0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

中红外集成光子传感系统研究进展

deom 来源:deom 作者:deom 2022-07-21 09:21 次阅读

近年来,中红外(波长范围2~20μm)集成光子学因其潜在的应用场景如吸收光谱、热成像、自由空间光通信等而受到了广泛的关注。中红外波段包含了多个大气透明窗口,有着作为气体传感应用的先天优势,并且得益于近红外成熟的器件设计测试流程与微纳加工威廉希尔官方网站 ,一些近红外的应用也能够较快地拓展至中红外波段。

此外,集成光子器件在一些传感应用中不仅可以做到媲美传统设备的灵敏度,同时还具有低功耗、低成本、结构紧凑,易于与其他设备集成的特点。因此,中红外集成光子传感器件在未来将会在工业检测、科学研究、医疗诊断、军事安防、民用生活等领域中不断发挥出重要的作用。

据麦姆斯咨询报道,近期,上海科技大学信息科学与威廉希尔官方网站 学院邹毅研究员课题组在《红外与激光工程》期刊上发表了以“中红外集成光子传感系统研究进展”为主题的综述文章。邹毅研究员主要从事集成光子学方面的研究工作。

这项研究主要对中红外集成光子传感平台进行了回顾,对中红外传感系统的三个主要部分:传感单元、光谱仪和探测器做出了简要介绍,展示了目前中红外集成光子传感器件的研究进展,并对其未来发展做出了展望。

poYBAGLYqhiAPo_zAADS3_q0J0w065.png

中红外集成片上传感系统

传感单元:基于中红外光学的传感单元拥有高灵敏度、高选择性,响应快且长期运行稳定的特点,目前已经有单层蛋白质检测、甲烷检测、重水检测、温室气体检测等各类化学、环境、生物检测应用。中红外片上传感单元依据集成类型可以分为面内以及面外两种。更进一步,也可以分成使用硅、锗IV 族材料和使用硫系玻璃、氮化铝等其他材料的传统波导型传感器件,以及表面等离激元共振型传感器件。

pYYBAGLYqhiAMIEUAAMBgDerjVs577.png

中红外波导传感器件

在面内传感器件中,光波通常沿芯片上的波导进行传播,这样的设计有利于高度的单片集成。绝大部分使用硅、锗IV 族材料和使用硫系玻璃、氮化铝等其他材料的传统波导型传感器件都属于面内传感器件,还有一些表面等离激元传感器件也可以归入该类型。

poYBAGLYqhmAQk0iAAL36CTzo2s860.png

中红外环形谐振器传感器件

面外传感器也是很常见的片上集成传感器件。在面外传感器件中,基于超表面结构的传感器件是很常见的一类。超表面是一种具有周期性亚波长结构的人工材料,基于超表面结构的光学传感器件一般需要通过解析面外照射光的透反射谱来完成分析物检测,因此大多都属于面外器件。在中红外波段,硅基及其他材料的超表面研究正在逐步展开,相比之下现阶段更为成熟的面外中红外传感器件主要基于等离激元共振原理。它们以稍弱的集成能力为代价,展现出许多有趣的性能。

pYYBAGLYqhqAWJ1cAARG5JlJN1k550.png

中红外面外传感器件

中红外片上光谱仪:对于集成在片上的中红外光谱仪结构,主要分为以下几种:滤波-光谱重建光谱仪,空间外差法光谱仪以及双光梳光谱仪。滤波光谱重建光谱仪,由于其能够以较小的结构实现较大的光程(如谐振腔) 或不同的光谱响应,所以通常其具有结构更紧凑的特点,但具体需要根据光谱仪本身结构特征探讨其优缺点。基于空间外差法的傅里叶变换光谱仪,具有高光通量和高信噪比的特点,但为了实现更长的光程,通常需要较大的结构面积。双光梳光谱仪利用光梳在时间域的相干拍频,对相干结果做光谱求解,通常能够以较小的面积进行高精度的光谱检测,但其对光梳生成和探测速度的要求也相应较高。

poYBAGLYqhqAYnmzAAL6-3j1LNc142.png

重建型光谱仪

pYYBAGLYqhuAXq54AAKoaziMNng341.png

空间外差傅里叶变换光谱仪

poYBAGLYqhyAdiTTAAI2CF06Oag112.png

双光梳光谱仪原理及结构示意图

中红外集成光电探测器:光电探测器作为光强度信息获取的工具,在整个通信和传感系统中扮演着至关重要的角色。其可以作为片上传感如光谱仪,传感单元等信号收集端,也可用于雷达等设备的接收后端,作为数据采集的工具。目前报道的中红外的探测器材料主要有HgCdTe合金、III-V材料、二维材料、IV族材料等。

pYYBAGLYqhyAZ8XcAABNw4GQYVw076.png

部分吸收材料光学响应范围

当前报告最多的集成光电探测器探测方式主要为面外探测器,多用于焦平面阵列,红外成像,遥感等领域。波导集成作为探测器的另一种设计方式,可通过绝热耦合、光栅耦合等方式,加强光与吸收材料的交互,导出光强信息。

poYBAGLYqhyAb2dUAALoR5L3df8191.png

中红外集成光电探测器

总体来说,中红外波段是理想的传感波段。同时由于波长比近红外更长,中红外器件的微结构特征尺寸所需工艺要求通常更低,使得工艺与制造更加容易。然而,目前中红外平台仍面临着一些不可忽视的问题。例如,第一,相较于更加成熟的近红外平台,中红外器件在传播损耗、插入损耗等性能方面还有很多可以提升的空间;第二,中红外光源、传感单元、中红外光电探测器的单片集成问题亟待解决,虽然许多器件的性能表现优异,但能够与之完全单片集成的光源和探测器目前还尚未达到商业化水平,这限制了中红外传感系统走出实验室环境和大规模向工业,军事和民用等领域普及;最后,许多除了传统硅基材料外的中红外平台相关研究正在展开,在此情景之下,如何权衡新材料带来的优秀性能和CMOS 加工工艺兼容上的困难,并同时做到与硅基平台相近的成本等难题仍待解决。但是这些问题并非无法克服,相信在研究人员的努力下,中红外传感将于未来能够在信息科学、天文、物联网、生命,可穿戴等科学、军事、工业和民用领域,发挥出重要的作用。

