离激元微腔 偏振 截止波长
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN215
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 引言12-26
• 1.1 红外光电探测及量子阱红外探测器简介13-15
• 1.2 量子阱红外探测器原理、光耦合及改进方向15-17
• 1.3 金属表面等离激元微腔结构17-19
• 1.4 已有的研究工作19-21
• 1.5 本论文主要工作21-22
• 参考文献22-26
• 2 等离激元微腔集成器件理论模拟与实验研究方法26-34
• 2.1 电磁场计算模拟方法26-28
• 2.1.1 时域有限差分方法（FDTD）数值模拟计算26-27
• 2.1.2 材料在模拟中的光学模型27-28
• 2.2 集成器件工艺流程与量子阱材料生长28-31
• 2.2.1 集成器件制备工艺流程28-29
• 2.2.2 量子阱红外探测器材料结构29-31
• 2.3 红外探测器测试表征方法31-32
• 2.3.1 I-V测试31
• 2.3.2 黑体响应测试31-32
• 2.3.3 光电流谱测试32
• 2.4 本章小结32-33
• 参考文献33-34
• 3 等离激元微腔集成量子阱器件强耦合效应34-58
• 3.1 等离激元微腔增强光耦合研究进展34-35
• 3.2 等离激元微腔集成器件理论模型：35-40
• 3.2.1 理论模型36-37
• 3.2.2 双模调控机制：LSP模式与SPP模式37-40
• 3.3 Fabry-Perot共振吸收模型及SPP腔模辅助增强40-43
• 3.4 响应测试结果与讨论43-54
• 3.4.1 45°磨角耦合器件光电流响应率43-45
• 3.4.2 黑体响应与暗电流I-V测试结果45-46
• 3.4.3 光电流响应谱46-51
• 3.4.4 LSP腔模与SPP腔模实验结果51-54
• 3.5 本章小结54-55
• 参考文献55-58
• 4 等离激元微腔光子态调控截止波长拓展58-68
• 4.1 红外探测器截止波长拓展简介58-59
• 4.2 电子态调控截止波长拓展与暗电流增加59-60
• 4.3 等离激元微腔光子态调控截止波长拓展60-65
• 4.3.1 截止波长拓展光耦合增强理论分析61-62
• 4.3.2 光子态调控截止波长拓展实验结果62-65
• 4.4 本章小结65
• 参考文献65-68
• 5 等离激元微腔集成量子阱器件高偏振效应68-82
• 5.1 偏振探测研究背景及现状68-71
• 5.1.1 偏振探测研究背景68-69
• 5.1.2 偏振探测研究现状:前置偏振片与集成微偏振片69-71
• 5.2 新型器件光电双重选择高偏振原理71-74
• 5.2.1 等离激元微腔结构光子态偏振选择性71-73
• 5.2.2 量子阱子带跃迁定则光电转换偏振选择73-74
• 5.2.3 偏振分辨基本概念（消光比r、选择度CR）74
• 5.3 器件偏振分辨理论分析74-76
• 5.4 偏振器件实验结果与分析76-79
• 5.4.1 TM / TE偏振光实验结果与分析76-78
• 5.4.2 偏振特性实验结果与分析78-79
• 5.4.3 提高偏振分辨优化设计79
• 5.5 本章小结79-80
• 参考文献80-82
• 6 单光子器件汇聚光栅理论分析与设计82-90
• 6.1 表面等离激元微腔汇聚光栅单光子器件82-83
• 6.2 单光子器件汇聚光栅优化设计83-87
• 6.3 本章小结87-88
• 参考文献88-90
• 7 总结与展望90-92
• 7.1 总结90-91
• 7.2 后续展望91-92
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果92-93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 李献杰;刘英斌;冯震;过帆;赵永林;赵润;周瑞;娄辰;张世祖;;9μm截止波长128×128AlGaAs/GaAs量子阱红外焦平面探测器阵列(英文)[J];半导体学报;2006年08期

2 李宁;郭方敏;熊大元;陆卫;王文新;黄绮;周均铭;;256×1甚长波量子阱红外焦平面研究[J];红外与激光工程;2006年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 刘希辉;基于子带跃迁量子结构红外探测器的研究[D];中国科学院研究生院（上海技术物理研究所）;2014年

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本文编号：319820