RU153471U1

RU153471U1 - SMALL INTEGRATED THz Radiation Sensor

Info

Publication number: RU153471U1
Application number: RU2014142848/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2015-07-20

Abstract

1. Малогабаритный интегрированный датчик терагерцового диапазона, включающий в себя фокусирующий элемент, расположенный на диэлектрической, преимущественно полупроводниковой подложке, и интегрированный с ним чувствительный элемент, расположенный на тыльной стороне этой подложки в фокусе фокусирующего элемента, отличающийся тем, что фокусирующий элемент выполнен в виде спектрально-селективной диэлектрической частицы, формирующей фотонную тераструю при падении на нее излучения заданного спектрального диапазона.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диэлектрическая частица выполнена в виде кубоида с размерами, определяемыми из соотношения:где: k - коэффициент, равный 1.84, Н - высота кубоида, L - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n- относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды.1. A small-sized integrated terahertz range sensor, comprising a focusing element located on a dielectric, mainly semiconductor substrate, and an integrated sensor element located on the back of this substrate at the focus of the focusing element, characterized in that the focusing element is made in the form of a spectrally - a selective dielectric particle forming a photonic terastra when radiation of a given spectral range is incident on it. 2. The device according to claim 1, characterized in that the dielectric particle is made in the form of a cuboid with dimensions determined from the relation: where: k is a coefficient equal to 1.84, N is the cuboid height, L is the cuboid side length, λ is the wavelength of the incident wave front , n / n is the relative value of the refractive index of the material of the cuboid and the environment.

Description

Полезная модель относится к области детектирования дальнего инфракрасного и терагерцового излучения на основе интерференционных эффектов квазиоптического фокусирующего элемента, интегрированного с чувствительным элементом приемника излучения.The utility model relates to the field of detection of far infrared and terahertz radiation based on the interference effects of a quasi-optical focusing element integrated with a sensitive element of the radiation receiver.

В настоящее время наблюдается стойкая тенденция к миниатюризации устройств детектирования сигналов, особенно дальнего ИК и терагерцового диапазона, основанных на дифракционных и интерференционных принципах, и интегрированных в единый блок (ЧИП).Currently, there is a persistent trend towards miniaturization of signal detection devices, especially the far infrared and terahertz ranges, based on diffraction and interference principles, and integrated into a single unit (ChIP).

Известны датчики ИК диапазона, выполненные в виде единого элемента и включающий в себя дифракционный фокусирующий элемент, выполненный из концентрических круглых или квадратных ступенек разного радиуса (представляющий собой классические зонные пластины кругового или квадратного профиля), расположенного на полупроводниковой подложке, и интегрированного с ним чувствительного элемента в виде болометра, расположенного на тыльной стороне этой подложки в фокусе дифракционного фокусирующего элемента (Francisco Javier Gonza′lez, Javier Alda, Bojan Ilic, and Glenn D.Boreman. Infrared antennas coupled to lithographic Fresnel zone plate lenses // 20 November 2004, Vol. 43, No. 33, APPLIED OPTICS, 6067).Known infrared sensors made in the form of a single element and including a diffraction focusing element made of concentric round or square steps of different radius (representing the classic zone plate circular or square profile) located on a semiconductor substrate, and integrated with it a sensitive element in the form of a bolometer located on the back of this substrate at the focus of the diffraction focusing element (Francisco Javier Gonza′lez, Javier Alda, Bojan Ilic, and Glenn DB oreman, Infrared antennas coupled to lithographic Fresnel zone plate lenses // 20 November 2004, Vol. 43, No. 33, APPLIED OPTICS, 6067).

При этом дифракционный элемент выполнен в виде круглых концентрических ступенек, соответствующих классическим радиусам зон Френеля согласно выражению:The diffraction element is made in the form of round concentric steps corresponding to the classical radii of the Fresnel zones according to the expression:

где: i - номер зоны Френеля, λ - длина волны излучения, F - фокусное расстояние. При этом поскольку дифракционный элемент расположен на диэлектрической полупроводниковой подложке, при расчетах по (1) длина волны выбиралась равной λ,=λ₀/n, где λ₀ - длина волны в свободном пространстве (падающей на дифракционный элемент, n - показатель преломления материала диэлектрической полупроводниковой подложки.where: i is the number of the Fresnel zone, λ is the radiation wavelength, F is the focal length. Moreover, since the diffraction element is located on a dielectric semiconductor substrate, when calculating according to (1), the wavelength was chosen equal to λ, = λ ₀ / n, where λ ₀ is the wavelength in free space (incident on the diffraction element, n is the refractive index of the dielectric material semiconductor substrate.

