基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统

1.本发明涉及红外探测技术领域，具体而言，涉及一种基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统。


背景技术：

2.中远红外波段，尤其是太赫兹波段的电磁波，长期以来由于缺乏高性能的辐射源与高灵敏度的有效探测手段，与微波和可见、近红外波段的光波相比，仍未得到充分的研究和开发利用。然而，中远红外波段在公共安全、无线通信、生物效应、生物医学成像、信息技术等领域具有十分重要的应用前景。如人体的自发辐射光就处于中远红外波段，除了可以用来测量人体温度外，其光谱中包含的丰富信息有望反映出人体的健康和心理状态。此外，大分子振动、转动的跃迁频率，处于凝聚态物质的声子频率以及某些半导体材料中载流子的响应频率，都处于中远红外波段之中。
3.中远红外波段位于传统研究中微波电子学向可见、近红外光子学的过渡阶段，这个波段具有一些特殊的性质，不能直接采用现有的微波或可见、近红外光的高灵敏度探测技术。目前，中远红外波的探测主要通过热敏元件，如辐射热计、热释电探测器，或对应波段的半导体光敏元件实现，如pbs、hgcdte、inassb、inas等。然而，这两种中远红外波段的直接探测器件都存在着一些难以避免的问题。对于热敏元件而言，虽然其本身价格便宜，但其较低的灵敏度严格限制了它的应用范围。而半导体探测器虽然可以做到较高的灵敏度，但其在常温下具有很高的噪声等级而必须采取多级的热电冷却器将温度降至超低温度下工作，导致中远红外半导体探测系统往往十分笨重，包含复杂的制冷系统，无法做到开机即用，成本也被极大的提高。
4.因此，如何设计一种常温下具有较高灵敏度的中远红外探测器件成为需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决上述现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，提供了一种基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，不但实现了对中远红外光强度常温下的高灵敏探测，还具有集成度高，体积小等优点。
6.本发明是通过以下技术方案予以实现：一种基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，包括：回音壁模式微腔部，设有回音壁微腔结构，用于接收待测的中远红外光，回音壁微腔结构的表面涂覆有中远红外光吸收材料；激光光源部，设有激光器和电光相位调制器，通过光纤连接回音壁模式微腔部，用于发射探测光；光电探测部，设有光电探测器和混频器，光电探测器的输入侧通过光纤与回音壁模式微腔部连接，光电探测器的输出侧与混频器电连接，用于检测回音壁模式微腔中的光信号；信号发生部，设有信号发生器，分别连接激光光源部和光电探测部，用于产生调制电信号，一路调制电信号驱动电光相位调制器，另一路调制电信号发送至混频器，以便于混频器向电压计提供电压信号。
7.在该技术方案中，激光光源部发射的激光经过回音壁模式微腔部后传输至光电探测部，其中，该激光由透镜光纤耦合进出回音壁微腔模式微腔部中的波导，片上波导与环形微腔通过倏逝场的方式进行耦合。信号发生部产生的正弦调制信号分为两路，一路驱动电光相位调制器，另一路与光电探测部的电信号在混频器中进行混频，混频后产生的电信号便于通过电压计进行测量。其中，回音壁微腔是一种微型的光学谐振器，它利用全内反射将光场限制在一个很小的模式体积内。光波与回音壁微腔的谐振，必须满足腔内模式光程长为光波长的整数倍这一关系。由于光的波长极短，光程长的极小变化就会影响到微腔谐振状态的明显变化。得益于腔光谐振条件对光频的超高灵敏性和光波的超高频率，从而实现对中远红外光强度常温下的高灵敏探测。本质上是外界环境的变化引起微腔模式的光程长或是品质因子(quality factor，q值)发生变化，从而通过光与微腔的谐振状态来解读出探测量。
8.根据本发明提供的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，优选地，回音壁微腔结构的波导材料为硅，中远红外吸收材料为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)。
