長波碲鎘汞集成偏振探測器的設(shè)計

林國畫,李燕蘭,張 磊,張 璐,邢艷蕾

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外探測器經(jīng)歷了從單元到長線列、大面陣的發(fā)展,隨著工藝的成熟、成本的降低,目前已大量應(yīng)用于軍民領(lǐng)域。在紅外探測器大量使用的過程中,由于應(yīng)用環(huán)境的日漸復(fù)雜,單一的紅外輻射強(qiáng)度成像已不能完全滿足對目標(biāo)地準(zhǔn)確識別,需要突破傳統(tǒng)的探測模式,將紅外探測器由單一的輻射強(qiáng)度探測發(fā)展成為多功能探測器,提高其綜合信息感知能力,以適應(yīng)新的發(fā)展需求。

眾所周知,自然界中的電磁波具有偏振性,從紫外到紅外波段,物體有著不同的偏振度。美國York大學(xué)在0.185～1.0 μm波長范圍內(nèi)對目標(biāo)的偏振特性進(jìn)行了測量,如表1所示,從表中的數(shù)據(jù)可以看出,人造物比自然物表現(xiàn)出更高的偏振度,在偏振成像中,可以利用這個現(xiàn)象來提高目標(biāo)的對比度、抑制背景雜波,降低對目標(biāo)的誤報率。

表1 目標(biāo)的偏振特性Tab.1 Polarization characteristics of targets

美國、荷蘭等國家制備了短波、中波、長波紅外偏振成像裝置,進(jìn)行了24 h的探雷試驗、機(jī)載紅外超光譜飛行試驗、不同材料的偏振光譜試驗及偽裝探測試驗等,驗證了紅外偏振探測在視覺對比度上的優(yōu)勢,但這些紅外偏振成像裝置的偏振器均外置,體積大、功耗高,如果將偏振功能集成到紅外探測器中,則可以大大減小系統(tǒng)的體積、功耗,滿足不同的偏振成像需求。針對這個需求,國內(nèi)外相關(guān)研制單位進(jìn)行了集成紅外偏振探測器的開發(fā),本文簡要介紹了在碲鎘汞長波320×256集成偏振探測器的開發(fā)過程中的相關(guān)設(shè)計工作。

2 集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器的設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

碲鎘汞長波320×256探測器是在碲鋅鎘襯底上外延碲鎘汞薄膜,形成碲鎘汞芯片,然后碲鎘汞芯片與讀出電路通過銦柱互連后形成混成芯片[1],芯片的中心間距為30 μm,紅外輻射從碲鋅鎘襯底背面入射。集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器是在碲鎘汞混成芯片的背面設(shè)計偏振結(jié)構(gòu),如圖1所示,偏振結(jié)構(gòu)采用金屬線光柵,根據(jù)斯托克斯矢量[2],設(shè)計了0°、45°、90°、135°四個偏振態(tài),四個偏振態(tài)周期排列,與長波320×256混成芯片的像元一一對應(yīng)。

圖1 集成碲鎘汞偏振芯片示意圖Fig.1 Integrated HgCdTe polarization chip schematic

2.2 偏振結(jié)構(gòu)性能設(shè)計

碲鎘汞長波320×256偏振探測器的偏振結(jié)構(gòu)采用一維亞波長金屬光柵,當(dāng)光柵周期小于入射輻射波長時,一維亞波長金屬光柵表現(xiàn)出強(qiáng)烈的偏振相關(guān)特性。當(dāng)外界的紅外輻射入射到碲鎘汞探測器背面的偏振結(jié)構(gòu)時,不同偏振態(tài)的光柵讀取景物的偏振信息,偏振信息經(jīng)過碲鎘汞探測器的光電轉(zhuǎn)換,由讀出電路輸出,提供偏振成像所需的信號。

偏振光柵的設(shè)計直接影響到集成偏振探測器的性能,對一維亞波長金屬光柵,按照入射光偏振方向與光柵柵條的關(guān)系,可分為TM 偏振光(偏振方向與光柵柵條垂直)和TE 偏振光(偏振方向與光柵柵條平行),對于TM光金屬柵條等效于介質(zhì)層,光波能順利通過,對于TE光金屬柵條等效于金屬層,TE偏振光被金屬柵條反射,TM 偏振光和TE 偏振光的透射率及二者的比值(消光比)[3],可有效反映金屬光柵在偏振方面的性能。其中,透射率反映光柵對光能的利用率,消光比反映光柵偏振性能的強(qiáng)弱。不同材料的金屬光柵具有不同的偏振透射率和消光比,因此,選擇合適的光柵金屬材料是集成偏振結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要問題。

偏振光柵金屬膜層材料的選擇對偏振性能的影響是一個較為基礎(chǔ)的工作,紅外波段的金屬光柵材料設(shè)計可參考的數(shù)據(jù)較少。在本文介紹的長波紅外金屬線偏振光柵設(shè)計中,選擇了以金、鉻為偏振光柵的主要材料,不同材料分層疊加,形成偏振光柵的金屬層,如圖2所示。

圖2 偏振光柵結(jié)構(gòu)Fig.2 Polarization grating structure

影響偏振光柵性能的參數(shù)包括高度、周期、占空比等,光柵參數(shù)設(shè)計的過程是一個光柵性能優(yōu)化的過程,最終要保證偏振光柵有較高的透過率和消光比,同時在工藝上具有較好的可實現(xiàn)性。設(shè)計中,保持偏振光柵周期、占空比不變,改變光柵的高度,偏振光柵在4～10 μm的仿真結(jié)果如圖3所示。在圖3中,三條曲線分別代表偏振光柵的高度在0.5 μm、0.7 μm、1 μm時,透過率及消光比的變化趨勢,從圖中可以看出,隨著高度的增加,透過率和消光比均變大。對偏振光柵的其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,設(shè)計結(jié)果顯示,在光柵高度、占空比不變的情況下,隨著光柵周期減小,透過率和消光比均變大；在高度、周期不變的情況下,隨著占空比變大,透過率呈減小、消光比呈增加的趨勢。

