專利名稱:THz信號高靈敏度探測器與攝像頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高靈敏度的的THz信號探測器與攝像頭，特別涉及采用光子晶體的THz信號高靈敏度探測器與攝像頭。
背景技術：
THz波通常指的是頻率在100GHz～10THz(30μm～3mm)區(qū)間的電磁輻射，其波段位于微波和紅外光之間。由于以前缺乏有效的THz產生和檢測方法，人們對該波段電磁輻射性質的了解非常有限，以致于長期以來該波段被稱為電磁波譜中的“THz空隙”。近十幾年來，超快激光技術的迅速發(fā)展，為THz脈沖的產生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，促進了THz波輻射的機理研究、檢測技術和應用技術的蓬勃發(fā)展。
THz脈沖光源與傳統(tǒng)光源相比具有很多獨特的性質(a)THz脈沖的脈寬約為0.1～10ps量級，，不但可以進行亞皮秒時間分辨的瞬態(tài)光譜研究，而且通過取樣門測量技術，能夠有效地防止背景輻射噪聲的干擾。目前，對THz波強度測量的信噪比可大于104。
(b)THz脈沖源通常只包含若干個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz直到幾十THz的范圍。
(c)可以利用THz波激光器發(fā)射的具有很高的時間和空間相干性的THz波作為攝像光源，從而可以同時獲得其帶寬覆蓋的各頻率分量的振幅和位相、而無需借助于克雷梅斯一克羅尼格(Kramers-Kronig)關系進行后期處理，而通常的光學技術是無法做到這一點的。
(d)THz波光子的能量只有毫電子伏特，因此不容易破壞被檢測的物質，從而可以進行無損檢測。
THz波作為一種新型遠紅外相干光源，目前主要的應用集中在兩個方面，即THz波時域光譜分析技術和THz波成像技術，可能的應用包括各種固體尤其是半導體的THz時間分辨光譜測量，THz波醫(yī)學成像，生物分子構象的THz波時域光譜分析，無標記DNA分子探測，THz波顯微成像等。
目前的THz光譜和成像技術中THz波的掃描延遲系統(tǒng)主要采用機械掃描或電動平移臺進行掃描，實現時間延遲的時域光譜測量和逐點掃描成像。這種方法的一個缺點是有一個掃描上限，掃描時間太慢，觀測光譜信息不夠及時，時空分辨率都很低，難以做到實時成像。另外，由于掃描速度太慢，屬于慢掃描時間延遲測量，從而不能很有效地抑制熱背景噪聲。這使得THz成像技術無法在實際中獲得應用，例如，在海關檢查或者保密場所的安全檢查中都需要立即獲得圖象信號，這就要求發(fā)展實用化的THz的探測器和攝像頭。
另外，目前大多數THz探測和成像技術都是使用電光調制元件來實現的，這也阻礙了THz探測器和攝像頭向集成化的方向發(fā)展。
專利號為03116029.8的文獻《太赫茲波二維電光面陣成像方法》介紹了一種二維面陣電光晶體的THz信號探測器，雖然它有著較高的時空分辨率和信噪比，能實現一次成像，但是其探測靈敏度不高，對小功率的THz信號探測能力比較差。

發(fā)明內容本發(fā)明針對上述技術的不足和缺陷，提供了一種利用光子晶體微腔來制作可實用化的THz信號高靈敏度探測器與攝像頭的方法。首先，使用半導體材料制作一個晶格常數等于THz波長量級的光子晶體，通過改變其中一介質棒的尺寸，形成缺陷，制作成光子晶體THz微腔。調節(jié)晶格常數和缺陷的大小，可以使缺陷模為我們所需要的任何一個THz范圍的頻率。
THz信號高靈敏度探測器是通過單個光子晶體THz微腔來接收和局域THz信號，使之在微腔內諧振并放大，因此微腔中具有很高的場強，由它產生的熱效應作用于微腔下面的半導體單元，使之產生電子空穴對。把載流子注入三極管基極，可使外電路產生信號電流，信號電流和THz的強度是成正比的，從而可以探測到THz波信號。
把許多這樣的光子晶體THz微腔集成為一個面陣列，構成陣列THz諧振腔，相當于構成了一個THz信號高靈敏度探測器面陣列，當THz波照射到它上面時，每一個諧振腔都會接收到特定位置、特定強度的THz光，在每個腔內都會存在與所在位置的THz照射強度相關的THz信號，并且這些信號會被局域在在微腔內并得到等比例的放大，從而大大提高了THz感光靈敏度。在光子晶體THz微腔面陣列的下面布置有同樣數量的硅單元(也可以用GaAs，或者其它半導體材料)和三極管(或二極管)單元，這些單元受到THz波的作用就會釋放出電子空穴對，并產生信號電流，把信號電流引出后連接到信號采集電路，在電子開關的作用下，信號采集電路將所采集的信號輸入到D/A轉換器，然后再存入存儲器，這樣就可以獲得一幅完整的THz圖象。一幅THz圖象的獲取時間與常見的數碼照相機的時間是相同的，因此可以實現較高速度的攝影/攝像。
