CN1996029A - THz信号高灵敏度探测器与摄像头 - Google Patents

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Abstract

一种THz信号高灵敏度探测器与摄像头，其结构如下。在半导体基底上制作光子晶体THz微腔和半导体晶体管的结合体。当THz波入射时，THz信号会被局域在光子晶体微腔中，使得微腔中产生很大的场强，它产生的热效应会使半导体产生电子空穴对，载流子注入到晶体管基极后放大，将使外电路产生电流，从而探测到THz波信号，从而实现高灵敏度的THz信号探测。把许多个这样的探测器集成在一起可构成THz谐振腔阵列，每一个谐振腔都会接收到特定位置、特定强度的THz光。信号经转换放大并存储，最后可获得一副完整的THz图像，从而实现了实时摄像的功能。采用特殊的信号放大电路实现消除背景THz辐射噪声的功能。

Description

THz信号高灵敏度探测器与摄像头
(一)技术领域
本发明涉及高灵敏度的的THz信号探测器与摄像头，特别涉及采用光子晶体的THz信号高灵敏度探测器与摄像头。
(二)背景技术
THz波通常指的是频率在100GHz～10THz(30μm～3mm)区间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。由于以前缺乏有效的THz产生和检测方法，人们对该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于长期以来该波段被称为电磁波谱中的“THz空隙”。近十几年来，超快激光技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，促进了THz波辐射的机理研究、检测技术和应用技术的蓬勃发展。
THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质：
(a)THz脉冲的脉宽约为0.1～10ps量级，，不但可以进行亚皮秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样门测量技术，能够有效地防止背景辐射噪声的干扰。目前，对THz波强度测量的信噪比可大于104。
(b)THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz直到几十THz的范围。
(c)可以利用THz波激光器发射的具有很高的时间和空间相干性的THz波作为摄像光源，从而可以同时获得其带宽覆盖的各频率分量的振幅和位相、而无需借助于克雷梅斯一克罗尼格(Kramers-Kronig)关系进行后期处理，而通常的光学技术是无法做到这一点的。
(d)THz波光子的能量只有毫电子伏特，因此不容易破坏被检测的物质，从而可以进行无损检测。
THz波作为一种新型远红外相干光源，目前主要的应用集中在两个方面，即THz波时域光谱分析技术和THz波成像技术，可能的应用包括各种固体尤其是半导体的THz时间分辨光谱测量，THz波医学成像，生物分子构象的THz波时域光谱分析，无标记DNA分子探测，THz波显微成像等。
目前的THz光谱和成像技术中THz波的扫描延迟系统主要采用机械扫描或电动平移台进行扫描，实现时间延迟的时域光谱测量和逐点扫描成像。这种方法的一个缺点是有一个扫描上限，扫描时间太慢，观测光谱信息不够及时，时空分辨率都很低，难以做到实时成像。另外，由于扫描速度太慢，属于慢扫描时间延迟测量，从而不能很有效地抑制热背景噪声。这使得THz成像技术无法在实际中获得应用，例如，在海关检查或者保密场所的安全检查中都需要立即获得图象信号，这就要求发展实用化的THz的探测器和摄像头。
另外，目前大多数THz探测和成像技术都是使用电光调制元件来实现的，这也阻碍了THz探测器和摄像头向集成化的方向发展。
专利号为03116029.8的文献《太赫兹波二维电光面阵成像方法》介绍了一种二维面阵电光晶体的THz信号探测器，虽然它有着较高的时空分辨率和信噪比，能实现一次成像，但是其探测灵敏度不高，对小功率的THz信号探测能力比较差。
(三)发明内容
本发明针对上述技术的不足和缺陷，提供了一种利用光子晶体微腔来制作可实用化的THz信号高灵敏度探测器与摄像头的方法。首先，使用半导体材料制作一个晶格常数等于THz波长量级的光子晶体，通过改变其中一介质棒的尺寸，形成缺陷，制作成光子晶体THz微腔。调节晶格常数和缺陷的大小，可以使缺陷模为我们所需要的任何一个THz范围的频率。
THz信号高灵敏度探测器是通过单个光子晶体THz微腔来接收和局域THz信号，使之在微腔内谐振并放大，因此微腔中具有很高的场强，由它产生的热效应作用于微腔下面的半导体单元，使之产生电子空穴对。把载流子注入三极管基极，可使外电路产生信号电流，信号电流和THz的强度是成正比的，从而可以探测到THz波信号。
把许多这样的光子晶体THz微腔集成为一个面阵列，构成阵列THz谐振腔，相当于构成了一个THz信号高灵敏度探测器面阵列，当THz波照射到它上面时，每一个谐振腔都会接收到特定位置、特定强度的THz光，在每个腔内都会存在与所在位置的THz照射强度相关的THz信号，并且这些信号会被局域在在微腔内并得到等比例的放大，从而大大提高了THz感光灵敏度。在光子晶体THz微腔面阵列的下面布置有同样数量的硅单元(也可以用GaAs，或者其它半导体材料)和三极管(或二极管)单元，这些单元受到THz波的作用就会释放出电子空穴对，并产生信号电流，把信号电流引出后连接到信号采集电路，在电子开关的作用下，信号采集电路将所采集的信号输入到D/A转换器，然后再存入存储器，这样就可以获得一幅完整的THz图象。一幅THz图象的获取时间与常见的数码照相机的时间是相同的，因此可以实现较高速度的摄影/摄像。
利用THz波摄像的另一个主要问题是，在常温环境下的自然环境中存在大量的THz背景辐射噪声，要克服这些噪声的影响，传统的做法是将探测器置于超低温环境中，这就导致探测装置的体积很大，成本非常高。本发明采用了特殊的信号提取电路，通过调节电路的偏置电压就可以消除背景THz辐射引起的噪声信号。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明能够直接探侧二维THz波的信号，进行实时的THz波二维成像。由于使用的单元是半导体Si材料，还能实现和电子器件的直接集成。本发明有着很高的灵敏度、时间分辨率和比较好的空间分辨率、信噪比，以及良好的集成性能，是采集和探测有着广泛应用前景和价值的THz波的一种新的技术。
(四)附图说明
图1：THz信号高灵敏度探测器侧刨面图
图2：THz信号高灵敏度探测器俯视图
图3：高灵敏度型THz波图象摄相头核心部件局部图
其中：1构成光子晶体的半导体材料Si或GaAs，2空气，3光子晶体缺陷区，4基体陶瓷、蓝宝石、或其它合适材料。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
选择半导体材料Si来制作光子晶体微腔。参照图1，通过分子束外延技术在陶瓷基体4上生长半导体Si。通过刻蚀技术在Si基上制作出光子晶体。1为高折射率介质Si，2为低折射率介质空气。光子晶体的晶格常数和THz光的波长为同一数量级，可选择为10μm。改变介质1的占空比，就可以调节光子晶体的带隙在THz波长范围内移动。通过改变其中一个高折射率介质的尺寸，形成缺陷区3，就可以得到光子晶体THz微腔。图2为光子晶体微腔的俯视图。调整缺陷区3的半径，可以使微腔中的缺陷模出现在带隙中的任何一个地方。因此可以根据所照射的THz波长来选择光子晶体微腔的结构参数。用扩散的方法可以在Si基上形成NPN结，做成三极管。三极管和外电路连接。在集电极和基极加上电压，发射极和差分放大器相连。施加基极偏置电压Eb的目的是使晶体三极管有较高的放大系数，同时有较好的线性放大特性，在要求不高的情况下，该电压可以取消。输出信号连接到外电路接收器。差分放大器可以消除背景辐射产生的电流信号，从而使得该器件可以用于常温环境下的THz波的探测。
THz信号高灵敏度探测器基本工作原理如下：当THz波入射光子晶体微腔时，在缺陷区会产生局域效应，THz波会被限制在微腔中振荡，其中的场很强，将产生热效应，从而在半导体Si基上产生“电子-空穴对”，在偏置电压的作用下，这些载流子将会被注入底面的三极管基极中，在发射极载流子被放大为可观测的电流。电流经过差分放大器到达外电路的直流放大器被放大，最后被检测出来。因为检测到的电流和入射波强度是成正比的，从而可以探测到THz波信号。光子晶体微腔的局域效应可以提供探测灵敏度，三极管有放大信号的作用，从而可以进一步的提高探测灵敏度。因此这一装置可制作为THz信号高灵敏度探测器。
用许多个这样的点探测器构成阵列，则可以制作成THz图象摄相头的核心部件，如图3所示。在光子晶体中每隔三个高折射率介质就制造一个缺陷，可以实现二维集成的光子晶体THz微腔阵列，相当于构成了一个THz信号高灵敏度探测器面阵列。两微腔的间距为40μm。参照CCD的像素为1024×1024，那么m×n二维光子晶体微腔阵列设计尺寸中m＝1024，n＝1024，整个m×n二维光子晶体面积大致为4cm×3.5cm。在m×n二维光子晶体微腔面阵尺寸设计中，其m×n二维设计分辨率不应高于CCD的像素；倘若超过CCD的像素，CCD就不会分辨得那么细致，无法跟上m×n二维设计的分辨率。所有三极管的基极和集电极都分别公用着一个电压。发射极各自连着电阻、差分放大器，输出端和外电路相连。
在实际应用中，为了消除其它波段的干扰电磁波，可以在波的入射面增加一个滤波器，该滤波器只让THz波通过，阻止其它波段的波通过。
THz信号高灵敏度摄像头基本工作原理如下：当THz波照射到光子晶体THz微腔阵列上面时，每一个谐振腔相当于一个探测器，都会接收到特定位置、特定强度的THz波，在每个微腔内都会存在与所在位置的THz照射强度相关的THz信号，并且这些信号会被局域在在微腔内并得到等比例的放大，从而大大提高了THz感光灵敏度。每个探测器探测到的信号电流各自从不同的端口(如图3的S1到S6)输出。把所有的信号电流都引出后连接到信号采集电路，在电子开关的作用下，信号采集电路将所采集的信号输入到A/D转换器，然后再存入存储器，最后成像于电子显示屏上，这样就可以获得一幅完整的二维THz图象。

