CN109781265B - 一种耦合光学天线的成像探测芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合光学天线的成像探测芯片，包括平行设置的光学天线和光敏阵列，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔且电连接的光敏元组成的阵列结构，光学天线和光敏阵列的阵列规模相同，光学天线的天线元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐，光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥。本发明的耦合光学天线的成像探测芯片具有成像光波收集效能高的优点，并通过集成光学天线与光敏阵列显著提高光电灵敏度，且适用于可见光和红外谱域。
Description
技术领域
本发明属于光学成像探测技术领域，更具体地，涉及一种耦合光学天线的成像探测芯片及其制备方法。
背景技术
目前，光敏成像阵列作为光敏探测器，已经在各个领域得到了极为广泛的应用。常见的光敏成像阵列包括光子探测器和热探测器两种，而光子探测器又包括可见光探测器(常见是CMOS器件)和红外探测器(常见是FPAs)两种类型。可见光探测器主要用在民用领域，其可探测的最小光功率也已低至纳瓦级；红外探测器主要用在军用领域，其成本相对高昂；热探测器是基于微热吸收与光电信号生成这一热探测模式工作。
然而，现有的光敏成像阵列存在一些不可忽视的技术问题：第一、现有的光敏成像阵列针对功率在皮瓦级功率的弱光学信号探测能力不足；第二、光子探测器无法同时探测可见光和红外光；第三、热探测器虽然能同时探测可见光和红外光，但其探测灵敏度比光子探测器低至少一个量级，且探测速度慢。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种耦合光学天线的成像探测芯片及其制备方法，其目的在于，解决现有光敏成像阵列中存在的上述技术问题，本发明的耦合光学天线的成像探测芯片具有成像光波收集效能高的优点，并通过集成光学天线与光敏阵列显著提高光电灵敏度，且适用于可见光和红外谱域。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种耦合光学天线的成像探测芯片，包括平行设置的光学天线和光敏阵列，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔的光敏元组成的阵列结构，光学天线和光敏阵列的阵列规模相同，光学天线的天线元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐，光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥，该纳米尖锥采用锥形结构，其顶面为曲面结构，光学天线的一端与光敏阵列的一端分别通过金属连接线连接到外部控制信号。
优选地，当所述光敏成像探测芯片被用于探测弱光学信号时，每个天线元中纳米尖锥的数量是大于1个，且这些纳米尖锥为均匀排列。
优选地，该纳米尖锥的数量下限值必须使得光敏元能够产生有效的信号输出，纳米尖锥的数量上限值必须使得单个天线元中的所有纳米尖锥均匀排列后，该天线元的总体尺寸不能大于单个光敏元的尺寸。
优选地，纳米尖锥顶面的横截面是圆形、椭圆形、三角形、或多边形。
优选地，当纳米尖锥顶面的横截面是圆形时，其直径为30纳米到600纳米之间。
优选地，纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离是10纳米到60纳米之间。
优选地，所述光敏成像探测芯片被封装在芯片外壳内部，芯片外壳靠近光学天线的一个侧面上设置有光窗，用于指示该侧设置有光学天线，芯片外壳上与光窗相邻的另一个侧面上设置有电子学接口，用于以插接的方式将所述光敏成像探测芯片接入不同的光路结构。
优选地，当所述成像探测芯片用于探测可见光或红外光之一时，光敏阵列采用光子探测器，当所述成像探测芯片用于同时探测可见光和红外光时，光敏阵列采用热探测器。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述耦合光学天线的成像探测芯片的制备方法，包括：
制作光学天线过程，其包括以下步骤：