利用THz波攝像的另一個主要問題是，在常溫環(huán)境下的自然環(huán)境中存在大量的THz背景輻射噪聲，要克服這些噪聲的影響，傳統(tǒng)的做法是將探測器置于超低溫環(huán)境中，這就導致探測裝置的體積很大，成本非常高。本發(fā)明采用了特殊的信號提取電路，通過調節(jié)電路的偏置電壓就可以消除背景THz輻射引起的噪聲信號。
本發(fā)明具有實質性特點和顯著進步，本發(fā)明能夠直接探側二維THz波的信號，進行實時的THz波二維成像。由于使用的單元是半導體Si材料，還能實現和電子器件的直接集成。本發(fā)明有著很高的靈敏度、時間分辨率和比較好的空間分辨率、信噪比，以及良好的集成性能，是采集和探測有著廣泛應用前景和價值的THz波的一種新的技術。

圖1THz信號高靈敏度探測器側刨面圖圖2THz信號高靈敏度探測器俯視圖圖3高靈敏度型THz波圖象攝相頭核心部件局部圖其中1構成光子晶體的半導體材料Si或GaAs，2空氣，3光子晶體缺陷區(qū)，4基體陶瓷、藍寶石、或其它合適材料。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
選擇半導體材料Si來制作光子晶體微腔。參照圖1，通過分子束外延技術在陶瓷基體4上生長半導體Si。通過刻蝕技術在Si基上制作出光子晶體。1為高折射率介質Si，2為低折射率介質空氣。光子晶體的晶格常數和THz光的波長為同一數量級，可選擇為10μm。改變介質1的占空比，就可以調節(jié)光子晶體的帶隙在THz波長范圍內移動。通過改變其中一個高折射率介質的尺寸，形成缺陷區(qū)3，就可以得到光子晶體THz微腔。圖2為光子晶體微腔的俯視圖。調整缺陷區(qū)3的半徑，可以使微腔中的缺陷模出現在帶隙中的任何一個地方。因此可以根據所照射的THz波長來選擇光子晶體微腔的結構參數。用擴散的方法可以在Si基上形成NPN結，做成三極管。三極管和外電路連接。在集電極和基極加上電壓，發(fā)射極和差分放大器相連。施加基極偏置電壓Eb的目的是使晶體三極管有較高的放大系數，同時有較好的線性放大特性，在要求不高的情況下，該電壓可以取消。輸出信號連接到外電路接收器。差分放大器可以消除背景輻射產生的電流信號，從而使得該器件可以用于常溫環(huán)境下的THz波的探測。
THz信號高靈敏度探測器基本工作原理如下當THz波入射光子晶體微腔時，在缺陷區(qū)會產生局域效應，THz波會被限制在微腔中振蕩，其中的場很強，將產生熱效應，從而在半導體Si基上產生“電子-空穴對”，在偏置電壓的作用下，這些載流子將會被注入底面的三極管基極中，在發(fā)射極載流子被放大為可觀測的電流。電流經過差分放大器到達外電路的直流放大器被放大，最后被檢測出來。因為檢測到的電流和入射波強度是成正比的，從而可以探測到THz波信號。光子晶體微腔的局域效應可以提供探測靈敏度，三極管有放大信號的作用，從而可以進一步的提高探測靈敏度。因此這一裝置可制作為THz信號高靈敏度探測器。
用許多個這樣的點探測器構成陣列，則可以制作成THz圖象攝相頭的核心部件，如圖3所示。在光子晶體中每隔三個高折射率介質就制造一個缺陷，可以實現二維集成的光子晶體THz微腔陣列，相當于構成了一個THz信號高靈敏度探測器面陣列。兩微腔的間距為40μm。參照CCD的像素為1024×1024，那么m×n二維光子晶體微腔陣列設計尺寸中m＝1024，n＝1024，整個m×n二維光子晶體面積大致為4cm×3.5cm。在m×n二維光子晶體微腔面陣尺寸設計中，其m×n二維設計分辨率不應高于CCD的像素；倘若超過CCD的像素，CCD就不會分辨得那么細致，無法跟上m×n二維設計的分辨率。所有三極管的基極和集電極都分別公用著一個電壓。發(fā)射極各自連著電阻、差分放大器，輸出端和外電路相連。
在實際應用中，為了消除其它波段的干擾電磁波，可以在波的入射面增加一個濾波器，該濾波器只讓THz波通過，阻止其它波段的波通過。