Claims (11)

1.一种THz信号高灵敏度探测器与摄像头，其特征在于：使用单个光子晶体THz微腔来实现THz信号高灵敏度探测器。利用集成的光子晶体THz微腔面阵列构成阵列THz谐振腔，得到二维面阵THz信号探测器，可实现高灵敏度的实时摄像。
2.按权利要求1所述的THz信号高灵敏度探测器，其特征在于：光子晶体THz微腔用于接收和局域THz信号，并使之产生共振增强，在微腔中产生很高的场强，产生的热效应作用于微腔下面的半导体单元，使之产生电子空穴对。把载流子注入三极管基极，可使外电路产生信号电流，从而探测到THz波信号。
3.按权利要求1所述的THz信号高灵敏度摄像头，其特征在于：当THz波照射到阵列THz谐振腔上面时，每一个谐振腔相当于一个探测器，它们都会接收到特定位置、特定强度的THz光，这些信号会被局域在在微腔内并得到等比例的放大，从而大大提高了THz感光灵敏度。在光子晶体THz微腔面阵列的下面布置有同样数量的半导体单元和三极管单元，它们受到THz波的作用就会释放出电子空穴对，从而会产生信号电流，把信号电流引出后连接到信号采集电路，在电子开关的作用下，信号采集电路将所采集的信号输入到A/D转换器，然后再存入存储器，这样就获得了一幅完整的THz图象。
4.按权利要求1所述的THz信号高灵敏度探测器和摄像头，其特征在于：其组成部分的半导体单元可以是Si材料，也可以是GaAs或者其它的半导体材料。
5.按权利要求1所述的THz信号高灵敏度探测器和摄像头，其特征在于：可以把半导体单元因热效应而产生的载流子注入三极管基极，也可以是注入二极管PN结，再和外电路相连接。
6.按权利要求1所述的光子晶体THz微腔，其特征在于：高折射率介质为Si或GaAs，也可以是其它半导体材料，低折射率介质为空气，用陶瓷或蓝宝石作为基体，缺陷区通过改变介质折射率或介质棒的半径得到。
7.按权利要求1所述的光子晶体THz微腔，其特征在于：通过调节高低折射率介质的占空比、光子晶体的结构以及晶格常数等参数，可以使光子晶体微腔的缺陷模为THz波范围内的任何一个频率。
8.按权利要求1所述的光子晶体THz微腔，其特征在于：它可以是基于正方晶格、三角晶格、蜂窝结构晶格、准晶等其它任何结构制作的二维光子晶体微腔。
9.按权利要求1所述的光子晶体THz微腔，其特征在于：光子晶体的晶格常数和THz波长在同一个数量极，因此可以用刻蚀的技术制作光子晶体微腔，也可以通过机械打孔的方式制作光子晶体微腔。
10.按权利要求2和5所述的三极管和二极管，其特征在于：可通过扩散的方式在半导体单元上制作P区和N区，形成NPN结或PN结。
11.按权利要求1所述的THz信号高灵敏度探测器与摄像头，其特征在于：采用特殊的电路连接方法和偏置电压的调整可以消除背景THz噪声信号。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102323220A (zh) * 2011-05-31 2012-01-18 南京大学 提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统和检测方法
CN102680091A (zh) * 2012-06-12 2012-09-19 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种太赫兹波的高速探测方法及装置
CN103162839A (zh) * 2013-03-25 2013-06-19 南京大学 用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路
CN103529513A (zh) * 2013-09-24 2014-01-22 浙江工业大学 一种光子晶体微腔共振波长的调节方法
CN107064052A (zh) * 2017-04-26 2017-08-18 中国计量大学 一种基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法
CN109115718A (zh) * 2018-08-03 2019-01-01 首都师范大学 一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法以及装置
CN109887943A (zh) * 2019-03-05 2019-06-14 西安工业大学 选择性吸收增强的宽光谱多波段探测结构及其制备方法
CN113488558A (zh) * 2021-07-06 2021-10-08 中国科学院半导体研究所 一种红外探测器及其制备方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103367517B (zh) * 2012-03-31 2015-11-25 青岛博光电子有限公司 Si基GeMSM波导共振腔增强型光电探测器