9.在该技术方案中，回音壁微腔结构采用刻蚀工艺制作，优选的刻蚀材料为绝缘衬底上的硅(silicon-on-insulator，soi)片，回音壁微腔结构以soi片作为基底，刻蚀工艺成熟，易于以现有技术手段制备；片上集成的波导耦合，极大提升了腔光耦合的稳定性，鲁棒性好，探测结果不易受外界环境的振动等影响。pdms对宽谱范围的中远红外光都具有较强的吸收作用，可实现宽谱探测；pdms可采用旋涂法进行涂敷，涂敷的厚度可以通过调节旋转器的转速、运行时间来实现较为精准的控制。本发明优选采用片上涂覆了pdms的回音壁模式硅环腔作为热敏元件，相较于传统的中远红外热敏元件探测方案具有更高的灵敏度，并可在室温下工作。
10.pdms材料在中远红外波段具有很高的吸收率，可将中远红外波的光能转换为热能。然而其本身的热光系数为负值，涂覆在热光系数为正值的常见的二氧化硅微球腔上时，不仅涂层厚度不易控制，难以实现片上集成，两种材料相近的折射率会使得腔内光模式能量同时分布在两种材料内，此时腔模对温度的敏感性由两种材料的热光系数共同决定。两种材料相反符号的热光系数会使得热敏性下降，pdms的高吸收系数也会显著影响到腔模的q值，从而使得对中远红外光探测的灵敏度降低。此外，传统微腔探测系统中，往往需要对泵浦激光器的输出频率进行扫描，以透射谱的变化来检测腔光谐振态的变化从而获取出待测量，这无疑增大了系统的复杂度，需要对直接获取的数据进行算法上的处理，因此很难离开计算系统的辅助。本发明利用了激光器稳频中使用的pdh(pound-drever-hall)技术，实现了对待测中远红外光功率的直接读出。
11.根据本发明提供的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，优选地，回音壁模式微腔部还包括：光学滤波片，对应待测的中远红外光设置；聚焦透镜，设于光学滤波片下侧，将待测的中远红外光聚焦于回音壁微腔结构中。
12.根据本发明提供的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，优选地，激光光源部还包括：光偏振控制器，设置在激光器与电光相位调制器之间。
13.根据本发明提供的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，优选地，信号发生部还包括：移相器，设置在信号发生器和混频器之间。
14.根据本发明提供的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，优选地，光电探测部还包括：带通滤波器，设置在光电探测器与混频器之间；低通滤波器，设置在混频器和电压计之间。
15.根据本发明提供的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，优选地，回音壁微腔结构设计为方形的硅波导，截面尺寸为1
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1μm，环腔直径30到100μm；聚二甲基硅氧烷的涂覆厚度为2.5μm。
16.根据本发明提供的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，优选地，激光器为窄线宽激光器，输出光为近红外光，输出波长包括1550nm波段，单频输出，激光的线宽小于10mhz。
17.在该技术方案中，以光波长为12.5μm为例，硅的折射率3.47左右，pdms为1.68，两者折射率的差值(差值越大愈易满足光的全反射条件)保证了腔模式能量很少能分布在pdms中，经过有限元法仿真分析，当泵浦光为1550nm时，1
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1μm的涂覆有pdms的硅波导，pdms中基模能量的占比约为千分之二。因此，可以认为pdms对腔模的q值以及谐振条件的影响几乎可以忽略不计，pdms的负热光系数不会降低探测系统的灵敏度。光波的极短波长与腔光谐振条件的极高敏感性，使得本发明对中远红外光的探测灵敏度高于传统的热敏探测器件，硅材料本身的高热光系数，可实现远强于传统二氧化硅微腔的热探测灵敏度。
18.根据本发明提供的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，优选地，光电探测器为铟镓砷(ingaas)光电探测器，工作波段为近红外光波段。
19.根据本发明提供的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，优选地，信号发生器输出的调制电信号为正弦波调制信号，调制频率大于微腔模式的线宽。