THz信號高靈敏度攝像頭基本工作原理如下當THz波照射到光子晶體THz微腔陣列上面時，每一個諧振腔相當于一個探測器，都會接收到特定位置、特定強度的THz波，在每個微腔內都會存在與所在位置的THz照射強度相關的THz信號，并且這些信號會被局域在在微腔內并得到等比例的放大，從而大大提高了THz感光靈敏度。每個探測器探測到的信號電流各自從不同的端口(如圖3的S1到S6)輸出。把所有的信號電流都引出后連接到信號采集電路，在電子開關的作用下，信號采集電路將所采集的信號輸入到A/D轉換器，然后再存入存儲器，最后成像于電子顯示屏上，這樣就可以獲得一幅完整的二維THz圖象。
權利要求
1.一種THz信號高靈敏度探測器與攝像頭，其特征在于使用單個光子晶體THz微腔來實現THz信號高靈敏度探測器。利用集成的光子晶體THz微腔面陣列構成陣列THz諧振腔，得到二維面陣THz信號探測器，可實現高靈敏度的實時攝像。
2.按權利要求
1所述的THz信號高靈敏度探測器，其特征在于光子晶體THz微腔用于接收和局域THz信號，并使之產生共振增強，在微腔中產生很高的場強，產生的熱效應作用于微腔下面的半導體單元，使之產生電子空穴對。把載流子注入三極管基極，可使外電路產生信號電流，從而探測到THz波信號。
3.按權利要求
1所述的THz信號高靈敏度攝像頭，其特征在于當THz波照射到陣列THz諧振腔上面時，每一個諧振腔相當于一個探測器，它們都會接收到特定位置、特定強度的THz光，這些信號會被局域在在微腔內并得到等比例的放大，從而大大提高了THz感光靈敏度。在光子晶體THz微腔面陣列的下面布置有同樣數量的半導體單元和三極管單元，它們受到THz波的作用就會釋放出電子空穴對，從而會產生信號電流，把信號電流引出后連接到信號采集電路，在電子開關的作用下，信號采集電路將所采集的信號輸入到A/D轉換器，然后再存入存儲器，這樣就獲得了一幅完整的THz圖象。
4.按權利要求
1所述的THz信號高靈敏度探測器和攝像頭，其特征在于其組成部分的半導體單元可以是Si材料，也可以是GaAs或者其它的半導體材料。
5.按權利要求
1所述的THz信號高靈敏度探測器和攝像頭，其特征在于可以把半導體單元因熱效應而產生的載流子注入三極管基極，也可以是注入二極管PN結，再和外電路相連接。
6.按權利要求
1所述的光子晶體THz微腔，其特征在于高折射率介質為Si或GaAs，也可以是其它半導體材料，低折射率介質為空氣，用陶瓷或藍寶石作為基體，缺陷區(qū)通過改變介質折射率或介質棒的半徑得到。
7.按權利要求
1所述的光子晶體THz微腔，其特征在于通過調節(jié)高低折射率介質的占空比、光子晶體的結構以及晶格常數等參數，可以使光子晶體微腔的缺陷模為THz波范圍內的任何一個頻率。
8.按權利要求
1所述的光子晶體THz微腔，其特征在于它可以是基于正方晶格、三角晶格、蜂窩結構晶格、準晶等其它任何結構制作的二維光子晶體微腔。
9.按權利要求
1所述的光子晶體THz微腔，其特征在于光子晶體的晶格常數和THz波長在同一個數量極，因此可以用刻蝕的技術制作光子晶體微腔，也可以通過機械打孔的方式制作光子晶體微腔。
10.按權利要求
2和5所述的三極管和二極管，其特征在于可通過擴散的方式在半導體單元上制作P區(qū)和N區(qū)，形成NPN結或PN結。
11.按權利要求
1所述的THz信號高靈敏度探測器與攝像頭，其特征在于采用特殊的電路連接方法和偏置電壓的調整可以消除背景THz噪聲信號。
專利摘要
一種THz信號高靈敏度探測器與攝像頭，其結構如下。在半導體基底上制作光子晶體THz微腔和半導體晶體管的結合體。當THz波入射時，THz信號會被局域在光子晶體微腔中，使得微腔中產生很大的場強，它產生的熱效應會使半導體產生電子空穴對，載流子注入到晶體管基極后放大，將使外電路產生電流，從而探測到THz波信號，從而實現高靈敏度的THz信號探測。把許多個這樣的探測器集成在一起可構成THz諧振腔陣列，每一個諧振腔都會接收到特定位置、特定強度的THz光。信號經轉換放大并存儲，最后可獲得一副完整的THz圖像，從而實現了實時攝像的功能。采用特殊的信號放大電路實現消除背景THz輻射噪聲的功能。
文檔編號G01R29/10GK1996029SQ200610157849
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月25日
發(fā)明者歐陽征標 申請人:歐陽征標, 羅賢達導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan