超构材料红外探测芯片的研究进展- 大数跨境

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超构材料红外探测芯片的研究进展

两江科技评论

2019-07-26

导读：本文在梳理超构材料的概念与发展历程的基础上，着重分析超构材料对波长、偏振态、相位等电磁波参量的调控作用。

本文内容转载自《飞控与探测》2019年第3期，版权归《飞控与探测》编辑部所有。如有转载请注明！

作者：易飞（华中科技大学光学与电子信息学院）

原文链接：

http://fkytc.ijournal.cn/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20190509001&flag=1

摘要：在梳理超构材料的概念与发展历程的基础上，着重分析超构材料对波长、偏振态、相位等电磁波参量的调控作用。结合红外探测芯片及成像系统的发展趋势，介绍超构材料与红外探测芯片结合，在双色/多色成像、偏振成像、高光谱成像等先进成像模式中的应用以及国内外相关研究进展。

关键词：超构材料；红外探测芯片；双色成像；偏振成像；高光谱成像

引言

超构材料(Metamaterials)，是电磁学的一个研究领域，它是由亚波长单元周期或非周期地排列而组成的人工结构，可以通过设计结构单元及其排布灵活地操控电磁波，带来全新的物理现象和应用。这里所说的亚波长结构，实质是常见的电磁波天线，在一定的尺寸下，天线能够实现自由空间电磁波与局域电磁场之间的相互转换，并调控电磁波的频率、偏振态以及相位等参量。单个天线对电磁波的调控能力有限，为了获得对电磁波更强大的调控能力，就需要将天线单元排布在一起，组成天线阵列，超构材料对电磁波的调控能力通常是以天线阵列的形式来实现的。

本文将从分析超构材料对电磁波的频率(波长)、偏振态与相位(波前)等参量的调控与分辨能力入手，结合红外探测芯片及成像系统的发展趋势，介绍超构材料与红外探测芯片结合，在双色/多色成像、高光谱成像、偏振成像等先进成像模式中的应用以及国内外相关研究进展。

超构材料与电磁波调控

电磁波主要的物理参量有强度（振幅）、频率（波长）、偏振态与相位（波前），其中振幅表示电场和磁场绝对值的大小，强度正比于振幅的平方，反映了电磁波所携带的功率的大小；频率表示电场及磁场周期性振荡的快慢，根据频率不同将电磁波分为不同的波段；相位描述了电场与磁场在周期振荡过程中所处的时间进程，而空间中相位相同的那些点所构成的面，也即波前；而偏振态则描述了电场矢量和磁场矢量在垂直于传播方向的平面内的变化状态。

常用的光学仪器如红外热像仪，它可以探测特定红外频段的电磁波来获取目标的形貌，实质上获取了电磁波的强度分布图像，但是在此过程中就失去了电磁波中所包含的频率和偏振态所带有丰富信息。想要更为全面地提取电磁波中所带有的信息，就需要对频率和偏振态进行精确分辨，相应地，双色/多色成像、高光谱成像、偏振成像等先进成像模式也被发展起来。超构材料因为其所具有的亚波长周期性、非周期结构，对于电磁波的频率、偏振特性常常具有较高的灵敏度，通过人工设计的方式可以制成电磁参量调控元件，在具备等同于滤光片、偏振片、透镜的功能的同时，可以将器件的厚度缩小到亚波长尺寸，使得光学系统更加紧凑、更加轻巧。以美国华盛顿大学圣路易斯分校的Viktor Gruev等人在2010年报道的基于像元级集成纳米线栅结构的CCD偏振相机为例，通过在CCD焦平面探测器的像元上集成铝纳米线栅，使得像元获得了对可见光偏振态的分辨能力，大大增强了探测器对目标的识别能力。

1、基于导膜谐振的偏振滤光调控

多层平板介质光波导可以将光频电磁波限制在平板光波导内，形成导模。如果在平板光波导的表面引入一层亚波长光栅结构，就可以在某些特定的条件下实现自由空间电磁波与导模的耦合。这一特定条件被称为谐振条件，它们实际上是一组“波长+偏振态+入射角”的电磁参量组合，而整个“亚波长光栅+平板光波导”的结构因此也被称为导模谐振光栅。引入亚波长光栅结构所带来的谐振条件，使得自由空间电磁波在导模谐振光栅中的透射和反射过程具有了波长选择性和偏振选择性，而这种选择性受到亚波长光栅几何结构的直接影响，因此可以通过结构设计来灵活调控其波长和偏振选择性。

