大气红外波段的片上集成式偏振光谱成像器件设计

红外探测与遥感是气象观测的核心技术，红外辐射探测仪作为气象卫星的重要载荷，主要用于大气温度、湿度的定量化探测，其探测精度取决于光谱和偏振测量的通道数。常见的技术方案是通过组合滤光片与偏振片转轮实现光谱和偏振的探测，这造成了系统体积大、功耗高、通道数少的问题。发展片上集成式偏振光谱成像器件是解决上述问题的有效方法，已有研究主要采用薄膜谐振腔或共振微结构的阵列化方案，但二者都无法兼顾光谱和偏振选择的要求。

据麦姆斯咨询报道，南京波长光电科技股份有限公司的科研团队介绍了一种基于薄膜微结构耦合调控的设计新思路，以13 μm附近的大气红外波段为例，实现了片上集成式的偏振光谱成像。该器件有望在将来被广泛应用于偏振光谱成像领域中，同时，由于该器件对基底折射率并不敏感，基底的选择也会更加自由。相关研究内容以“大气红外波段的片上集成式偏振光谱成像器件”为题发表在《红外与激光工程》期刊上。

片上集成式偏振光谱成像器件的基本结构

本文提出了一种片上集成式的偏振光谱成像器件，通过将偏振敏感的一维（1D）亚波长光栅和偏振不敏感的多层高反膜进行结合，构建出类似于FP腔的结构，利用两者耦合产生的共振激发实现了偏振选择的窄带滤波。这种片上集成式偏振光谱成像器件的示意图如图1(a)所示。四组光栅结构覆盖了探测器的一个像元，而若干像元最终实现了偏振光谱成像功能。由于各区域中结构的纵向参数均保持不变，因此，这些不同通道的偏振滤波器件在制备时，无需增加套刻等多步迭代工艺，从而可以实现片上集成。具体到各个通道来看，其结构示意图如图1(b)所示。

图1 (a)集成式偏振光谱成像器件的示意图；(b)单个通道的结构示意图

片上集成式偏振光谱成像器件的设计方法

有别于传统意义的FP腔结构设计，文中提出的偏振光谱成像器件借鉴了光学隧穿器件的设计理念。光学隧穿类比于量子隧穿，通常指光子突破光学带隙的势垒，穿透全反射界面产生透射的一种现象。光学隧穿器件中常见的一种机制是基于光子晶体异质结或金属-光子晶体两种结构的光学TAMM态（OTS）。这是一种表面波，会在高反体系分界面产生指数衰减的倏逝场，并在光谱中表现出高效率的窄带透射或吸收峰。OTS的形成无需特别引入共振腔，只需要两个高反体系分界面两侧的反射相位相互抵消即可，即同时满足振幅与相位的匹配。

基于OTS的光学隧穿器件通常利用薄膜层厚度的调控实现波长选择，这在多通道集成加工中是不利的；此外，由于均匀薄膜在正入射时对不同偏振态具有相同的响应，因此也缺失了偏振选择功能。为了解决这两个问题，对既有的OTS器件进行了改进，利用偏振敏感的1D亚波长光栅替代了上层的高反射膜堆或金属薄膜，通过光栅横向参数的调节来实现不同通道的振幅和相位匹配。这种薄膜微结构耦合的新构型在工作机理上与传统OTS和FP腔器件均有所不同，这点会在下文中给出分析。对于具体的器件设计，参照了图2中的流程展开了研究。

图2 集成式偏振光谱成像器件的设计流程图

1）利用粒子群优化算法设计一个偏振敏感的宽带高反器件。2）设计一个宽带高反的多层膜堆。3）通过调控间隔层的厚度，实现上下高反体系的相位匹配。4）通过参数扫描实现多通道的设计，从而应用于片上集成式偏振光谱成像，如图3所示。