20.在该技术方案中，本发明采用激光器稳频中的pdh技术，借助电光相位调制和电路信号处理，将腔光谐振透射率对失谐量的洛伦兹响应转换为近似线性响应，从而可以通过电压计的示数直接读出红外光强度。
21.本发明取得的有益效果至少包括：传统的回音壁微腔传感方案中，测量谐振条件的变化往往需要扫描泵浦波长获取微腔模式的透射谱，无法直接获得待测值，本发明采用激光器稳频中的pdh(pound-drever-hall)技术，借助电光相位调制和电路信号处理，将腔光谐振透射率对失谐量的洛伦兹响应转换为近似线性响应，从而可以通过电压计的示数直接读出红外光强度，不依赖于额外的计算机系统对获取的数据进行算法处理。采用涂覆了pdms(聚二甲基硅氧烷，polydimethylsiloxane，pdms)的回音壁微腔(硅环腔)作为热敏元件，相较于传统的中远红外热敏元件探测方案具有更高的灵敏度，并可在室温下工作。pdms材料在中远红外波段具有很高的吸收率，大大提升了检测精度。
附图说明
22.图1示出了根据本发明实施例的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统的结构示意图。
23.图2示出了根据本发明实施例的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统的回音壁微腔结构的横截面示意图。
24.图3示出了根据本发明实施例的探测结果图。
具体实施方式
25.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统，包括：窄线宽激光器(1)，光偏振控制器(2)，电光相位调制器(3)，回音壁模式微腔芯片(4)，光电探测器(5)，待测中远红外光辐射源(6)，光学滤波片(7)，聚焦透镜(8)，信号发生器(9)，移相器(10)，电压计(11)，低通滤波器(12)，混频器(13)，带通滤波器(14)。窄线宽激光器(1)，光偏振控制器(2)，电光相位调制器(3)，回音壁模式微腔芯片(4)，光电探测器(5)通过光纤依次连接在一起，其中，激光经由透镜光纤耦合进出微腔芯片。信号发生器(9)产生的正弦调制信号分为两路，一路驱动电光相位调制器(3)，一路经由移相器(10)后与通过带通滤波器(14)的光电探测器(5)电信号在混频器(13)中进行混频，混频后产生的电信号通过低通滤波器(12)后最终由电压计(11)测量。待测中远红外光辐射源(6)所发出的红外光通过光学滤波片(7)获取出想要测量波段范围的红外光，光学微腔置于聚焦透镜(8)的焦点处。
28.对于回音壁微腔而言，它的谐振波长与微腔材料的折射率有关，有如下方程：
29.mλ＝2πrn
30.上式中，m为非零整数，λ为谐振波长，r为微腔半径，n为微腔模式的等效折射率。当腔体的温度发生变化时，由于热光效应的影响，微腔模式的等效折射率也会发生变化，从而引起谐振波长，即谐振光波的频率发生变化。如图3中(a)部分所示(微腔谐振的透射谱，腔光为临界耦合状态，当腔光完全谐振时，透过率为零)，当微腔与光波长完全满足上式的数学关系时，微腔的透射光能量最低，保持泵浦波长不变，温度引发的谐振波长偏移会使得透过光强度发生变化，从而可以测量出红外光的强度。方案中，待测中远红外光辐射源发出的光经由滤波片后获取感兴趣的测量波段，通过聚焦透镜将待测红外光聚集在微腔上。微腔上涂覆的pdms层对中远红外光具有很强的吸收，因此产生热量，从而引起谐振波长变化，最终导致透射光功率的变化。
31.系统中，窄线宽激光器、光偏振控制器、电光相位调制器、回音壁模式微腔芯片、光电探测器通过光纤相连接。光偏振控制器用于控制泵浦光的偏振状态，实现对应微腔模式的高效率谐振，电光相位调制器则是用于为pdh技术提供边带。激光通过光纤透镜耦合进出芯片上的波导，光纤透镜与波导端口在实现高效耦合后，两者的位置被精确固定。
32.微腔的透射谱随光频的响应是洛伦兹线型的，同一透射光强可对应两种不同的红外光强度，无法直接读出。因此采用pdh技术实现待测红外光强度的直接读出。具体过程是，光电探测器将接收到的微腔透射光信号转换为电信号，通过带通滤波器过滤掉噪声后与信号发生器产生的正弦信号进行混频。其中，移相器用于调整两路混频电信号的相位差，实现
选择性获取pdh误差信号的实部或是虚部。混频后的电信号通过低通滤波器后由电压计接受，这样就实现了电信号随待测红外光强度的近似线性响应关系，可直接根据电压值读出中远红外光的强度，如图3中(b)部分所示：电路处理后获取的对应电压计的测量结果，每个点对应于不同的入射红外光功率，相邻两个点的功率差值为10μw。该探测结果的仿真参数设定为pdms层厚度为2.5μm，环腔波导为1