2、基于超构材料吸收体的偏振滤光调控

另外一类具有代表性的亚波长滤光、偏振元件，是基于超构材料的电磁波吸收体。导模谐振光栅对电磁波的选择作用来源于电磁波与导模耦合时所需的谐振条件，而超构材料吸收体是通过电磁波激发局域表面等离激元需要满足一定的条件，对于不同偏振态、不同频率的电磁波的吸收率不同来实现的。为了实现对电磁波的高吸收率，超构材料吸收体往往由金属或重掺杂的半导体等对电磁波有较大损耗的材料构成的亚波长单元(天线)阵列组成。从等效电路的角度来看，在一个金属天线单元中，天线中共振的自由电子相当于电源，而天线的结构和尺寸决定了它的电感电容以及相应的谐振频率，而金属中天然存在着一定的电阻，类似地，通过改变天线的结构和尺寸就可以实现对波长和偏振选择性的灵活调控，并且也可以通过一组“波长+偏振态+入射角”的电磁参量组合确定其谐振条件。

入射光偏振方向垂直于（实线）和平行于（虚线）金属条时吸收谱的测量值和仿真值。红线、绿线、蓝线代表不同的几何尺寸

3、基于超构材料的波前调控

2011年，哈佛大学Capasso课题组在《Science》上发文，提出了利用天线阵列调控电磁波的等相位面，也即波前。作者首先分析了在入射电磁波激励下，纳米棒金天线中产生的谐振电流。在电磁波的激励下，纳米棒金天线中的自由电荷产生高频振荡，振荡的自由电荷可等效为谐振电流，而天线则等效为金属谐振腔，可以用弹簧振子的模型来描述。对于天线中存在的最低阶谐振模式，其谐振波长λ_sp与纳米棒金天线的长度L满足L≈λ_sp/2n，n为放置天线的衬底材料的折射率。通过谐振作用，在谐振波长λ_sp附近，天线的相位相应有一个从0到π快速变化的过程。而如果控制入射波长为λ_sp，改变天线的长度L，也能够实现相位由0-π的变化，这就是实现波前调控的物理基础。

纳米棒金天线所产生的0-π的突变不足以覆盖0-2π的整个相位取值范围，因此Capasso等人在此基础上提出了V型天线结构。在入射电磁波的激发下，V型天线中会激发出对称模式和反对称模式这两种谐振电流，通过对V型天线的臂长h和两臂间夹角的调控，实现了0-2π的波前调控。

进一步地，选取八种不同的V型结构，使它们的相位响应依次相差2π，这样就能覆盖整个0-2π相位取值范围。将这八种V型结构作为排布天线阵列的基本单元，即天线阵列中的任意一个单元都是八种V型结构中的其中一种，那么相邻单元之间的相位响应就会存在一定的梯度dΦ/dx，即相位梯度。此时，电磁波在这一排布着天线的界面上不再服从传统的折射定律n_tsinθ_t=n_isinθ_i，而是服从广义折射定律n_tsinθ_t- n_isinθ_i= (1/k₀)*(dΦ/dx) 。因此，通过人工设计纳米棒金天线排布顺序的方式，就可以对入射光的波前、相位响应的梯度、透过元件后光折射的方向进行调控。

超构材料与红外探测芯片的结合

超构材料具有强大的电磁波参量调控与分辨功能，可以构成多功能的超薄平面光学元件。由于超构材料的制造工艺与集成电路芯片的制造工艺是一致的，而目前集成电路的工艺节点尺寸已经达到10 nm以下精度，大规模制备基于超构材料的多功能电磁参量调控元件也不存在根本性的障碍。因此，用超构材料取代单一功能的传统红外光学元件，并与红外探测芯片结合，势必革新传统的红外成像探测系统架构，导致结构更紧凑、功能更多样的红外探测成像系统的出现。而这也契合了红外探测芯片和成像系统的未来发展趋势：在系统紧凑化、轻量化的基础上实现更多的功能。以下对近年来国内外在将超构材料与红外探测芯片结合，压缩成像系统体积并实现新型探测功能方面的代表性工作进行回顾与梳理。

