等离激元耦合腔量子阱红外探测器的偏振耦合增强研究

The research on mechanisms and applications of the surface plasmon manipulation on incident light and its resonant coupling with quantum states within the plasmonic coupling structure in the field of infrared detection has been proposed, focusing on the polarization-and-coupling enhancement mechanism in the innovatively designed and fabricated double-layered metal plasmonic coupling cavity sandwiching a quantum well infrared photodetector (QWIP). Based on the experimental results that the 6-fold responsivity enhancement and the polarization detection ratio of 4 have been achieved with a single-well QWIP, the theoretical model is going to be established to quantitatively describe the experiment. The determination principle of the series modifications of the various structural parameters of the plasmonic coupling cavity on the responsivity and polarization will be investigated both theoretically and experimentally. The variation range of the realistic sensitive structural parameters and the technical threshold for the performance deterioration will be resolved. A quantitative model for optimizing design of the high sensitivity and high polarization detection QWIP in 12-14 micrometer very long wavelength infrared waveband will be accomplished, promoting the development of the infrared integrated polarization detection techniques. The applications of such a plasmonic coupling cavity on some other quantum structures, such as quantum well resonant tunneling diode/QWIP composite structure or quantum dots infrared detectors, will also be explored.

本项目将开展红外探测领域的表面等离激元对入射光调控并与量子态共振耦合的机理和应用研究，针对创新设计的双层金属等离激元耦合腔夹持量子阱红外探测器所引发的偏振耦合增强机理，在目前实验已获得单个量子阱的响应率提高6倍和偏振探测比达到4倍的基础上，建立定量描述实验结果的理论模型，并在理论和实验上同时考察各种结构参数系列变化对探测器响应和偏振等具体性能指标的影响机制，确定真实的敏感参数的变化范围以及导致性能劣化的技术阈值，形成优化设计的定量化模型，并完成对12~14微米甚长波红外波段的优化设计，为研发高灵敏度和高偏振度的量子阱红外探测器提供器件物理的理论支撑，促进红外集成偏振探测技术的发展。同时将探索该等离激元耦合腔结构在其它新型红外探测的量子结构如量子阱共振隧穿二极管/红外探测器复合结构和量子点红外探测器等方面的应用机理。

本项目开展表面等离激元对入射光调控并与量子态共振耦合的机理和应用研究，针对双层金属等离激元耦合腔夹持量子阱红外探测器（QWIP）所引发的偏振耦合增强机理，考察参数系列变化对探测器性能指标的影响机制，形成优化设计的定量化模型，为研发高灵敏度和高偏振度的QWIP提供器件物理的理论支撑。经过4年的研究，实现了上述目标。研究表明，金属/介质/金属MIM等离激元微腔通过局域表面等离激元LSP模式和表面等离极化激元SPP模式将入射光耦合并限制在微腔中。两种模式的共振波长分别与MIM顶部光栅的线宽和周期成正比，LSP模式在顶部光栅之下形成横向的FP共振，等效地延长了光程，提高了QWIP的光吸收效率，峰值光响应率能够提高10~33倍。在线栅结构中，光学模式对结构各向异性的依赖关系保证了只有TM光能够被耦合进入微腔，导致红外探测器具有高的偏振分辨能力，获得了偏振消光比为65:1的长波集成红外偏振探测器的最高报道数值。焦平面像元小尺寸下的结果表明，周期数的减少使SPP模式基本上消失，但LSP模式仍然保持原有的耦合特性，顶部光栅尺寸决定着模式共振峰位，不同尺寸光栅的集成将有可能形成多光谱探测的单片集成，而各向异性的线栅结构则为发展偏振成像焦平面探测器提供了技术路线。本项目还设计了镶嵌在金属反射层上的等离激元二维金蝶光栅结构来作为50周期QWIP的光场调控结构，能够将光场能量较为集中的部分推进到量子阱的中心区域，使常规QWIP在不改变结构和工艺的条件下响应率能够提高1.6~3.7倍。研究了透射汇聚型等离激元微腔结构，同样表现出结构对共振透射的决定性作用，并且在线栅结构中能够对透射光实现偏振选择。初步研究了共振隧穿二极管/量子阱复合结构，观察到明显的偏压不对称的红外响应特性。本项目揭示了多种等离激元光耦合结构中的光场增强和调控机理，为发展高探测能力、高偏振识别和多光谱集成的红外探测器件奠定了坚实的物理基础。