С целью лучшего сопряжения технологий изготовления приемника (чувствительного элемента) дифракционный элемент также выполнялся в виде квадратных концентрических ступенек, в котором ширина квадратной зоны L_iопределялась согласно классическому выражению для «квадратной» зонной пластины Френеля:In order to better match the manufacturing techniques of the receiver (sensitive element), the diffraction element was also made in the form of square concentric steps, in which the width of the square zone L _{i was} determined according to the classical expression for the "square" Fresnel zone plate:

(Minin O.V., Minin I.V. Diffractive optics of millimeter waves. IOP Publisher, London, 2004, 396p.http://www.crcnetbase.eom/doi/book/l0.1201/9781420034486).(Minin O.V., Minin I.V. Diffractive optics of millimeter waves. IOP Publisher, London, 2004, 396p.http: //www.crcnetbase.eom/doi/book/l0.1201/9781420034486).

Недостатками известного датчика являются: невозможность работы в терагерцовом диапазоне, и значительные продольные габариты, определяемые, в основном, фокусным расстоянием дифракционного фокусирующего элемента и его диаметром. Так, толщина известного датчика, указанного выше, составляла 35.8 длин волн падающего излучения.The disadvantages of the known sensor are: the inability to work in the terahertz range, and significant longitudinal dimensions, determined mainly by the focal length of the diffractive focusing element and its diameter. So, the thickness of the known sensor indicated above was 35.8 wavelengths of incident radiation.

Известен интегрированный датчик терагерцового диапазона, выполненный в виде единого элемента и включающий в себя фокусирующий элемент, выполненный из концентрических круглых ступенек разного радиуса (представляющий собой классические зонные пластины кругового профиля), расположенного на полупроводниковой подложке, и интегрированного с ним чувствительного элемента в виде болометра, расположенного на тыльной стороне этой подложки в фокусе дифракционного фокусирующего элемента (L. Minkevičius, et al. “On-chip integration of laser-ablated zone plates for detection enhancement of InGaAs bow-tie terahertz detectors” // Electronics Letters, Volume 50, Issue 19, 11 September 2014, p. 1367-1369 DOI: 10.1049/el.2014.1893). Радиусы концентрических круглых ступенек (зон Френеля) так же соответствовали классическому выражению (1) (Room-temperature bow-tie terahertz detectors integrated with focusing optics // URL http://phys.org/archive/2014-09-Room-temperature-bow-tie-terahertz-detectors-integrated-with-focusing-optics.html.Known integrated terahertz range sensor, made in the form of a single element and including a focusing element made of concentric circular steps of different radius (representing the classic zone plate circular profile) located on a semiconductor substrate, and integrated with it a sensitive element in the form of a bolometer, located on the back of this substrate at the focus of the diffraction focusing element (L. Minkevičius, et al. “On-chip integration of laser-ablated zone plates for detection enhancement of InGaAs bow-tie terahertz detectors ”// Electronics Letters, Volume 50, Issue 19, 11 September 2014, p. 1367-1369 DOI: 10.1049 / el.2014.1893). The radii of the concentric round steps (Fresnel zones) also corresponded to the classical expression (1) (Room-temperature bow-tie terahertz detectors integrated with focusing optics // URL http://phys.org/archive/2014-09-Room-temperature- bow-tie-terahertz-detectors-integrated-with-focusing-optics.html.

Указанный датчик выбран в качестве прототипа.The specified sensor is selected as a prototype.

Известный датчик позволяет осуществить прием и детектирование сигналов в терагерцовом диапазоне, однако он имеет значительные габариты, определяемые, в основном, фокусным расстоянием дифракционного фокусирующего элемента и его диаметром. Так, толщина известного датчика согласно прототипа, составляла около 20 длин волн падающего излучения, а диаметр около 40 длин волн.The known sensor allows the reception and detection of signals in the terahertz range, however, it has significant dimensions, determined mainly by the focal length of the diffractive focusing element and its diameter. So, the thickness of the known sensor according to the prototype was about 20 wavelengths of incident radiation, and the diameter of about 40 wavelengths.

Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно значительное снижение габаритов датчика.The objective of this utility model is to eliminate these drawbacks, namely, a significant reduction in the size of the sensor.

Заявляемый малогабаритный интегрированный датчик террагерцового излучения, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных приемников террагерцового излучения с субволновыми размерами.The inventive small-sized integrated sensor of terahertz radiation, in addition, provides an actual extension of the instrument arsenal of modern receivers of terrahertz radiation with subwavelength dimensions.

