[发明专利]一种耦合光学天线的成像探测芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耦合光学天线的成像探测芯片，包括平行设置的光学天线和光敏阵列，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔且电连接的光敏元组成的阵列结构，光学天线和光敏阵列的阵列规模相同，光学天线的天线元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐，光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥。本发明的耦合光学天线的成像探测芯片具有成像光波收集效能高的优点，并通过集成光学天线与光敏阵列显著提高光电灵敏度，且适用于可见光和红外谱域。

技术领域

本发明属于光学成像探测技术领域，更具体地，涉及一种耦合光学天线的成像探测芯片及其制备方法。

背景技术

目前，光敏成像阵列作为光敏探测器，已经在各个领域得到了极为广泛的应用。常见的光敏成像阵列包括光子探测器和热探测器两种，而光子探测器又包括可见光探测器(常见是CMOS器件)和红外探测器(常见是FPAs)两种类型。可见光探测器主要用在民用领域，其可探测的最小光功率也已低至纳瓦级；红外探测器主要用在军用领域，其成本相对高昂；热探测器是基于微热吸收与光电信号生成这一热探测模式工作。

然而，现有的光敏成像阵列存在一些不可忽视的技术问题：第一、现有的光敏成像阵列针对功率在皮瓦级功率的弱光学信号探测能力不足；第二、光子探测器无法同时探测可见光和红外光；第三、热探测器虽然能同时探测可见光和红外光，但其探测灵敏度比光子探测器低至少一个量级，且探测速度慢。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种耦合光学天线的成像探测芯片及其制备方法，其目的在于，解决现有光敏成像阵列中存在的上述技术问题，本发明的耦合光学天线的成像探测芯片具有成像光波收集效能高的优点，并通过集成光学天线与光敏阵列显著提高光电灵敏度，且适用于可见光和红外谱域。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种耦合光学天线的成像探测芯片，包括平行设置的光学天线和光敏阵列，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔的光敏元组成的阵列结构，光学天线和光敏阵列的阵列规模相同，光学天线的天线元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐，光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥，该纳米尖锥采用锥形结构，其顶面为曲面结构，光学天线的一端与光敏阵列的一端分别通过金属连接线连接到外部控制信号。

优选地，当所述光敏成像探测芯片被用于探测弱光学信号时，每个天线元中纳米尖锥的数量是大于1个，且这些纳米尖锥为均匀排列。

优选地，该纳米尖锥的数量下限值必须使得光敏元能够产生有效的信号输出，纳米尖锥的数量上限值必须使得单个天线元中的所有纳米尖锥均匀排列后，该天线元的总体尺寸不能大于单个光敏元的尺寸。

优选地，纳米尖锥顶面的横截面是圆形、椭圆形、三角形、或多边形。

优选地，当纳米尖锥顶面的横截面是圆形时，其直径为30纳米到600纳米之间。

优选地，纳米尖锥的尖端部分和光敏阵列顶面之间的距离是10纳米到60纳米之间。

优选地，所述光敏成像探测芯片被封装在芯片外壳内部，芯片外壳靠近光学天线的一个侧面上设置有光窗，用于指示该侧设置有光学天线，芯片外壳上与光窗相邻的另一个侧面上设置有电子学接口，用于以插接的方式将所述光敏成像探测芯片接入不同的光路结构。

优选地，当所述成像探测芯片用于探测可见光或红外光之一时，光敏阵列采用光子探测器，当所述成像探测芯片用于同时探测可见光和红外光时，光敏阵列采用热探测器。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述耦合光学天线的成像探测芯片的制备方法，包括：

制作光学天线过程，其包括以下步骤：