RU155174U1 - INTEGRATED THz RANGE SENSOR - Google Patents

Abstract

Интегрированный датчик терагерцового диапазона, включающий в себя дифракционный фокусирующий элемент, выполненный из концентрических круглых ступенек разного радиуса и расположенный на диэлектрической подложке, и интегрированный с ним чувствительный элемент, расположенный на тыльной стороне этой подложки в фокусе дифракционного фокусирующего элемента, отличающийся тем, что дифракционный фокусирующий элемент выполнен в виде плоского амплитудно-фазового корректора на одну из поверхностей которого нанесены выше упомянутые концентрические круглые ступеньки, ширина и высота которых обеспечивает дискретную коррекцию фазы от 0° до 360° в заданном рабочем диапазоне длин волн, при этом радиусы концентрических круглых ступенек r, определяются по выражению:где: i - номер зоны Френеля, λ - длина волны излучения в свободном пространстве, F - фокусное расстояние, n - показатель преломления материала диэлектрической полупроводниковой подложки, φ- дополнительный фазовый сдвиг, оптимизирующий сопряжения размеров фокального пятна фокусирующего элемента и интегрированного с ним чувствительного элемента.An integrated terahertz range sensor including a diffraction focusing element made of concentric circular steps of different radius and located on a dielectric substrate, and an integrated sensor element located on the back of this substrate at the focus of the diffraction focusing element, characterized in that the diffraction focusing element the element is made in the form of a flat amplitude-phase corrector on one of the surfaces of which the above-mentioned concentra circular round steps, the width and height of which provides a discrete phase correction from 0 ° to 360 ° in a given working range of wavelengths, while the radii of concentric round steps r, are determined by the expression: where: i is the Fresnel zone number, λ is the radiation wavelength in free space, F is the focal length, n is the refractive index of the material of the dielectric semiconductor substrate, φ is the additional phase shift, which optimizes the conjugation of the sizes of the focal spot of the focusing element and the integrated sensor Tweet item.

Description

Полезная модель относится к области детектирования дальнего инфракрасного и террагерцового 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, 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, 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 is in focus of the diffraction focusing element (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).

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, in calculations 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 material of the dielectric semiconductor the substrate.

Недостатками известного датчика являются: невозможность работы в терагерцовом диапазоне, невозможность оптимизации сопряжения размеров фокального пятна, формируемого дифракционным фокусирующим элементом и чувствительного элемента.The disadvantages of the known sensor are: the inability to work in the terahertz range, the inability to optimize the conjugation of the sizes of the focal spot formed by the diffractive focusing element and the sensitive element.

Известен интегрированный датчик терагерцового диапазона (фиг. 1), включающий в себя дифракционный фокусирующий элемент 1, 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 2, расположенного на тыльной стороне этой подложки в фокусе 3 дифракционного фокусирующего элемента 1 (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, на фиг. 1 показана концепция указанного датчика).Known integrated terahertz range sensor (Fig. 1), including a diffraction focusing element 1 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 2 located on the back side of this substrate at focus 3 of the diffraction focusing element 1 (L. Minkevičius, et al. "On-chip integration of laser-ablated zone plates for detection enhancement of InGaAs bow-tie teraher tz 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, Fig. 1 shows the concept of this sensor).

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 в нем невозможно осуществить оптимизацию сопряжения размеров фокального пятна, формируемого дифракционным фокусирующим элементом и интегрированного с ним чувствительного элемента. Кроме того, в известном датчике невозможно корректировать уровень боковых лепестков рассеяния, определяющих, в частности, шумовые характеристики датчика.The known sensor allows the reception and detection of signals in the terahertz range, however, it is impossible to optimize the conjugation of the sizes of the focal spot formed by the diffraction focusing element and integrated with it a sensitive element. In addition, in the known sensor it is impossible to adjust the level of the side scattering lobes, which determine, in particular, the noise characteristics of the sensor.

Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно улучшение сопряжения размеров фокального пятна фокусирующего элемента и интегрированного с ним чувствительного элемента при повышении чувствительности и снижения шумов.The objective of this utility model is to eliminate these drawbacks, namely, improving the conjugation of the focal spot sizes of the focusing element and the sensitive element integrated with it with increasing sensitivity and reducing noise.

Указанная задача достигается тем, чтоThis task is achieved by the fact that

Интегрированный датчик терагерцового диапазона, включающий в себя дифракционный фокусирующий элемент, выполненный из концентрических круглых ступенек разного радиуса и расположенный на диэлектрической подложке, и интегрированный с ним чувствительный элемент, расположенный на тыльной стороне этой подложки в фокусе дифракционного фокусирующего элемента, согласно полезной модели дифракционный фокусирующий элемент выполнен в виде плоского амплитудно-фазового корректора на одну из поверхностей которого нанесены выше упомянутые концентрические круглые ступеньки, ширина и высота которых обеспечивает дискретную коррекцию фазы от 0° до 360° в заданном рабочем диапазоне длин волн,An integrated terahertz range sensor, including a diffraction focusing element made of concentric round steps of different radii and located on a dielectric substrate, and an integrated sensor element located on the back of this substrate at the focus of the diffraction focusing element, according to a useful model, the diffraction focusing element made in the form of a flat amplitude-phase corrector on one of the surfaces of which the above-mentioned conc ntricheskie circular steps, the width and height of which provides a discrete phase correction by 0 ° to 360 ° in a predetermined operating wavelength range,

при этом радиусы концентрических круглых ступенек r_i, определяются по выражению:the radii of the concentric round steps r _i are determined by the expression:

где: i - номер зоны Френеля, λ - длина волны излучения в свободном пространстве, F - фокусное расстояние, n - показатель преломления материала диэлектрической полупроводниковой подложки, φ₀ - дополнительный фазовый сдвиг, оптимизирующий сопряжения размеров фокального пятна фокусирующего элемента и интегрированного с ним чувствительного элемента.where: i is the Fresnel zone number, λ is the radiation wavelength in free space, F is the focal length, n is the refractive index of the material of the dielectric semiconductor substrate, φ ₀ is the additional phase shift, which optimizes the conjugation of the sizes of the focal spot of the focusing element and the integrated sensitive element item.

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

На фиг. 1 показана концепция датчика террагерцового излучения, принятого за прототип.In FIG. 1 shows the concept of a terrahertz radiation sensor adopted as a prototype.

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 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 показан ход лучей, поясняющий принцип построения дифракционного фокусирующего элемента, на фиг. 3 показан дифракционный фокусирующий элемент, выполненный в виде концентрических круглых ступенек разного радиуса r_i.In FIG. 2 shows a ray path explaining the principle of constructing a diffractive focusing element; 3 shows a diffraction focusing element made in the form of concentric round steps of different radius r _i .

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

Падающее излучение террагерцового диапазона попадает на дифракционный фокусирующий элемент 1, в результате дифракции на концентрической структуре дифракционного элемента формируется система сходящихся волн, которые интерферируют между собой и суммируются (фокусируются) в фокусе 3 дифракционного элемента, где расположен чувствительный элемента 2, например, в виде болометра.The incident radiation of the terrahertz range falls on the diffraction focusing element 1, as a result of diffraction on the concentric structure of the diffraction element, a system of converging waves is formed that interfere with each other and summarize (focus) in the focus 3 of the diffraction element, where the sensitive element 2 is located, for example, in the form of a bolometer .

Однако задача синтеза амплитудно-фазового профиля даже простейшего элемента, например, зонной пластины Френеля (как было использовано в известных аналогах и прототипа), не имеет единственного решения. Существует еще один (кроме увеличения числа уровней квантования фазы) свободный параметр элементов дифракционной квазиоптики, выбором которого можно регулировать функцию распределения интенсивности поля в заданной области пространства. Для простоты пояснения рассмотрим фокусировку монохроматического излучения от точечного источника в точку с помощью плоского дифракционного элемента. Принцип действия дифракционных фокусирующих элементов основан на конструктивной интерференции сходящихся волн при дифракции падающей на элемент волны. Структуру зон на его поверхности легко получить из рассмотрения линии равных фаз, фиг. 2, представляющих собой эллипсы (Minin O.V., Minin I.V. Diffractive optics of millimeter waves. IOP Publisher, London, 2004, 396 p. http://www.crcnetbase.com/doi/book/10.1201/9781420034486).However, the task of synthesizing the amplitude-phase profile of even the simplest element, for example, the Fresnel zone plate (as was used in the known analogues and prototype), does not have a unique solution. There is one more (in addition to increasing the number of phase quantization levels) free parameter of the elements of diffraction quasi-optics, the choice of which allows you to adjust the distribution function of the field intensity in a given region of space. For ease of explanation, let us consider the focusing of monochromatic radiation from a point source to a point using a plane diffraction element. The principle of operation of diffractive focusing elements is based on the constructive interference of converging waves during diffraction of a wave incident on an element. The structure of the zones on its surface can be easily obtained from a consideration of the line of equal phases, FIG. 2, representing ellipses (Minin O.V., Minin I.V. Diffractive optics of millimeter waves. IOP Publisher, London, 2004, 396 p. Http://www.crcnetbase.com/doi/book/10.1201/9781420034486).

Очевидно, что для обеспечения фокусировки излучения в точке Ф необходимо (для бинарного элемента), чтобы разность эйконалов между падающим и дифрагировавшим лучами

и

была кратна λ/2, (см. фиг. 2). Поскольку фазовый сдвиг между соседними зонами противоположен по знаку, то зоны через одну выполняются непрозрачными. На основе этого принципа до сих пор строились практически все известные бинарные дифракционные фокусирующие элементы. С другой стороны, центральная зона дифракционного элемента может быть как прозрачной, так и непрозрачной для падающего излучения. В последнем случае условие синфазности излучения в точке Ф запишется по другому: разность эйконалов между лучами

и

должна быть кратна λ/2 (см. фиг. 2). Из фиг. 2 очевидно, что в этом случае размер центральной непрозрачной зоны

может быть выбран произвольным. Легко видеть, что целесообразно выбирать

, поскольку иначе будут наблюдаться эффекты типа аподизации. Аналогичные рассуждения нетрудно провести для других типов дифракционных фокусирующих элементов, в частности фазоинверсных. Легко видеть, что введение т.н. опорного радиуса r₀ (фиг. 3) эквивалентно введению дополнительного фазового сдвига φ₀. Следуя этим рассуждениям, из геометрических соображений легко получить выражение для концентрических ступенек радиуса r_i в случае падения плоского волнового фронта на дифракционный элемент:Obviously, to ensure focusing of radiation at the point Ф it is necessary (for a binary element) that the eikonal difference between the incident and diffracted rays

and

was a multiple of λ / 2, (see Fig. 2). Since the phase shift between neighboring zones is opposite in sign, the zones through one are opaque. Almost all known binary diffraction focusing elements have been built on the basis of this principle so far. On the other hand, the central zone of the diffraction element can be both transparent and opaque to the incident radiation. In the latter case, the condition for the phase matching of the radiation at the point Ф will be written differently: the difference of eikonal between the rays

and

must be a multiple of λ / 2 (see Fig. 2). From FIG. 2 it is obvious that in this case the size of the central opaque zone

can be chosen arbitrary. Easy to see what makes sense

, since otherwise effects like apodization will be observed. Similar reasoning is not difficult to carry out for other types of diffraction focusing elements, in particular, phase-inverse ones. It is easy to see that the introduction of the so-called reference radius r ₀ (Fig. 3) is equivalent to introducing an additional phase shift φ ₀ . Following these considerations, from geometric considerations it is easy to obtain the expression for concentric steps of radius r _i in the case of a plane wave front incident on the diffraction element:

