本文關(guān)鍵詞： 量子阱紅外探測器 等離激元微腔 表面等離極化激元 局域表面等離激元 波導(dǎo) 波導(dǎo)模式 金屬共振腔　出處：《中國科學院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：由于可重復(fù)性高、加工工藝成熟、均勻性好、響應(yīng)時間短等特征,量子阱紅外探測器成為了紅外探測領(lǐng)域的一個熱門方向。然而量子阱的子帶躍遷機制導(dǎo)致其不能吸收垂直入射光且量子效率低等問題,制約著量子阱紅外探測器的發(fā)展。人們往往通過集成光耦合結(jié)構(gòu)來增強光場,進而達到提高量子效率的目的。目前幾乎所有的研究都建立在大光敏元(200?200?m2)單元探測器上。與此同時,紅外成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第三代,多色、大規(guī)模紅外焦平面陣列,可以獲得目標物體的凝視成像。故而,要實現(xiàn)目標的凝視成像,光敏元的尺寸必須減小到像元尺寸(目前紅外探測器通用像元尺寸為20-30?m)。等離激元微腔結(jié)合了等離激元亞波長尺寸操控光子的能力與微腔捕獲光子的本質(zhì),可以將光子超強壓縮在亞波長尺寸區(qū)域內(nèi)。本課題的工作圍繞等離激元微腔與焦平面像元來展開,即將等離激元微腔集成到紅外探測器像元上,等離激元微腔可以將垂直入射光強耦合進微腔內(nèi),被量子阱吸收,形成增強的光電流。主要的工作有:1.探討了像元級表面等離激元微腔集成的量子阱紅外探測器,實驗的結(jié)果表明,通過等離激元微腔對光子的捕獲與光場增強,黑體響應(yīng)率提高到原來的4.5倍,峰值響應(yīng)率可提高到原來的10倍。研究了共振波長及相應(yīng)共振模式下的響應(yīng)率增強隨幾何尺寸的依賴關(guān)系。通過改變光敏元尺寸,研究了像元尺寸對光譜的影響,即像元尺寸效應(yīng)。2.將等離激元微碟集成到量子阱紅外探測器像元,理論上對微碟的本征模式進行了分析。實驗上觀測到了微碟本征模式共振,并且響應(yīng)率得到了3.1倍的提升。實驗上獲得了像元尺寸與共振模式(輻射模數(shù))間的關(guān)系,證明了可以通過減小共振模數(shù)達到減小像元尺寸的目的,以適應(yīng)當下紅外相機像元尺寸減小的趨勢。3.研究了金屬-介質(zhì)-空氣波導(dǎo)(metal-dielectric-air,MDA)結(jié)構(gòu),并且將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與量子阱紅外探測器進行耦合。理論上對波導(dǎo)模式進行了分析,通過金碟的引入實現(xiàn)相應(yīng)波導(dǎo)模式共振。實驗上觀測到了一階橫磁(transverse magnetic,TM)導(dǎo)模共振響應(yīng)峰,其響應(yīng)率提高到45°磨角器件的3.7倍。研究發(fā)現(xiàn),該模式可以將光場能量局域在介質(zhì)層中間,而不是金屬-介質(zhì)界面,實現(xiàn)模場與量子阱激活層的較好交疊,有利于光子利用率的提高。4.研究了金屬-介質(zhì)-金屬(metal-dielectric-metal,MIM)耦合的量子阱紅外探測器中光學模式與入射角度間的關(guān)系,實驗上觀測到了傳輸?shù)谋砻娴入x激元(surface plasmon polariton,SPP)與局域的表面等離激元(localized surface plasmon,LSP)模式。研究發(fā)現(xiàn)SPP模式隨著入射角改變而劈裂,而LSP模式則不隨入射角改變而改變。用幾何光學及波導(dǎo)理論對光學模式的形成及對入射角的依賴關(guān)系進行了詳細的分析。5.提出了小臺面的金屬共振腔,即金屬包裹像元至下電極層。該共振腔可以提供較高品質(zhì)因子(Q值)的光學腔模,對共振腔的光學模式進行了理論分析,并且對幾何參數(shù)進行相關(guān)討論。該共振腔與高光譜成像結(jié)合,有望成為一種新的光譜成像探測技術(shù)。
[Abstract]:In order to improve the quantum efficiency , the quantum well infrared detector has been developed into three - generation , multi - color and large - scale infrared focal plane arrays . In this paper , we find that the SPP mode is cleaved with the change of incidence angle , whereas LSP mode is not changed with the change of incidence angle . The formation of optical mode and the dependence of angle of incidence are analyzed in detail by geometry optics and waveguide theory . The resonant cavity can provide the optical cavity mode with high quality factor ( Q value ) , and the geometrical parameters are discussed .

【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN215

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