1、热电堆探测器及其他热探测器-偏振/吸收

从2012年开始，日本三菱电子公司高等技术研究所的Shinpei Ogawa等人发表了一系列论文，报道了他们将超构材料集成在多晶硅热电堆探测器像元上，实现波长选择性探测和偏振选择性探测的成果。他们所设计的金膜上具有圆形的金属槽阵列，从金属槽阵列所测得的吸收率关于周期和波长的等高线图可以看出，这一结构仅在一个特定的波长具有单一的窄带吸收峰，峰位随着周期和波长的改变逐渐漂移。

传统的的热探测材料对入射光的波长没有分辨能力，设计出的热探测器的光谱响应是宽带，要实现窄带吸收，需要附加额外的分立式窄带滤光片。当把前面提到的金属槽结构与热探测器像元集成，超构材料吸收体的引入，使热探测器在像元层次具有独立分辨电磁波长的能力，可以不依赖分立式窄带滤光片便实现窄带探测，这使得基于热探测像元阵列的非制冷红外焦平面有了更大的设计自由度。

在这一工作的基础上，Shinpei Ogawa等人进一步开发了基于SOI二极管的双色成像热探测器，如图所示，像元阵列被划分成左右两半，通过调控上层金属天线的结构和大小，使得像元阵列的左侧探测波长为4.7μm，右侧探测波长为7.6μm。

除了对入射光频率的窄带吸收带来的对频率的分辨能力外，如果在亚波长结构中引入不对称型，其对不同偏振态的入射光就会存在不同的响应率。Shinpei Ogawa等人于2014年报道了采用椭圆形金属槽阵列作为具有偏振态选择功能的超构材料吸收体。由于椭圆形所具有的不对称结构，只有在入射光的电场分量平行于椭圆的短轴时才会激发谐振。将不同的像元按照一定的规律集成在一起，读出它们的信号，就可以实现分焦平面式的偏振成像探测。2015年，Shinpei Ogawa等人由采用条形金属槽阵列同样实现了偏振敏感性的热电堆探测性。

本文作者与同事自2012年起，也发表了一系列的论文，报道了将超构材料吸收体集成在基于双材料悬臂梁的热形变探测器像元上，实现波长选择型探测和偏振选择型探测的工作。双材料悬臂梁在受热时发生弯曲，因此能够通过其形变量读出入射光的光强信息。当悬臂梁上集成纳米槽天线阵列组成的超构材料吸收体后，使得元件获得了入射光的偏振态和波长的分辨能力。美国杜克大学的Willie Padilla等人于2017年报道了将超构材料吸收体与基于铌酸锂薄膜的热释电探测器像元集成，实现波长选择型探测的工作。该探测器采用厚度为575 nm的单晶铌酸锂薄膜作为热释电材料，与下层的介质层和金背板构成了“金属天线-介质层-金属背板”的MIM结构。热释电薄膜上方刻有分裂十字形天线阵列，通过调整上层天线阵列的结构和尺寸参数，可以灵活地对入射光的峰值吸收波长进行调控。

2、超透镜-波前调控

在Capasso等人提出广义反射定律并展示出基于天线阵列的平面聚焦透镜后，学界利用超构材料实现多功能平面光学元件的工作非常之多，其中成像透镜是其中比较有代表性的一个。这里作者选取了两个工作在自己所研究的中红外波段的典型成像超透镜案例加以说明。目前主流的超透镜都采用全介质（例如Si）材质超构材料设计，以获得更高的效率。

