CN102252753A - 基于光压效应的红外光子探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光压效应的红外光子探测方法，包括：驱动电路向作为感应元件的谐振结构提供驱动信号，该谐振结构在该驱动信号作用下起振；红外光源输出的红外辐射光经调制电路进行功率调制后，照射到谐振结构上产生光压效应，使谐振结构的振幅发生改变；以及通过位移测量装置检测谐振结构的振幅改变量来探测红外辐射量，进而实现红外光子的探测。本发明可以在常温进行红外光子探测、灵敏度高(nW级)、方法简单易行，所需的敏感器件制作方法简单、成本低廉，可用于光纤通信，并能与现有技术兼容。

Description

基于光压效应的红外光子探测方法

技术领域

本发明涉及红外光子探测技术领域，即一种基于光压效应的红外光子探测方法，适用于近红外(1310nm和1550nm)、中红外(3-5μm)和远红外(8-14μm)的红外光子高灵敏探测方法。

背景技术

红外光子探测因其在光纤通信、物质检测、国防军事和医学诊断等诸多领域特有的优势，现已成为光探测领域中极其重要的一种探测技术。商用的光电倍增管(PMTs)和硅基雪崩倍增管(Si-APDs)由于不能响应近红外长波段及其以上的红外光而无法应用于红外光子探测领域。

目前在红外光子探测领域应用的光探测器主要有：III-V族光探测器、超导光探测器(SPDs)、量子点(阱)光探测器(QWPDs & QDPDs)和超晶格光探测器(SLPDs)。其中，III-V族光探测器是研究和应用最多的一类，如InGaAs光探测器、InAsSb/GaSb异质结光探测器等，这些都是通过开发新材料以减少禁带宽度的方法来实现红外光子探测，然而超导光探测器、量子点(阱)光探测器和超晶格光探测器都必须在极低的温度环境中工作，无法在常温下使用；III-V族光探测器的制作则需要进行特定的III-V族化合物材料的外延生长，材料成本高，而且制作工艺相对复杂。

微电子机械系统(MEMS)技术为红外光子探测的发展提供了一种新的选择。由于其小型化、微型化、高灵敏度、可集成、工艺兼容性好和成本低等优势，已经开始应用于红外探测等诸多领域。例如：基于电子应力效应的微悬臂梁光子探测器，吸收红外光子后在微悬臂梁内部产生过剩载流子，由产生的电子应力而引起的梁弯曲，可探测红外光功率。基于双层微悬臂梁结构的热探测器吸收红外辐射后，由材料的热膨胀系数不同而引起梁弯曲，从而探测出红外辐射量。

然而，上述两种探测器都具有金属-硅复合式结构，对梁位移敏感，解决双层材料的应力匹配问题成为这两类探测器的最大困难。另外，微悬臂梁热探测器的响应速度一般大于毫秒，响应速度较慢。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有红外光子探测器存在的诸多问题，本发明提出了一种基于光压效应的红外光子探测方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于光压效应的红外光子探测方法，包括：

驱动电路向作为感应元件的谐振结构提供驱动信号，该谐振结构在该驱动信号作用下起振；

红外光源输出的红外辐射光经调制电路进行功率调制后，照射到谐振结构上产生光压效应，使谐振结构的振幅发生改变；以及

通过位移测量装置检测谐振结构的振幅改变量来探测红外辐射量，进而实现红外光子的探测。

上述方案中，所述谐振结构为利用微纳加工技术制作的微纳谐振结构，包括悬臂梁、扭矩和桥结构微纳谐振子。为减少光吸收所产生热量的影响，制作该谐振结构所用的材料对光的吸收限应小于待测光的波长。

上述方案中，所述红外辐射光经调制电路进行功率调制后照射到谐振结构上产生光压效应的步骤中，为增强光压效应，红外辐射光正入射到谐振结构的振幅最大的位置上。所述谐振结构采用微悬臂梁时，红外辐射光正入射到微悬臂梁的自由端。

上述方案中，所述红外辐射光经调制电路进行功率调制后照射到谐振结构上产生光压效应的步骤中，为增强光压效应的作用效果，将该谐振结构的厚度设计为光在其中传播波长的1/4的奇数倍，即(2m-1)λ/4n，其中m为正整数，λ为入射光波长，n为谐振结构材料的折射率，以提高谐振结构对入射光的反射率。