(a)透過率

2.3 偏振結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證

針對集成碲鎘汞長波320×256偏振結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計驗證。

在偏振光柵高度<0.7 μm、周期<2.4 μm、占空比<0.65的情況下,選擇了一組金、鉻為主要材料的偏振光柵的設(shè)計參數(shù),其光柵透過率、消光比在4～10 μm隨波長的變化如圖4所示,從圖中可以看出,在8 μm處,光柵透過率設(shè)計值大于40 %、消光比設(shè)計值超過300。

針對上述設(shè)計,在碲鋅鎘襯底上制備了相應(yīng)的偏振結(jié)構(gòu),經(jīng)過測試,光柵透過率、消光比隨波長的變化如圖5所示,從圖中可以看出,隨著波長變長,光柵透過率及消光比均變大,與設(shè)計相符,在8 μm處,光柵透過率接近20 %、消光比接近150,比設(shè)計值均有所下降,而且在8 μm處呈現(xiàn)出一個突變,分析原因主要有:(1)偏振光柵制備中存在工藝誤差,實際制備出來的光柵與設(shè)計的光柵在形貌、數(shù)值上均有差異,不能完全把設(shè)計性能體現(xiàn)出來；(2)測試過程中設(shè)備未采取抑制噪聲措施,存在一定的噪聲干擾,這些都是后續(xù)需要深入研究、加以改進(jìn)和提高的方面。

(a)透過率

(a)透過率 (b)消光比

3 集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器組件的測試及成像

對集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器的偏振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計及驗證后,按照上述設(shè)計對已經(jīng)制備的碲鎘汞長波320×256混成芯片進(jìn)行襯底減薄[4],減薄后采用磁控濺射[5]設(shè)備進(jìn)行偏振光柵金屬層的生長,然后進(jìn)行光刻、刻蝕工藝,制備出具有0°、45°、90°、135°四個不同偏振態(tài)的偏振光柵,如圖6所示,在掃描電鏡下觀察,偏振光柵的形貌、尺寸接近設(shè)計值。

圖6 掃描電鏡下觀察的LW320X256碲鎘汞集成偏振光柵Fig.6 LW320X256 HgCdTe integrated Polarization grating observed under SEM

將制備的集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器芯片(如圖7)封裝為微杜瓦組件,在紅外探測器組件偏振測試平臺上進(jìn)行測試,測試中所用的紅外起偏偏振器消光比為7000:1、在長波段的透過率>75 %。

圖7 集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器實物圖Fig.7 Integrated HgCdTe LW320×256 polarization detector physical map

由于紅外集成偏振探測器組件加入了偏振結(jié)構(gòu),輻射能量減小了50 %以上,使探測器芯片的響應(yīng)變?nèi)?在組件測試過程中,為了保證一定的信號強(qiáng)度,采取了加長積分時間的方式。經(jīng)過測試,得到偏振探測器0°、45°、90°、135°四個偏振態(tài)的響應(yīng)曲線,如圖8所示,從響應(yīng)的幅度看,四個偏振態(tài)的響應(yīng)幅度有三個方向一樣,另外一個方向稍小,而從計算結(jié)果看,四個偏振態(tài)的消光比均可以達(dá)到70以上,說明制備工藝相對較好。

對制備的集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器組件進(jìn)行了成像演示試驗,試驗截取的圖像如圖9所示,圖像中間是一只透明玻璃杯,圖像左側(cè)是一個長吊帶的獎牌,從圖像中可以看出,雖然使用的試驗芯片性能較差、圖像未經(jīng)去噪聲、融合等處理,但玻璃杯的外形輪廓非常明顯,長吊帶的獎牌中吊帶和獎牌的紋路也可以簡單識別出來,顯示了集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器對物體輪廓良好的識別效果,也驗證了本文所介紹的設(shè)計方向是可行的。

圖8 集成碲鎘汞長波320×256偏振組件四個偏振態(tài)響應(yīng)曲線Fig.8 Response curves the four polarization states of Integrated HgCdTe LW320×256 Polarization DDA

圖9 集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器組件成像圖Fig.9 Integrated HgCdTe LW320×256 polarization DDA imaging diagram

4 結(jié) 論

將偏振探測的功能集成到碲鎘汞紅外探測器中,是提高碲鎘汞紅外探測器的識別能力、拓展其用途的一個發(fā)展方向,本文介紹的集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器的設(shè)計,是開發(fā)此類探測器的一個初步的研制結(jié)果,設(shè)計中,采用以金、鉻為主的多種金屬材料設(shè)計偏振光柵,偏振光柵在長波段的透過率可以超過75 %、消光比可以達(dá)到上千的數(shù)值,偏振性能設(shè)計值非常好,但在實際驗證的過程中,由于設(shè)備、工藝的限制,可實現(xiàn)的設(shè)計值大打折扣,后續(xù)需要在光柵金屬材料選擇、設(shè)計值的工藝實現(xiàn)方面做更多、更細(xì)致的工作,找到集成碲鎘汞長波320×256偏振探測器設(shè)計的更優(yōu)結(jié)果,為用戶提供性能優(yōu)良的集成碲鎘汞紅外偏振探測器組件。