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1μm，直径为50μm，微腔的内禀q值为1
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105，注入微腔的泵浦激光波长为1550nm。
33.根据上述实施例，优选地，回音壁模式微环腔优选设计为方形的硅波导，截面尺寸为1
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1μm，环腔直径30到100μm，通过旋涂法在芯片表面覆盖中远红外吸收材料，微腔优选材料为pdms，涂覆厚度为2.5μm。
34.根据上述实施例，优选地，微腔芯片采用电子束曝光与刻蚀工艺制作，芯片制作材料优选为soi片，氧化层的厚度为2μm。通过电子束曝光将掩膜版的结构写入涂覆在soi片上的光刻胶，经由干法刻蚀制作出片上的硅波导环腔。
35.根据上述实施例，优选地，窄线宽激光器(1)的输出光为近红外光，输出波长为1550nm波段，单频输出，激光的线宽小于10mhz。
36.根据上述实施例，光电探测器(5)的工作波段为近红外光波段，优选为铟镓砷(ingaas)探测器。
37.根据上述实施例，优选地，信号发生器(9)输出的调制信号为正弦波，调制频率大于微腔模式的线宽。
38.根据本发明的又一个实施例，还提供了一种涂覆有pdms红外光吸收层的回音壁硅环腔的制备方法，采用标准的soi片作为基底，以电子束曝光和反应离子刻蚀工艺制备片上集成的回音壁微腔，主要步骤包括：
39.(1)soi片的清洗。材料表面的污染物会显著降低微腔的q值，所以需要保证soi片足够干净。依次将soi片浸入到丙酮、乙醇、去离子水中，放入到超声波清洗机中，每种溶液清洗20分钟，最后用洁净的氮气枪吹干。
40.(2)旋涂光刻胶。光刻胶的型号选用zep520a，用吸管将光刻胶滴到soi片上，利用旋涂法使得光刻胶均匀覆盖在soi片上。旋转匀胶机的转速设置为4000转/分钟，加速度为4000转/秒，旋涂时间为120秒。匀胶结束后，在加热台上以180℃加热芯片半小时，使光刻胶中的溶剂缓慢、充分地逸出。
41.(3)电子束曝光。将表面有光刻胶的soi片置于电子束曝光机的底座上，调整焦距和像散，通过电子束曝光的方式将掩膜版上的图形结构写入到光刻胶中。电子束曝光机的参数设置为：加速电压30kv，光阑15μm，束流55pa，电子束剂量因子1.2。曝光结束后，将芯片置入显影液中60秒。
42.(4)离子刻蚀。刻蚀的目的是将光刻胶中的结构转移到芯片上，对于硅的刻蚀，采用六氟化硫(sf6)，它可以与硅发生化学反应，产生易挥发的四氟化硅(sif4)，同时对刻蚀室充填三氟甲烷来保护侧壁。刻蚀过程中的具体参数设定为：气体压强15mtorr，射频功率300w，sf6与三氟甲烷的流量分别为5、50sccm，刻蚀时间15分钟。刻蚀完成后，将芯片放入去胶液中，放置在加热台上，温度设定为80℃，加热24小时，最后用丙酮、酒精、去离子水清洗。
43.(5)旋涂pdms与固化。pdms采用型号为道康宁dc184，将基本组分与固化剂按照7:1的质量比进行充分混合。利用滴管吸取未固化的pdms胶水，滴在制备的微腔芯片上。通过调
整旋转匀胶机的转速来控制最终pdms层的厚度，转速设定在1000到6000转/分钟，旋涂时间120秒。旋涂完毕后，将芯片密封好放入鼓风干燥箱中，设定温度为120℃，鼓风干燥6小时取出。
44.最终制作完成的具有pdms层的硅微腔的横截面结构如图2所示。该微腔的谐振状态几乎只由硅材料决定，可具有较高的q值和红光光探测灵敏度。图2中颜色的深浅表征温度的高低，温度的分布是通过有限元法仿真得出的，具体设定为以波长12.5μm，电场强度约为1500v/m的平面波入射到芯片上，pdms层厚度为1μm，环腔波导为1
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1μm，直径为50μm，材料对电磁波的吸收作为热源，稳态情况下得出温度分布。
45.本发明提供的基于回音壁模式微腔的中远红外光宽谱探测系统通过pdms的吸收作用将中远红外光转换为热能，再以片上集成硅环腔(回音壁微腔结构)将热转换为硅波导折射率的变化从而引起光腔谐振态的改变，使用光电探测器将表征腔光谐振态的光信号转换为电信号，利用腔光谐振条件的极高敏感性，准确探测出红外光的强度，最后借助于电路系统，将腔光谐振透射率对失谐量的洛伦兹响应转换为近似线性响应，从而实现红外光强度的直接读出。
46.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。