长波碲镉汞集成偏振探测器的设计

林国画,李燕兰,张 磊,张 璐,邢艳蕾

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

红外探测器经历了从单元到长线列、大面阵的发展,随着工艺的成熟、成本的降低,目前已大量应用于军民领域。在红外探测器大量使用的过程中,由于应用环境的日渐复杂,单一的红外辐射强度成像已不能完全满足对目标地准确识别,需要突破传统的探测模式,将红外探测器由单一的辐射强度探测发展成为多功能探测器,提高其综合信息感知能力,以适应新的发展需求。

众所周知,自然界中的电磁波具有偏振性,从紫外到红外波段,物体有着不同的偏振度。美国York大学在0.185～1.0 μm波长范围内对目标的偏振特性进行了测量,如表1所示,从表中的数据可以看出,人造物比自然物表现出更高的偏振度,在偏振成像中,可以利用这个现象来提高目标的对比度、抑制背景杂波,降低对目标的误报率。

表1 目标的偏振特性Tab.1 Polarization characteristics of targets

美国、荷兰等国家制备了短波、中波、长波红外偏振成像装置,进行了24 h的探雷试验、机载红外超光谱飞行试验、不同材料的偏振光谱试验及伪装探测试验等,验证了红外偏振探测在视觉对比度上的优势,但这些红外偏振成像装置的偏振器均外置,体积大、功耗高,如果将偏振功能集成到红外探测器中,则可以大大减小系统的体积、功耗,满足不同的偏振成像需求。针对这个需求,国内外相关研制单位进行了集成红外偏振探测器的开发,本文简要介绍了在碲镉汞长波320×256集成偏振探测器的开发过程中的相关设计工作。

2 集成碲镉汞长波320×256偏振探测器的设计

2.1 结构设计

碲镉汞长波320×256探测器是在碲锌镉衬底上外延碲镉汞薄膜,形成碲镉汞芯片,然后碲镉汞芯片与读出电路通过铟柱互连后形成混成芯片[1],芯片的中心间距为30 μm,红外辐射从碲锌镉衬底背面入射。集成碲镉汞长波320×256偏振探测器是在碲镉汞混成芯片的背面设计偏振结构,如图1所示,偏振结构采用金属线光栅,根据斯托克斯矢量[2],设计了0°、45°、90°、135°四个偏振态,四个偏振态周期排列,与长波320×256混成芯片的像元一一对应。

图1 集成碲镉汞偏振芯片示意图Fig.1 Integrated HgCdTe polarization chip schematic

2.2 偏振结构性能设计

碲镉汞长波320×256偏振探测器的偏振结构采用一维亚波长金属光栅,当光栅周期小于入射辐射波长时,一维亚波长金属光栅表现出强烈的偏振相关特性。当外界的红外辐射入射到碲镉汞探测器背面的偏振结构时,不同偏振态的光栅读取景物的偏振信息,偏振信息经过碲镉汞探测器的光电转换,由读出电路输出,提供偏振成像所需的信号。

偏振光栅的设计直接影响到集成偏振探测器的性能,对一维亚波长金属光栅,按照入射光偏振方向与光栅栅条的关系,可分为TM 偏振光(偏振方向与光栅栅条垂直)和TE 偏振光(偏振方向与光栅栅条平行),对于TM光金属栅条等效于介质层,光波能顺利通过,对于TE光金属栅条等效于金属层,TE偏振光被金属栅条反射,TM 偏振光和TE 偏振光的透射率及二者的比值(消光比)[3],可有效反映金属光栅在偏振方面的性能。其中,透射率反映光栅对光能的利用率,消光比反映光栅偏振性能的强弱。不同材料的金属光栅具有不同的偏振透射率和消光比,因此,选择合适的光栅金属材料是集成偏振结构设计的首要问题。

偏振光栅金属膜层材料的选择对偏振性能的影响是一个较为基础的工作,红外波段的金属光栅材料设计可参考的数据较少。在本文介绍的长波红外金属线偏振光栅设计中,选择了以金、铬为偏振光栅的主要材料,不同材料分层叠加,形成偏振光栅的金属层,如图2所示。

图2 偏振光栅结构Fig.2 Polarization grating structure

影响偏振光栅性能的参数包括高度、周期、占空比等,光栅参数设计的过程是一个光栅性能优化的过程,最终要保证偏振光栅有较高的透过率和消光比,同时在工艺上具有较好的可实现性。设计中,保持偏振光栅周期、占空比不变,改变光栅的高度,偏振光栅在4～10 μm的仿真结果如图3所示。在图3中,三条曲线分别代表偏振光栅的高度在0.5 μm、0.7 μm、1 μm时,透过率及消光比的变化趋势,从图中可以看出,随着高度的增加,透过率和消光比均变大。对偏振光栅的其他参数进行设计,设计结果显示,在光栅高度、占空比不变的情况下,随着光栅周期减小,透过率和消光比均变大；在高度、周期不变的情况下,随着占空比变大,透过率呈减小、消光比呈增加的趋势。