(1)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对硅基片进行超声清洗并烘干，在烘干后的硅基片的一侧端面上涂覆光刻胶并烘干；
(2)使用聚焦电子束对硅基片上所涂敷的光刻胶进行光刻处理，对光刻处理后的硅基片进行显影处理，并用去离子水冲洗并烘干；
(3)将经过显影处理的硅基片在真空环境下加热至120至150℃并保持10分钟以上，以形成圆形拱面、椭圆形拱面、三角形拱面、或多边形拱面的阵列化光刻胶结构；
(4)用平行离子束倾斜刻蚀经过热处理的阵列化光刻胶结构，以得到纳米尖锥图形，并对其进行清洁处理。
(5)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干；
(6)在经过清洁处理的石英或硒化锌基片的一侧端面上涂覆光刻胶并烘干；
(7)将所制备的纳米尖锥图形覆盖和压制在石英或硒化锌基片上涂敷有光刻胶的端面上，从而完成纳米尖锥图形转印；
(8)在石英或硒化锌基片印有纳米尖锥图形的一侧电镀金属，并对其进行进一步的清洁处理；
(9)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干；
(10)将石英或硒化锌基片上镀有金属的一侧与另一片石英或硒化锌基片执行分子键合处理，并对处理后的基片进行显影处理，以去除与金属膜贴合的光刻胶及其支撑基片，从而得到光学天线，对该光学天线进行清洁处理；
集成光学天线与光敏阵列的过程包括以下步骤：
(1)分别从光学天线和光敏阵列的同一侧引出金属连接线；
(2)将光学天线中的每个纳米尖锥与光敏阵列中对应位置的光敏元对准；
(3)将光学天线中的天线元与光敏阵列中对应位置的光敏元对准；
(4)用UV胶封住光学天线和光敏阵列的上下和左右两侧并烘干，并将从光学天线和光敏阵列引出的金属连接线分别接入芯片外壳内部的管脚上。
优选地，对准过程中，纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离被保持在10纳米到60纳米之间。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、由于本发明通过光学天线的共振性表面电磁激励收集表面波，从而能够实现皮瓦级弱光学信号的放大性收集，探测灵敏度高；
2、当本发明的光敏阵列采用热探测器时，光学天线收集可见光和宽谱红外光，因此本发明的探测芯片可以同时探测可见光和宽谱红外光，从而实现了宽谱域探测；
3、当本发明的光敏阵列采用光子型探测阵列时，光学天线收集可见光或红外光，本发明的探测芯片能够以快的响应速度探测可见光或红外光。
4、本发明通过光学天线表面电磁波和表面电子密度波的耦合关联性，实现对其表面“巡游态”电子分布密度的电控调节，进而能够调节其表面电磁波的纳聚焦强度；
5、本发明通过光学天线高增益收集倾斜成像波束，在基本保持光敏结构噪声水平这一前提下，基于光学天线的尖端部分处的光敏，能够高增益地提高可见光和红外光的探测灵敏度；
6、本发明一方面可以通过调节外部控制信号的幅度，实现对光敏元输出的有效信号的调节，另一方面，可以通过改变外部控制信号的极性，实现改变光学天线的关闭和工作状态，因此本发明具有智能化特征；
7、由于本发明采用可精密电驱控的光学天线，其具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性，因此本发明具有控制精度高的特点；
8、由于本发明的主体为封装在芯片外壳内的光学天线及光敏阵列，通过设置的电子学接口，其在光路中接插方便，易与常规光学光电机械结构匹配耦合。
附图说明
图1是本发明耦合光学天线的成像探测芯片在光路中的配置示意图；
图2是根据本发明一种实施方式的耦合光学天线的成像探测芯片的详细示意图；
图3是根据本发明另一种实现方式的耦合光学天线的成像探测芯片的详细示意图；
图4是本发明耦合光学天线的成像探测芯片中光学天线的示意图；
图5是本发明光学天线中包括四个纳米尖锥的天线元的示意图；
图6(a)至(e)是本发明光学天线中纳米尖锥所采用的不同结构的示意图；
