GaAs基量子阱红外探测器的局域光场增强研究

作     者：刘畅 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊大元

授予年度：2022年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：量子阱红外光电探测器 局域光场增强 手性超材料微腔 双微腔 波纹背板光栅 

摘      要：量子阱红外光电探测器(QWIP)作为第三代红外探测器,因其材料均匀性好、探测波长可调、加工工艺成熟等优点,成为红外探测器领域研究的重点,但是由于量子阱子带间跃迁的工作机制,使其无法吸收垂直入射光并且量子效率较低,这是QWIP实际工程应用急需解决的问题。此外,基于智能化的需求和探测场景复杂度的提升,QWIP的偏振探测、多波段探测以及高集成化等成为当前研究热点。本文利用超材料和等离激元微腔结构,使QWIP可以吸收正入射红外辐射并增强了量子阱有源区内的局域光场,提升了量子阱子带间吸收,还实现了圆偏振识别探测、双波段探测以及多周期QWIP的局域光场增强。本文主要内容如下:1.设计了用于圆偏振探测的手性超材料微腔结构。当左旋圆偏振(LCP)光入射时,左手性超材料会激发表面等离极化激元(SPP)效应,使量子阱有源区内局域光场(E)增强,提升了量子阱子带间吸收。同时,左手性超材料会反射大部分右旋圆偏振(RCP)光,对于RCP光吸收较低,圆偏振消光比(CPER)可达9.03。右手性超材料对于RCP光也有类似增强吸收的效果。这种手性超材料微腔结构,不仅可以提高QWIP的量子效率,还能实现圆偏振光的识别探测,具有广阔的应用前景。2.设计了基于双微腔的长波和甚长波叠层双波段QWIP。两个不同工作波段的量子阱材料分别夹在微腔中并上下堆叠形成双微腔结构,对应波长的入射光可以激发微腔共振,使两个量子阱有源区内局域光场都得到增强。两个微腔相互独立,优化单一微腔结构参数不会影响另一个微腔共振,可以适配不同探测波长的QWIP。一般叠层双波段QWIP底部有源区增强效果较低,双微腔结构能保证上下两个量子阱有源区都具有较强的增强效果,这为QWIP双色探测的光耦合结构设计提供了新的思路。3.针对多周期长波QWIP无法有效利用等离激元微腔增强局域光场,设计了一种金波纹背板光栅结构,在13μm的长波红外大气窗口,使12周期的QWIP子带间吸收率达68.4%。通过分析量子阱有源区的局域光场分布,并优化光栅和电极层厚度,保证整个介质层厚度不变的同时进一步增大QWIP周期数,可使20周期的QWIP子带间吸收率提升至76%,比标准45°器件增强了22倍。同时,通过调整金波纹背板光栅的长度,既可以做到任意偏振方向的探测,又可以实现对特定偏振方向的独立识别。