где: i - номер зоны Френеля, λ - длина волны излучения в свободном пространстве, F - фокусное расстояние, n - показатель преломления материала диэлектрической полупроводниковой подложки, φ₀ - дополнительный фазовый сдвиг, оптимизирующий сопряжения размеров фокального пятна фокусирующего элемента и интегрированного с ним чувствительного элемента. Варьируя параметр дополнительного фазового сдвига φ₀ можно изменять пространственную частоту следования концентрических ступенек и, вследствие конструктивной и деструктивной интерференции в заданной точке оптимизировать параметры фокусировки дифракционного элемента. Так, например, можно снизить уровень боковых максимумов рассеяния в распределении интенсивности поля в фокусе дифракционного элемента, что снижает шумы на чувствительном элементе (Minin O.V., Minin I.V. Diffractive optics of millimeter waves. IOP Publisher, London, 2004, 396 p. http://www.crcnetbase.com/doi/book/10.1201/9781420034486).where: i is the Fresnel zone number, λ is the radiation wavelength in free space, F is the focal length, n is the refractive index of the material of the dielectric semiconductor substrate, φ ₀ is the additional phase shift, which optimizes the conjugation of the sizes of the focal spot of the focusing element and the integrated sensitive element item. By varying the parameter of the additional phase shift φ _0, it is possible to change the spatial repetition rate of the concentric steps and, due to the constructive and destructive interference at a given point, optimize the focusing parameters of the diffraction element. For example, it is possible to reduce the level of lateral scattering maxima in the distribution of the field intensity at the focus of the diffraction element, which reduces the noise on the sensitive element (Minin OV, Minin IV Diffractive optics of millimeter waves. IOP Publisher, London, 2004, 396 p. Http: / /www.crcnetbase.com/doi/book/10.1201/9781420034486).

Техническим результатом является улучшение сопряжения размеров фокального пятна фокусирующего элемента и интегрированного с ним чувствительного элемента при повышении чувствительности и снижения шумов.The technical result is to improve the conjugation of the sizes of the focal spot of the focusing element and the sensitive element integrated with it with increasing sensitivity and reducing noise.

Claims (1)

Интегрированный датчик терагерцового диапазона, включающий в себя дифракционный фокусирующий элемент, выполненный из концентрических круглых ступенек разного радиуса и расположенный на диэлектрической подложке, и интегрированный с ним чувствительный элемент, расположенный на тыльной стороне этой подложки в фокусе дифракционного фокусирующего элемента, отличающийся тем, что дифракционный фокусирующий элемент выполнен в виде плоского амплитудно-фазового корректора на одну из поверхностей которого нанесены выше упомянутые концентрические круглые ступеньки, ширина и высота которых обеспечивает дискретную коррекцию фазы от 0° до 360° в заданном рабочем диапазоне длин волн, при этом радиусы концентрических круглых ступенек r_i, определяются по выражению:An integrated terahertz range sensor including a diffraction focusing element made of concentric circular steps of different radius and located on a dielectric substrate, and an integrated sensor element located on the back of this substrate at the focus of the diffraction focusing element, characterized in that the diffraction focusing element the element is made in the form of a flat amplitude-phase corrector on one of the surfaces of which the above-mentioned concentrator is applied circular round steps, the width and height of which provides a discrete phase correction from 0 ° to 360 ° in a given operating wavelength range, while the radii of concentric round steps r _i are determined by the expression:

где: i - номер зоны Френеля, λ - длина волны излучения в свободном пространстве, F - фокусное расстояние, n - показатель преломления материала диэлектрической полупроводниковой подложки, φ₀ - дополнительный фазовый сдвиг, оптимизирующий сопряжения размеров фокального пятна фокусирующего элемента и интегрированного с ним чувствительного элемента.

where: i is the Fresnel zone number, λ is the radiation wavelength in free space, F is the focal length, n is the refractive index of the material of the dielectric semiconductor substrate, φ ₀ is the additional phase shift, which optimizes the conjugation of the sizes of the focal spot of the focusing element and the integrated sensitive element item.

Images