Указанная задача достигается тем, что в интегрированном датчике терагерцового диапазона, включающего в себя фокусирующий элемент, расположенный на диэлектрической, преимущественно полупроводниковой подложке, и интегрированный с ним чувствительный элемент, расположенный на тыльной стороне этой подложки в фокусе фокусирующего элемента, фокусирующий элемент выполнен в виде спектрально-селективной диэлектрической частицы, формирующей фотонную тераструю при падении на нее излучения заданного спектрального диапазона.This task is achieved by the fact that in the integrated terahertz range sensor, which includes a focusing element located on a dielectric, mainly semiconductor substrate, and an integrated sensor element located on the back of this substrate in the focus of the focusing element, the focusing element is made in the form of a spectrally -selective dielectric particles forming a photonic terastra when radiation of a given spectral range is incident on it.

При этом диэлектрическая частица выполнена в виде кубоида с размерами, определяемыми из соотношения:In this case, the dielectric particle is made in the form of a cuboid with dimensions determined from the relation:

,

где: k - коэффициент, равный 1.84, H - высота кубоида, L - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n₀ - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды.where: k is a coefficient equal to 1.84, H is the cuboid height, L is the cuboid side length, λ is the wavelength of the incident wave front, n / n ₀ is the relative value of the refractive index of the cuboid material and the environment.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана концепция датчика террагерцового излучения, принятого за прототип. На фиг. 1 обозначено: 1 - дифракционный фокусирующий элемент, 2 - чувствительный элемента в виде болометра, расположенного на тыльной стороне подложки в фокусе 3 дифракционного фокусирующего элемента 1.In FIG. 1 shows the concept of a terrahertz radiation sensor adopted as a prototype. In FIG. 1 is indicated: 1 - diffraction focusing element, 2 - sensitive element in the form of a bolometer located on the back side of the substrate in focus 3 of the diffraction focusing element 1.

На фиг. 2 - схематически показан заявляемый малогабаритный интегрированный датчик терагерцового излучения. На фиг. 2 обозначены: 4 - фокусирующий элемент в виде диэлектрического куба, 5 - рабочая диэлектрическая подложка, преимущественно из полупроводникового материала, 2 - чувствительный элемент, 6 - фотонная тераструя.In FIG. 2 - schematically shows the inventive small-sized integrated sensor terahertz radiation. In FIG. 2 are designated: 4 - a focusing element in the form of a dielectric cube, 5 - a working dielectric substrate, mainly from a semiconductor material, 2 - a sensitive element, 6 - photon terastruya.

На фиг. 3 показаны результаты моделирования (подтвержденные экспериментом) формирования главного лепестка антенны (тераструи), формирование фотонной тераструи при падении плоского волнового фронта на диэлектрический кубоид. Моделирование произведено для датчика предназначенного для работы на частоте излучения равной 100 ГГц и коэффициента преломления материала кубоида равного 1.46. На этом же рисунке приведено распределение интенсивности электромагнитного поля вдоль оптической оси кубоида.In FIG. Figure 3 shows the simulation results (confirmed by experiment) of the formation of the main lobe of the antenna (terastruy), the formation of a photon terastruy when a plane wave front falls on a dielectric cuboid. The simulation was performed for a sensor designed to operate at a radiation frequency of 100 GHz and a refractive index of the cuboid material of 1.46. The same figure shows the distribution of the intensity of the electromagnetic field along the optical axis of the cuboid.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

Падающее излучение террагерцового диапазона попадает на фокусирующий элемент (диэлектрический кубоид) 4, в результате дифракции электромагнитной волны в его материале формируется система сходящихся волн, которые интерферируют между собой и формируют фотонную тераструю 6, которая фокусирует излучение на чувствительный элемент 2, например, в виде болометра, расположенного на тыльной стороне преимущественно полупроводниковой подложке 5.The incident radiation of the terrahertz range falls on the focusing element (dielectric cuboid) 4, as a result of the diffraction of the electromagnetic wave, a system of converging waves is formed in its material, which interfere with each other and form photon terastra 6, which focuses the radiation on the sensitive element 2, for example, in the form of a bolometer located on the back side of the predominantly semiconductor substrate 5.

Фокусирующий элемент 4, выполненный в виде, например, диэлектрического кубоида, обеспечивает эффективный вывод и фокусировку терагерцового излучения в фотонную тераструю в результате использования ее оптимальных геометрических характеристик и свойств диэлектрического материала линзы.The focusing element 4, made in the form of, for example, a dielectric cuboid, provides effective output and focusing of terahertz radiation into the photon terastra as a result of using its optimal geometric characteristics and properties of the dielectric material of the lens.

