ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ДАТЧИК ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к области детектирования дальнего инфракрасного и террагерцового 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, 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.
Недостатками известного датчика являются: невозможность работы в терагерцовом диапазоне, невозможность оптимизации сопряжения размеров фокального пятна, формируемого дифракционным фокусирующим элементом и чувствительного элемента.
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).
Указанный датчик выбран в качестве прототипа.
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.
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.
Указанная задача достигается тем, что
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,
i
при этом радиусы концентрических круглых ступенек r, определяются по выражению:
0
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.
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.
i
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.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
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.
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).
0
0
i
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 r (фиг. 3) эквивалентно введению дополнительного фазового сдвига φ. Следуя этим рассуждениям, из геометрических соображений легко получить выражение для концентрических ступенек радиуса r в случае падения плоского волнового фронта на дифракционный элемент:
0
0
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. Варьируя параметр дополнительного фазового сдвига φможно 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).
Техническим результатом является улучшение сопряжения размеров фокального пятна фокусирующего элемента и интегрированного с ним чувствительного элемента при повышении чувствительности и снижения шумов.