上述方案中，所述谐振结构具有高谐振频率、高Q和低弹性系数特点，以提高最终的探测灵敏度和探测精度。为提高所述谐振结构的Q值，该方法还通过真空封装将谐振结构置于真空环境中。

上述方案中，所述驱动电路提供的驱动方式包括：光学、压电或静电驱动方式。所述红外光的调制电路包括信号源和振荡器。

(三)有益效果

本发明的优点在于：可以在常温进行红外光子探测、灵敏度高(nW级)、方法简单易行，所需的敏感器件制作方法简单、成本低廉，可用于光纤通信，并能与现有技术兼容。具体包括：

1、本发明提出的红外光子探测方法，可以在常温下对宽波长范围(近红外、中红外和远红外)的红外光子进行高灵敏(nW级)探测，无需制冷装置、体积小、操作简单、成本低廉。为光纤通信、军事目标追踪等应用领域提供了一种新的红外光子探测方法。而且，这一探测方法为开发新型独立工作的、便携式高灵敏红外探测器提供了重要的思路和技术支撑。

2、本发明提出的红外光子探测方法，敏感单元所用的结构材料多样化，可选择制作工艺相对成熟、易集成的材料，实现大规模制作，降低制作和集成成本，提高成品率。

附图说明

图1为本发明提供的基于光压效应的红外光子探测的探测原理示意图。

图2为依照本发明实施例的封装后的谐振结构的示意图。

图3为依照本发明实施例的谐振结构封装后的基于光压效应的红外光子探测的装置示意图。

附图标记说明：

1.光源调制电路；2.谐振结构驱动电路；3.谐振结构；4.电学位移检测装置；5.红外光源；6.光纤；7.光学位移检测装置；8.纵向光波导；9.微悬臂梁；10.压阻层；11.导线；12.电极；13.移相器；14.衰减器；15.放大器；16.信号源；17.PC机；18.模/数转换电路；19.电阻检测电路；20.图2所示封装后的微悬臂梁；21.压电陶瓷。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的核心机理是：利用谐振结构作为红外光子探测的感应元件，红外辐射光照射到谐振结构上产生光压效应，使该谐振结构的振幅产生改变，通过检测谐振结构的振幅改变量来探测红外辐射量。

如图1所示，图1为本发明提供的基于光压效应的红外光子探测的探测原理示意图。本发明利用的是红外光子入射到谐振结构上产生的光压效应，光压力的大小与入射光功率呈线性关系，同时也与谐振结构3振幅的改变量呈线性关系，因此，通过检测谐振结构3的振幅改变量即可得知入射到谐振结构3上的光功率。

如图2所示，图2为依照本发明实施例的封装后的谐振结构的示意图。为实现将红外光照射到微悬臂梁9上，封装用的盖片上制作了一条纵向光波导8，并与微悬臂梁9的自由端对准；在微悬臂梁9的根部制作了压阻薄层10，通过测量压阻层10的阻值来检测微悬臂梁9的振幅；在微悬臂梁9的衬底上表面制作金属导线11和电极12，给外围的电阻检测电路提供电学接口。

图3为依照本发明实施例的谐振结构封装后的基于光压效应的红外光子探测的装置示意图，将图2所示的封装后的微悬臂梁20用作红外光子探测的感应元件，具体实施方案如下：

将微封装后的微悬臂梁20放置在压电陶瓷(PZT)21上并与其紧密接触；

信号源16输出正弦波或方波脉冲信号，信号频率与微悬臂梁9的共振频率一致，其中一路输入到PZT 21以激励微悬臂梁9共振，信号源16和PZT 21之间可加衰减器14，调节微悬臂梁9的振幅；另一路接入红外光源5调制红外光功率，利用放大器15来增加调制的幅度，并通过移相器13调节它与微悬臂梁的激励信号之间保持同相或反相；

红外光通过封装盖片上的纵向光波导8照射到微悬臂梁9自由端上，通过光压效应改变微悬臂梁9自由端的振幅；引起微悬臂梁9根部的压阻层10的阻值变化，通过电阻检测电路19(如电桥式电路)获得阻值和振幅变化量。检测振幅的同时也可以对微悬臂梁9的品质因子Q进行测量。