审核编辑:汤梓红
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 传感器
    +关注

    关注

    2550

    文章

    51071

    浏览量

    753333
  • 传感系统
    +关注

    关注

    1

    文章

    88

    浏览量

    16874
  • 光子学
    +关注

    关注

    0

    文章

    37

    浏览量

    11357
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    新型铜互连方法—电化学机械抛光威廉希尔官方网站 研究进展

    新型铜互连方法—电化学机械抛光威廉希尔官方网站 研究进展多孔低介电常数的介质引入硅半导体器件给传统的化学机械抛光(CMP)威廉希尔官方网站 带来了巨大的挑战,低k 介质的脆弱性难以承受传统CMP 威廉希尔官方网站 所施加的机械力。一种结合了
    发表于 10-06 10:08

    室内颗粒物的来源、健康效应及分布运动研究进展

    室内颗粒物的来源、健康效应及分布运动研究进展摘要:室内的颗粒物质与室内空气1~(indoor air quality,IAQ)有着密切关系。颗粒物质可能给人体健康或者其他设备和物品带来危害。该文回顾
    发表于 03-18 22:22

    薄膜锂电池的研究进展

    化的最佳选择。简单介绍了薄膜锂电池的构造,举例说明了薄膜锂电池的工作原理。从阴极膜、固体电解质膜、阳极膜三个方面概述了近年来薄膜锂电池关键材料的研究进展。阴极膜方面LICOO2依旧是研究的热点,此外
    发表于 03-11 15:44

    传感器EMC的重要性与研究进展

    的,通过研究每个要素特点,提出消除或抑制每个要素方法,从而解决电子电气设备或系统电磁兼容性问题。图1 电磁兼容三要素 全文PDF上传:传感器EMC的重要性与研究进展.rar
    发表于 11-05 15:51

    太赫兹量子级联激光器等THz源的工作原理及其研究进展

    等优点。本文简单介绍了THz量子级联激光器、负有效质量振荡器以及半导体超晶格振荡器等THz源的工作原理及其研究进展等。
    发表于 05-28 07:12

    一维光子晶体研究进展

    一维光子晶体由于其制备的优势以及对光传播模式控制的优异性能使其在不同研究领域得了广泛关注。本文介绍了一维介电以及金属-介电光子晶体的最新研究进展和应用前景,
    发表于 03-11 17:26 27次下载

    先进的集成微型传感器的研究进展

    通过集成微型声传感器、集成微型振动传感器、集成微型传感器组和无线
    发表于 06-26 10:56 13次下载

    锂离子电池合金负极材料的研究进展

    锂离子电池合金负极材料的研究进展 摘要:综述了锂离子电池合金负极材料的研究进展,包括铝基、锡基以及硅基合金负极材料;对合金负极材料研发存在的问题和
    发表于 10-28 10:31 3956次阅读

    CMOS_Gilbert混频器的设计及研究进展

    CMOSGilbert混频器的设计及研究进展
    发表于 12-21 14:47 14次下载

    物联网隐私保护研究进展

    物联网隐私保护研究进展,PDF格式,简单的介绍。
    发表于 03-24 17:11 0次下载

    非分散红外CO气体检测系统研究

    非分散红外CO气体检测系统研究,下来看看 。
    发表于 12-17 11:16 2次下载

    合金薄膜电阻应变式压力传感器的研究进展

    主要介绍合金薄膜电阻应变式压力传感器的研究进展
    发表于 03-17 15:54 11次下载
    合金薄膜电阻应变式压力<b class='flag-5'>传感</b>器的<b class='flag-5'>研究进展</b>

    先进封装硅通孔(TSV)铜互连电镀研究进展

    先进封装硅通孔(TSV)铜互连电镀研究进展
    的头像 发表于 09-06 11:16 1035次阅读
    先进封装<b class='flag-5'>中</b>硅通孔(TSV)铜互连电镀<b class='flag-5'>研究进展</b>

    红外超快激光系统研究进展

    近日,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与中国科学院强激光材料重点实验室合作,在红外超快激光研究方面取得进展。相关
    的头像 发表于 12-15 10:53 699次阅读
    <b class='flag-5'>中</b><b class='flag-5'>红外</b>超快激光<b class='flag-5'>系统研究进展</b>

    综述:高性能锑化物红外半导体激光器研究进展

    据麦姆斯咨询报道,近期,由中国科学院半导体研究所和中国科学院大学组成的科研团队受邀在《激光威廉希尔官方网站 》期刊上发表了以“高性能锑化物红外半导体激光器研究进展”为主题的文章。该文章第一作者为曹
    的头像 发表于 04-13 12:08 1974次阅读
    综述:高性能锑化物<b class='flag-5'>中</b><b class='flag-5'>红外</b>半导体激光器<b class='flag-5'>研究进展</b>