图3 1D光栅结构

片上集成式偏振光谱成像器件的物理机制、结构参数及光谱性能

为了理解这种片上集成式光谱成像器件的物理机制，以13 μm的波段为例，计算了其电场分布，如图4所示。可以这样理解窄带透射峰的物理机制：1D光栅和多层高反膜构成了一种类FP腔结构，该结构在满足振幅与相位匹配时会出现光学隧穿现象，从而激发透射峰。而微结构的引入导致了电场既无法完全局域于间隔层中，也无法像OTS一样以倏逝场的形式分布在分界面上，这种特殊的场分布情况表明了透射峰是上层光栅所激发的GMR与间隔层中的类FP共振共同耦合后的结果。

图4 偏振光谱成像器件在13 μm处的电场分布

通过满足OTS的两个必要匹配条件，可以在一定范围内得到高透过率与消光比的片上集成式偏振光谱成像器件。该工作为集成式偏振光谱成像器件的设计提供了新思路，随着上层微结构的复杂化例如引入拓扑超光栅、超表面等，以及加强对多层高反膜的优化，未来有望实现更大的反射带宽和更强的相位调控能力，进而增强该器件的性能并增加其调控范围。

基于多共振耦合的偏振光谱成像器件的制备方案

对于提出的片上集成式偏振光谱成像器件，由于PbTe薄膜在镀膜过程会产生有毒有害物质，而ZnS光栅的制备则需要利用H₂刻蚀，该物质的管控较为严格，受限于种种实验条件还不完备，因此尚未在实验上得以验证。然而，通过文献调研，初步确立了该器件的制备方案。具体内容如图5所示，主要包含了旋涂光刻胶、激光直写图形化、反应离子束刻蚀SiO₂硬掩模、SiO₂图形转移、SiO₂掩模刻蚀ZnS、ZnS图形转移等步骤。

图5 偏振光谱成像器件的制备流程图

而对于器件的最终应用，总体思路是在单片ZnS衬底上同时加工出不同通道的薄膜微结构阵列，再将其对准集成在图像传感器前端。具体来说，可分为以下3步：

1）采用热阻蒸发技术制备PbTe/ZnS多层膜。2）由于长波红外微结构的特征尺寸较大，通常都在μm量级，因此可采用激光直写和反应离子束刻蚀技术制备ZnS微结构。3）利用光谱仪对薄膜微结构阵列各通道的光谱进行测试和表征，最后将器件通过紫外固化胶集成在图像传感器前端。

这种基于多共振耦合的偏振光谱成像器件，由于在物理机制上的普适性，因此，可以通过缩放结构尺寸实现工作波段的选择。如在3~5 μm波段，由于光栅材料可以直接沿用ZnS，因此可以采用相同的制备方案；而在近红外波段，则可对Si基材料的多层膜和光栅结构进行加工。不同于传统的GMR和FP共振器件，由于相位与振幅的匹配几乎不会受基底影响，因此，该器件对基底折射率并不敏感，基底的选择也会更加自由，如锗、氟化物等红外透明材料。

结论

新一代大气红外探测仪亟待向小型化、集成化、光谱偏振多维度探测的方向发展，这对片上集成式偏振光谱成像器件的设计和实现都提出了全新的挑战。提出了基于薄膜微结构耦合的设计新思路。将偏振敏感的1D GMR微结构和偏振不敏感的多层高反膜进行了组合，提出了一种类似于FP腔的偏振滤波器件。该器件受到了光学隧穿器件中OTS的启发，通过在多层膜和微结构交界面构建相位和振幅的匹配条件，激发出偏振选择的窄带透射峰，并通过横向参数的调控，实现多通道的集成，从而最终应用于片上集成式偏振光谱成像。以大气红外波段为例，对6个通道进行了设计，得到了平均超过94%的透过率和30的消光比。以外，也对器件的物理机制、制备方案等进行了研究与探索。

这种新的设计思路为片上集成式光谱成像器件打开了新的大门。随着制备工艺的提高以及结构的进一步优化，有望获得更好的性能，并成功应用于偏振光谱成像领域之中。此外，近年来一些低维红外探测材料比如GaSb纳米线也展现出优异的红外探测性能，且得益于其维度优势可以实现偏振红外光的探测。为具有偏振选择特性的红外探测材料赋予光谱选择功能，也将会是未来的一个研究新思路。

论文信息：

DOI: 10.3788/IRLA20240012

审核编辑：刘清