МАЛОГАБАРИТНЫЙ ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ДАТЧИК ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области детектирования дальнего инфракрасного и терагерцового излучения на основе интерференционных эффектов квазиоптического фокусирующего элемента, интегрированного с чувствительным элементом приемника излучения.
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).
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).
При этом дифракционный элемент выполнен в виде круглых концентрических ступенек, соответствующих классическим радиусам зон Френеля согласно выражению:
0
0
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,=λ/n, где λ - длина волны в свободном пространстве (падающей на дифракционный элемент, n - показатель преломления материала диэлектрической полупроводниковой подложки.
i
С целью лучшего сопряжения технологий изготовления приемника (чувствительного элемента) дифракционный элемент также выполнялся в виде квадратных концентрических ступенек, в котором ширина квадратной зоны Lопределялась согласно классическому выражению для «квадратной» зонной пластины Френеля:
(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.
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.
Указанный датчик выбран в качестве прототипа.
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.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно значительное снижение габаритов датчика.
Заявляемый малогабаритный интегрированный датчик террагерцового излучения, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных приемников террагерцового излучения с субволновыми размерами.
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.
При этом диэлектрическая частица выполнена в виде кубоида с размерами, определяемыми из соотношения:
,
0
где: k - коэффициент, равный 1.84, H - высота кубоида, L - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды.
Полезная модель поясняется чертежами.
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.
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.
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.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
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.
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.
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.
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.
Для формирования фотонной струи, как показали исследования, оптимальные размеры диэлектрической кубической частицы должны находиться из соотношения:
,
0
где: k - коэффициент, равный 1.84, H - высота кубоида, L - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды (в данном случае - материала подложки).
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.
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.
Техническим результатом является значительное снижение габаритов датчика.
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.