Диэлектрические частицы, формирующие фотонные струи, могут быть выполнены в виде сферических диэлектрических частиц с диаметром, сравнимым с длиной волны анализируемого излучения [Гейнц Ю.Э., Землянов Α.Α., Панина Е.К. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, №5. С. 417-424]. Однако интегрирование сферических частиц в конструкцию датчика технологически затруднено и практически не приемлемо.The dielectric particles forming photonic jets can be made in the form of spherical dielectric particles with a diameter comparable to the wavelength of the analyzed radiation [Heinz Yu.E., Zemlyanov Α.Α., Panina E.K. Comparative analysis of spatial forms of photonic jets from spherical dielectric microparticles // Atmospheric and Ocean Optics. 2012.Vol. 25, No. 5. S. 417-424]. However, the integration of spherical particles into the design of the sensor is technologically difficult and practically unacceptable.

Выполнение диэлектрических частиц, формирующих фотонные тераструи, в виде субволновых диэлектрических кубоидов определенного размера [V. Pacheco-Pena, Μ. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phvs. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4894243)1 позволяет упростить технологию их изготовления и обеспечить совместимость с другими микро- и нано-устройствами преимущественно террагерцового диапазона.The implementation of the dielectric particles forming photonic terastruy in the form of subwavelength dielectric cuboids of a certain size [V. Pacheco-Pena, Μ. Beruete, I.V. Minin, O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phvs. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4894243)1 allows you to simplify the technology of their manufacture and ensure compatibility with other micro- and nano-devices, mainly in the terrahertz range.

Для формирования фотонной струи, как показали исследования, оптимальные размеры диэлектрической кубической частицы должны находиться из соотношения:To form a photon jet, studies have shown that the optimal dimensions of a dielectric cubic particle must be found from the ratio:

,

где: k - коэффициент, равный 1.84, H - высота кубоида, L - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n₀ - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды (в данном случае - материала подложки).where: k is a coefficient equal to 1.84, H is the cuboid height, L is the length of the cuboid side, λ is the wavelength of the incident wave front, n / n ₀ is the relative value of the refractive index of the cuboid material and the environment (in this case, the substrate material) .

Характерной чертой диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи от падающего на них терагерцового излучения, является то, что они являются одновременно как фокусирующими устройствами, так и частотно-селективными. То есть из широкополосного терагерцового излучения, падающего на частицу, последней «вырезается» определенная частотная полоса, зависящая от свойств диэлектрической частицы, чем обеспечивается автоматическая помехозащищенность датчика терагерцового диапазона.A characteristic feature of dielectric particles forming photonic jets from terahertz radiation incident on them is that they are both focusing devices and frequency-selective. That is, from a broadband terahertz radiation incident on a particle, a certain frequency band, which depends on the properties of a dielectric particle, is “cut out” from the particle, which ensures automatic noise immunity of the terahertz range sensor.

Кроме того, размер диэлектрического кубоида, например, составляет примерно L, H=λ, поэтому размер апертуры диэлектрической антенны равен примерно длине волны падающего волнового фронта. То есть кубоиды в данном случае представляют собой ближнепольную терагерцовую антенну с субволновыми размерами, что позволяет уменьшить габариты заявляемого датчика по сравнению с известными (аналогами и прототипом) в 20…40 раз.In addition, the size of the dielectric cuboid, for example, is approximately L, H = λ, therefore, the size of the aperture of the dielectric antenna is approximately equal to the wavelength of the incident wavefront. That is, the cuboids in this case are a near-field terahertz antenna with sub-wave dimensions, which allows to reduce the dimensions of the claimed sensor in comparison with the known (analogs and prototype) by 20 ... 40 times.

Техническим результатом является значительное снижение габаритов датчика.The technical result is a significant reduction in the size of the sensor.

Заявляемый малогабаритный интегрированный датчик террагерцового излучения представляет собой усовершенствованный датчик, который, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных субволновых датчиков терагерцового излучения субволнового размера.The inventive small-sized integrated sensor of terahertz radiation is an improved sensor, which, in addition, provides an actual extension of the instrument arsenal of modern sub-wave sensors of terahertz radiation of sub-wave size.

Claims

1. A small-sized integrated terahertz range sensor, comprising a focusing element located on a dielectric, mainly semiconductor substrate, and an integrated sensor element located on the back of this substrate at the focus of the focusing element, characterized in that the focusing element is made in the form of a spectrally -selective dielectric particles forming a photonic terastra when radiation of a given spectral range is incident on it.

2. The device according to p. 1, characterized in that the dielectric particle is made in the form of a cuboid with dimensions determined from the ratio:

where: k is a coefficient equal to 1.84, H is the cuboid height, L is the length of the cuboid side, λ is the wavelength of the incident wave front, n / n ₀ is the relative value of the refractive index of the cuboid material and the environment.