图7是本发明耦合光学天线的成像探测芯片的封装结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-光学天线，2-光敏阵列，4-光窗，5-电子学接口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在多种功能材料(如常规金属或半导性锗硅等)表面，通过可见光或红外光的辐射激励，能够产生共振性表面波这一效应；由表面电磁波与表面电子密度波构成的表面波或表面等离激元，在功能材料表面的有效输运距离最大可达到几十微米尺度，同时，在特殊结构表面所实现的光场共振性积聚能够实现超过五个量级以上的光强度跃变；与上述表面光强度显著变化相呼应的是，表面电子分布密度呈现大范围的变化，此时，通过施加外部偏置电场或磁场，能够实现表面电子分布密度的精细调变。本发明旨在大幅提高低成本的可见光探测器的光电灵敏度，扩展对强光学信号或弱光学信号的光强响应范围，缩小光敏元尺寸，扩大阵列规模，提高空间分辨率。
本发明提供了一种耦合光学天线的成像探测芯片，其通过光学天线的共振性聚焦成像光波，将表面“巡游态”电子高密度地压缩在纳米尖锥的尖端部分，从而显著提高光电灵敏度。
图1示出本发明耦合光学天线的成像探测芯片在光路中的配置示意图，可以看到目标弱光学信号经过成像光学系统(其通常就是透镜)后，变成倾斜的成像光束射入光敏成像探测芯片中。
根据本发明的一个方面，提供了一种耦合光学天线的成像探测芯片，包括平行设置的光学天线1、以及光敏阵列2，光学天线1是由多个彼此间隔且电连接的天线元(Antennacell)组成的阵列结构，光敏阵列2是由多个彼此间隔且电连接的光敏元组成的阵列结构，光学天线1、以及光敏阵列2的形状相同，二者的阵列规模(即阵列所包括的阵列元数量)完全一样，且光学天线1的天线元、以及光敏阵列2中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐。光学天线1的一端与光敏阵列2的一端分别通过金属连接线连接到外部控制信号Vs。
当本发明用于探测可见光或红外光之一时，光敏阵列2采用光子探测器，而当本发明用于同时探测可见光和红外光时，光敏阵列2采用热探测器。
通过设置光学天线，其具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性，因此本发明具有控制精度高的特点。
相邻光敏元之间的间隔为50到500纳米之间。
光学天线1的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥，该纳米尖锥采用锥形结构，其顶面为曲面结构，该曲面结构的横截面可以是圆形(如图6(a)所示)、椭圆形、三角形(如图6(b)所示)、多边形(如图6(c)至(e)所示)。
图4示出本发明光学天线中所包括的纳米尖锥，纳米尖锥的顶部彼此通过电连接线实现电连接，在图中该纳米尖锥的顶部是矩形，但应该理解其仅仅是出于示意的目的，并不构成对本发明纳米尖锥顶部形状的限制。
纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离(即近场间距)是10纳米到60纳米之间。
采用锥形结构的目的，是将入射光束到达天线元以后，所激励的表面波导向锥形结构的尖端，并在尖端处共振性叠加，从而实现纳聚焦。
当本发明耦合光学天线的成像探测芯片被用于弱光学信号(即光学信号的功率为皮瓦级)的探测时，此时天线元需要包括大于一个纳米尖锥，这些纳米尖锥均匀排列(例如以等边三角形、矩形、正多边形等方式)，且此时该纳米尖锥的具体数量是由以下两个限制条件所决定：
(1)该纳米尖锥的数量下限值必须使得光敏元能够产生有效的信号输出；
(2)该纳米尖锥的数量上限值必须使得单个天线元中的所有纳米尖锥均匀排列后，该天线元的总体尺寸不能大于单个光敏元的尺寸。
在图5中示出包括四个均匀排布(即矩形方式)的纳米尖锥的天线元。该纳米尖锥的顶部是矩形，水平方向相邻的两个纳米尖锥之间的距离Db与两个纳米尖锥长度b之和(即Db+2b)、以及垂直方向相邻的两个纳米尖锥之间的距离Da与两个纳米尖锥高度a之和(即Da+2a)，均不能超过其对应的光敏元的尺寸大小。
在图3中，可以看出一个天线元包括2个纳米尖锥，应该理解，其仅仅是出于示意的目的，并不对本发明纳米尖锥的数量构成限定。
图2中，可以看出一个天线元仅仅包括一个纳米尖锥，此时，本发明耦合光学天线的成像探测芯片可用于除弱光学信号(即光学信号的功率为皮瓦级)以外的其他光学信号的探测。
以下结合图2和图3解释本发明的工作原理：
目标弱光波信号(其可以是可见光或者红外光)在经过图1的成像光学系统后，变成倾斜成像光束，其倾斜地射向光学天线的天线元表面时，从而激励产生表面波，表面波被天线元导向纳米尖锥的尖端，通过共振叠加实现纳聚焦。通过调节外部控制信号(当图2和图3中的光敏阵列接正电压，上方接地时)，能够调节光学天线表面的电子密度波，进而对纳聚焦光波进行调节；当外部控制信号反接(即极性反转)时，由于此时无法激励产生表面波，光学天线停止工作。
由于本发明采用了上述光学天线收集可见光和宽谱红外光，因此本发明的探测芯片可以同时探测可见光和宽谱红外光，从而实现了宽谱域探测。
进一步地，由于本发明通过光学天线的共振性表面电磁激励收集表面波，从而能够实现皮瓦级弱光学信号的放大性收集，探测灵敏度高。
进一步地，本发明通过光学天线表面电磁波和表面电子密度波的耦合关联性，实现对其表面“巡游态”电子分布密度的电控调节，进而能够调节其表面电磁波的纳聚焦强度。
进一步地，本发明通过光学天线高增益收集倾斜成像波束，在基本保持光敏结构噪声水平这一前提下，基于光学天线的尖端部分处的光敏，能够高增益地提高可见光和红外光的探测灵敏度。
进一步地，本发明一方面可以通过调节外部控制信号的幅度，实现对光敏元输出的有效信号的调节，另一方面，可以通过改变外部控制信号的极性，实现改变光学天线的关闭和工作状态，因此本发明具有智能化特征。
图7示出了本发明耦合光学天线的成像探测芯片的封装示意图，可以看到整个光敏成像探测芯片被封装在芯片外壳内部，芯片外壳靠近光学天线1的一个侧面上设置有光窗4，其用于指示该侧是设置有光学天线1，芯片外壳上与光窗4相邻的另一个侧面上设置有电子学接口5，用于以插接的方式将本发明的光敏成像探测芯片接入不同的光路结构。
通过设置电子学接口，本发明其在光路中接插方便，易与常规光学光电机械结构匹配耦合。
根据本发明的另一个方面，提供了上述耦合光学天线的成像探测芯片的制备方法，包括制作光学天线、以及集成光学天线与光敏阵列两个过程，其中：
制作光学天线过程包括以下步骤：
(1)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对硅基片进行超声清洗并烘干，在烘干后的硅基片的一侧端面上用匀胶机涂覆光刻胶，并烘干5至20分钟；
(2)使用聚焦电子束对硅基片上所涂敷的光刻胶进行光刻处理，对光刻处理后的硅基片进行显影处理，并用去离子水冲洗并烘干2至5分钟；
(3)将经过显影处理的硅基片在真空环境下加热至120至150℃并保持10分钟以上，以形成圆形拱面、椭圆形拱面、三角形拱面、或多边形拱面的阵列化光刻胶结构；
(4)用平行离子束倾斜刻蚀经过热处理的阵列化光刻胶结构，以得到纳米尖锥图形，并对其进行清洁处理。
(5)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干；
(6)在经过清洁处理的石英或硒化锌基片的一侧端面上涂覆光刻胶，并烘干5至20分钟；
(7)将所制备的纳米尖锥图形覆盖和压制在石英或硒化锌基片上涂敷有光刻胶的端面上，完成纳米尖锥图形转印；
(8)在石英或硒化锌基片印有纳米尖锥图形的一侧电镀金属(如典型的铜或铝)，并对其进行进一步的清洁处理；
(9)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干；
(10)将石英或硒化锌基片上镀有金属的一侧与另一片石英或硒化锌基片执行分子键合处理，并对处理后的基片进行显影处理，以去除与金属膜贴合的光刻胶及其支撑基片，从而得到光学天线，对该光学天线进行清洁处理；
集成光学天线与光敏阵列的过程包括以下步骤：
(1)分别从光学天线和光敏阵列的同一侧引出金属连接线；
(2)将光学天线中的每个纳米尖锥与光敏阵列中对应位置的光敏元对准，并使纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离(即近场间距)为10纳米到60纳米之间；
(3)将光学天线中的天线元(由2个或2个以上纳米尖锥组成)与光敏阵列中对应位置的光敏元对准，并使纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离(即近场间距)为10纳米到60纳米之间；
(4)用UV胶封住光学天线和光敏阵列的上下和左右两侧并烘干，并将从光学天线和光敏阵列引出的金属连接线分别接入芯片外壳内部的管脚上。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耦合光学天线的成像探测芯片，包括平行设置的光学天线和光敏阵列，其特征在于，
光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔的光敏元组成的阵列结构； 光学天线和光敏阵列的阵列规模相同；
光学天线的天线元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐；
光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥，该纳米尖锥采用锥形结构，其顶面为曲面结构；
光学天线的一端与光敏阵列的一端分别通过金属连接线连接到外部控制信号；
其中入射光束到达天线元以后，所激励的表面波导向锥形结构的尖端，并在尖端处共振性叠加，从而实现纳聚焦。
2.根据权利要求1所述的成像探测芯片，其特征在于，当所述成像探测芯片被用于探测弱光学信号时，每个天线元中纳米尖锥的数量是大于1个，且这些纳米尖锥为均匀排列。
3.根据权利要求2所述的成像探测芯片，其特征在于，
纳米尖锥的数量下限值必须使得光敏元能够产生有效的信号输出；
纳米尖锥的数量上限值必须使得单个天线元中的所有纳米尖锥均匀排列后，该天线元的总体尺寸不能大于单个光敏元的尺寸。
4.根据权利要求1所述的成像探测芯片，其特征在于，纳米尖锥顶面的横截面是圆形、椭圆形、三角形、或多边形。
5.根据权利要求4所述的成像探测芯片，其特征在于，当纳米尖锥顶面的横截面是圆形时，其直径为30纳米到600纳米之间。
6.根据权利要求1所述的成像探测芯片，其特征在于，纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离是10纳米到60纳米之间。
7.根据权利要求1所述的成像探测芯片，其特征在于，
所述成像探测芯片被封装在芯片外壳内部；
芯片外壳靠近光学天线的一个侧面上设置有光窗，用于指示该侧设置有光学天线；
芯片外壳上与光窗相邻的另一个侧面上设置有电子学接口，用于以插接的方式将所述成像探测芯片接入不同的光路结构。
8.根据权利要求1所述的成像探测芯片，其特征在于，
当所述成像探测芯片用于探测可见光或红外光之一时，光敏阵列采用光子探测器；
当所述成像探测芯片用于同时探测可见光和红外光时，光敏阵列采用热探测器。
9.一种根据权利要求1至8中任意一项所述耦合光学天线的成像探测芯片的制备方法，其特征在于，包括：
制作光学天线过程，其包括以下步骤：
（1）依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对硅基片进行超声清洗并烘干，在烘干后的硅基片的一侧端面上涂覆光刻胶并烘干；
（2）使用聚焦电子束对硅基片上所涂敷的光刻胶进行光刻处理，对光刻处理后的硅基片进行显影处理，并用去离子水冲洗并烘干；
（3）将经过显影处理的硅基片在真空环境下加热至120至150℃并保持10分钟以上，以形成圆形拱面、椭圆形拱面、三角形拱面、或多边形拱面的阵列化光刻胶结构；
（4）用平行离子束倾斜刻蚀经过热处理的阵列化光刻胶结构，以得到纳米尖锥图形，并对其进行清洁处理；
（5）依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干；（6）在经过清洁处理的石英或硒化锌基片的一侧端面上涂覆光刻胶并烘干；
（7）将所制备的纳米尖锥图形覆盖和压制在石英或硒化锌基片上涂敷有光刻胶的端面上，从而完成纳米尖锥图形转印；
（8）在石英或硒化锌基片印有纳米尖锥图形的一侧电镀金属，并对其进行进一步的清洁处理；
（9）依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干；（10）将石英或硒化锌基片上镀有金属的一侧与另一片石英或硒化锌基片执行分子键合处理，并对处理后的基片进行显影处理，以去除与金属膜贴合的光刻胶及其支撑基片，从而得到光学天线，对该光学天线进行清洁处理；
集成光学天线与光敏阵列的过程包括以下步骤：
（1）分别从光学天线和光敏阵列的同一侧引出金属连接线；
（2）将光学天线中的每个纳米尖锥与光敏阵列中对应位置的光敏元对准；
（3）将光学天线中的天线元与光敏阵列中对应位置的光敏元对准；
（4）用UV胶封住光学天线和光敏阵列的上下和左右两侧并烘干，并将从光学天线和光敏阵列引出的金属连接线分别接入芯片外壳内部的管脚上。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，对准过程中，纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离被保持在10纳米到60纳米之间。
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