澳大利亚国立大学的Barry Luther-davies等人于2017年报道了基于纳米硅柱阵列的平面成像透镜。通过在MgF₂上制备出具有不同直径的圆柱形纳米硅柱阵列，研究者设计了6个工作在λ=4μm波长，直径300μm的纳米硅柱阵列（透镜），每个阵列的焦距f依次为50 μm、100 μm、150 μm、200 μm、250 μm、300 μm，对应的数值孔径依次为0.95、0.83、0.71、0.6、0.51、0.45。由图中可以看到，透镜的聚焦能力已经接近衍射极限。此外，为了检验纳米硅柱阵列的成像效果，作者还制备了直径2mm，焦距也为2mm的纳米硅柱阵列，并用1951年美国空军制定的标准测试图案作为成像对象检验了其成像效果。当该纳米硅柱阵列的放大倍数为120倍时，可以分辨的最小线宽为4.38 μm，成像分辨能力与传统的非球面硫系玻璃透镜相当。

美国麻省理工学院的Juejun Hu等人于2018年报道了基于碲化铅(PbTe)纳米结构阵列的平面成像透镜，衬底为氟化钙CaF₂，工作波长λ₀= 5.2 μm。由于单纯的长方形结构不能满足高透射率的0-2π相位响应覆盖，作者又另外设计了H型结构，补齐了长方形结构透射率较低的相位响应部分，从而实现了0-2π相位的高透射率覆盖，进而制成了单元周期2.5μm，亚波长结构（PbTe）厚度650nm，直径1mm，焦距0.5mm的平面透镜。利用1951年美国空军制定的测试图案做成像测试测得的成像分辨率为3.9μm，与衍射极限条件下采用瑞利判据的理论计算值3.4μm接近。

总结

本文在背景中引入了超构材料和电磁天线阵列的概念，给出了利用超构材料实现对电磁波参量进行调控这一方案，通过对电磁天线的结构和尺寸的设计，实现对电磁波的波长、偏振态、相位等重要参量进行调控。

要实现对电磁波的波长和偏振态的调控，所设计的结构应当对这两个参量具有选择性，相应地有两种方案。第一种方案是利用多层膜的导膜谐振作用，元件的材质通常是介质，在一层或多层介质层的表面刻上天线阵列结构，这样一来，只有入射光的“波长+偏振态+入射角”参量组合满足谐振条件时，才能透过界面，使得其光谱呈现出窄带特性，具有对波长或偏振态的选择性。而另一种方案，则是利用金属或重掺杂半导体在光频电磁波的激励下产生的局域表面等离激元共振具有波长和偏振态的选择特性来实现的。利用超构材料实现对相位的调控也有类似的区分，早期的研究多采用金属天线来实现相位调控但现在这一方案由于效率太低已经逐渐被淘汰，近几年报道的基于超构材料的透镜都是采用全介质结构来实现。在最后的范例中已经提到，要用微柱阵列实现比较好的聚焦成像效果，最核心的一点是所选取的介质天线单元在具有较高的透射率的同时满足0-2π相位的完全覆盖。

在说明了实现电磁波参量调控的方案之后，我们给出了近年来利用超构材料与探测器芯片集成的一些实例，具体说明了如何在热探测器上集成天线阵列结构，使得探测器获得对入射光的波长和偏振态的分辨能力，以及利用天线阵列对波前的调控作用构建具有聚焦和成像功能的透镜。

易飞.超构材料红外探测芯片的研究进展[J].飞控与探测,2019,2(3):10-37.

YI F.Research Advances in Metamaterial Infrared Detectors[J].Flight Control& Detection，2019,2(3):10-37（in Chinese）.

作者简介:

易飞 (1981—),男,副教授,博士生导师,主要从事微纳光子学及相关器件的研究。

E-mail:feiyi@hust.edu.cn

易飞,男,华中科技大学光学与电子信息学院副教授,博士生导师,长期从事人工光学微纳结构及相关器件的研究,力图解决红外成像探测、光谱分析、气体传感等领域的技术瓶颈背后的核心科学问题。迄今在Nature Photonics、Nano Letters、Optics Letters、Applied Physics Letters等期刊上共发表SCI收录论文33篇;获得美国授权专利2项,专利申请2项;出版专著章节1章;发表会议论文26篇;在CLEO、OFC、SPIE Photonics West等国际光学会议上做出口头报告18次,其中邀请报告1次。入选2017年度湖北省 “楚天学者计划”。

文章链接

http://fkytc.ijournal.cn/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20190509001&flag=1

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