进行红外光子探测时，先通过位移检测系统(由电阻检测电路19、模/数转换电路18和PC机17组成)测量没有红外光子作用时微悬臂梁9的Q值和振幅A，然后将被调制的红外光入射到微悬臂梁9上，再通过位移检测系统获得微悬臂梁9的振幅A_L，二者之差就是微悬臂梁9的振幅改变量ΔA。如果采用的是正弦波调制，则红外光子作用前后微悬臂梁9的振幅改变量应为：

$\mathrm{\ΔA}=\frac{2P_0\mathrm{QR}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{ck}},$

其中，P₀为照射到微悬臂梁上的光功率振幅，R为反射率，α是红外光入射角，c为光速，k为微悬臂梁的刚度。由此可见，微悬臂梁振幅改变量ΔA与所加载红外光功率振幅P₀呈线性关系。如果采用方波脉冲信号进行调制，则红外光子作用前后微悬臂梁振幅的改变量应为：

$\mathrm{\ΔA}=\frac{8P_0\mathrm{QR}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{\πck}}.$

因此，通过测量微悬臂梁的振幅改变量ΔA即可获知所加载的红外光功率P₀。

这种探测方法可应用于远程光纤通信，首先由远程终端提供驱动信号通过PZT 21激励微悬臂梁9共振，随后将被调制的红外光子信号通过光纤6传输经光波导照射到微悬臂梁9的自由端引发微悬臂梁9相应的振幅响应，而后通过上述的电学位移检测系统将振幅改变量检出即可获得红外光子信号中所含的信息。由于方波脉冲信号也可用作微悬臂梁激励信号和红外光调制信号，所以这种探测器可以用于数字光纤通信，并能与现有的光通信技术兼容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光压效应的红外光子探测方法，其特征在于，包括：

驱动电路向作为感应元件的谐振结构提供驱动信号，该谐振结构在该驱动信号作用下起振；

红外光源输出的红外辐射光经调制电路进行功率调制后，照射到谐振结构上产生光压效应，使谐振结构的振幅发生改变；以及

通过位移测量装置检测谐振结构的振幅改变量来探测红外辐射量，进而实现红外光子的探测。

2.根据权利要求1所述的基于光压效应的红外光子探测方法，其特征在于，所述谐振结构为利用微纳加工技术制作的微纳谐振结构，包括悬臂梁、扭矩和桥结构微纳谐振子。

3.根据权利要求2所述的基于光压效应的红外光子探测方法，其特征在于，为减少光吸收所产生热量的影响，制作该谐振结构所用的材料对光的吸收限应小于待测光的波长。

4.根据权利要求1所述的基于光压效应的红外光子探测方法，其特征在于，所述红外辐射光经调制电路进行功率调制后照射到谐振结构上产生光压效应的步骤中，为增强光压效应，红外辐射光正入射到谐振结构的振幅最大的位置上。

5.根据权利要求4所述的基于光压效应的红外光子探测方法，其特征在于，所述谐振结构采用微悬臂梁时，红外辐射光正入射到微悬臂梁的自由端。

6.根据权利要求1所述的基于光压效应的红外光子探测方法，其特征在于，所述红外辐射光经调制电路进行功率调制后照射到谐振结构上产生光压效应的步骤中，为增强光压效应的作用效果，将该谐振结构的厚度设计为光在其中传播波长的1/4的奇数倍，即(2m-1)λ/4n，其中m为正整数，λ为入射光波长，n为谐振结构材料的折射率，以提高谐振结构对入射光的反射率。

7.根据权利要求1所述的基于光压效应的红外光子探测方法，其特征在于，所述谐振结构具有高谐振频率、高Q和低弹性系数特点，以提高最终的探测灵敏度和探测精度。

8.根据权利要求7所述的基于光压效应的红外光子探测方法，其特征在于，为提高所述谐振结构的Q值，该方法还通过真空封装将谐振结构置于真空环境中。

9.根据权利要求1所述的基于光压效应的红外光子探测方法，其特征在于，所述驱动电路提供的驱动方式包括：光学、压电或静电驱动方式。

10.根据权利要求1所述的基于光压效应的红外光子探测方法，其特征在于，所述红外光的调制电路包括信号源和振荡器。

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