US9000376B2 (en) * 2012-07-03 2015-04-07 Massachusettes Institute Of Technology Detection of electromagnetic radiation using nonlinear materials
US10514483B2 (en) 2016-10-13 2019-12-24 Massachusetts Institute Of Technology Time-of-flight camera for imaging through optical cavity
BR112022006013A2 (pt) * 2019-09-30 2022-07-12 Inspirity Ag Dispositivo e método para a determinação não inva-siva de analito
CN111323385B (zh) * 2020-03-03 2021-12-28 中国科学院物理研究所 一种太赫兹相机、太赫兹成像系统及应用
CN112747820B (zh) * 2020-12-23 2022-03-25 南京大学 一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器
CN116519626B (zh) * 2023-06-25 2023-09-19 中国工程物理研究院流体物理研究所 用于太赫兹光谱和成像测量系统的信号检测电路及系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7335908B2 (en) * 2002-07-08 2008-02-26 Qunano Ab Nanostructures and methods for manufacturing the same
WO2004051361A1 (en) * 2002-12-04 2004-06-17 Massachusetts Institute Of Technology Electro-magnetically induced transparency in photonic crystal cavities

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102323220A (zh) * 2011-05-31 2012-01-18 南京大学 提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统和检测方法
CN102680091A (zh) * 2012-06-12 2012-09-19 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种太赫兹波的高速探测方法及装置
CN103162839A (zh) * 2013-03-25 2013-06-19 南京大学 用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路
CN103529513A (zh) * 2013-09-24 2014-01-22 浙江工业大学 一种光子晶体微腔共振波长的调节方法
CN103529513B (zh) * 2013-09-24 2015-12-09 浙江工业大学 一种光子晶体微腔共振波长的调节方法
CN107064052A (zh) * 2017-04-26 2017-08-18 中国计量大学 一种基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法
CN107064052B (zh) * 2017-04-26 2019-12-27 中国计量大学 一种基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法
CN109115718A (zh) * 2018-08-03 2019-01-01 首都师范大学 一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法以及装置
CN109115718B (zh) * 2018-08-03 2020-10-13 首都师范大学 一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法以及装置
CN109887943A (zh) * 2019-03-05 2019-06-14 西安工业大学 选择性吸收增强的宽光谱多波段探测结构及其制备方法
CN113488558A (zh) * 2021-07-06 2021-10-08 中国科学院半导体研究所 一种红外探测器及其制备方法

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