(a)透过率

2.3 偏振结构设计验证

针对集成碲镉汞长波320×256偏振结构的设计进行了相应的设计验证。

在偏振光栅高度<0.7 μm、周期<2.4 μm、占空比<0.65的情况下,选择了一组金、铬为主要材料的偏振光栅的设计参数,其光栅透过率、消光比在4～10 μm随波长的变化如图4所示,从图中可以看出,在8 μm处,光栅透过率设计值大于40 %、消光比设计值超过300。

针对上述设计,在碲锌镉衬底上制备了相应的偏振结构,经过测试,光栅透过率、消光比随波长的变化如图5所示,从图中可以看出,随着波长变长,光栅透过率及消光比均变大,与设计相符,在8 μm处,光栅透过率接近20 %、消光比接近150,比设计值均有所下降,而且在8 μm处呈现出一个突变,分析原因主要有:(1)偏振光栅制备中存在工艺误差,实际制备出来的光栅与设计的光栅在形貌、数值上均有差异,不能完全把设计性能体现出来；(2)测试过程中设备未采取抑制噪声措施,存在一定的噪声干扰,这些都是后续需要深入研究、加以改进和提高的方面。

(a)透过率

(a)透过率 (b)消光比

3 集成碲镉汞长波320×256偏振探测器组件的测试及成像

对集成碲镉汞长波320×256偏振探测器的偏振结构进行了设计及验证后,按照上述设计对已经制备的碲镉汞长波320×256混成芯片进行衬底减薄[4],减薄后采用磁控溅射[5]设备进行偏振光栅金属层的生长,然后进行光刻、刻蚀工艺,制备出具有0°、45°、90°、135°四个不同偏振态的偏振光栅,如图6所示,在扫描电镜下观察,偏振光栅的形貌、尺寸接近设计值。

图6 扫描电镜下观察的LW320X256碲镉汞集成偏振光栅Fig.6 LW320X256 HgCdTe integrated Polarization grating observed under SEM

将制备的集成碲镉汞长波320×256偏振探测器芯片(如图7)封装为微杜瓦组件,在红外探测器组件偏振测试平台上进行测试,测试中所用的红外起偏偏振器消光比为7000:1、在长波段的透过率>75 %。

图7 集成碲镉汞长波320×256偏振探测器实物图Fig.7 Integrated HgCdTe LW320×256 polarization detector physical map

由于红外集成偏振探测器组件加入了偏振结构,辐射能量减小了50 %以上,使探测器芯片的响应变弱,在组件测试过程中,为了保证一定的信号强度,采取了加长积分时间的方式。经过测试,得到偏振探测器0°、45°、90°、135°四个偏振态的响应曲线,如图8所示,从响应的幅度看,四个偏振态的响应幅度有三个方向一样,另外一个方向稍小,而从计算结果看,四个偏振态的消光比均可以达到70以上,说明制备工艺相对较好。

对制备的集成碲镉汞长波320×256偏振探测器组件进行了成像演示试验,试验截取的图像如图9所示,图像中间是一只透明玻璃杯,图像左侧是一个长吊带的奖牌,从图像中可以看出,虽然使用的试验芯片性能较差、图像未经去噪声、融合等处理,但玻璃杯的外形轮廓非常明显,长吊带的奖牌中吊带和奖牌的纹路也可以简单识别出来,显示了集成碲镉汞长波320×256偏振探测器对物体轮廓良好的识别效果,也验证了本文所介绍的设计方向是可行的。

图8 集成碲镉汞长波320×256偏振组件四个偏振态响应曲线Fig.8 Response curves the four polarization states of Integrated HgCdTe LW320×256 Polarization DDA

图9 集成碲镉汞长波320×256偏振探测器组件成像图Fig.9 Integrated HgCdTe LW320×256 polarization DDA imaging diagram

4 结 论

将偏振探测的功能集成到碲镉汞红外探测器中,是提高碲镉汞红外探测器的识别能力、拓展其用途的一个发展方向,本文介绍的集成碲镉汞长波320×256偏振探测器的设计,是开发此类探测器的一个初步的研制结果,设计中,采用以金、铬为主的多种金属材料设计偏振光栅,偏振光栅在长波段的透过率可以超过75 %、消光比可以达到上千的数值,偏振性能设计值非常好,但在实际验证的过程中,由于设备、工艺的限制,可实现的设计值大打折扣,后续需要在光栅金属材料选择、设计值的工艺实现方面做更多、更细致的工作,找到集成碲镉汞长波320×256偏振探测器设计的更优结果,为用户提供性能优良的集成碲镉汞红外偏振探测器组件。