一种基于光学奇异点设计的多层膜光探测器及其探测方法

摘要

本发明公开了一种基于光学奇异点设计的多层膜光探测器及其探测方法。该探测器包括衬底和衬底上的多层膜，衬底为通讯波段透明的光学材料；多层膜具有光学奇异点，由无损耗光学材料和有损耗光学半导体材料交替排列组成一维周期性阵列，以四层膜为一个结构单元。根据光在多层膜中传输的特性矩阵精确调控材料的实部折射率、虚部折射率、膜厚，使得探测器结构在特定波长出现一侧反射率不为零，另一侧反射率理论为零的单向无反射现象。当外加光源入射到探测器上时，半导体材料由于光电效应引起自身折射率发生变化，使无反射的一端出现反射，即达到了探测外加光源的目的。本发明具有探测技术新颖直观，灵敏度高且稳定性好，所需检测设备成本低等优点。

说明书

技术领域

本发明属于光学探测器领域，具体涉及一种基于非厄米光学系统奇异点设计的多层膜光探测器及其探测方法。

背景技术

光学探测技术依赖于光与物质的相互作用，因而取决于物质本身的可调节的自由度。材料本身所包含的自由度一般包括常见的材料参数如介电常数、磁导率、光电响应等等。其中，介电常数是光学探测的重要组成部分。在之前大部分研究中，结构和器件的设计主要基于巧妙地调控材料的介电常数实部，从而诞生了诸如光子晶体微腔、波导阵列、回音壁腔等可以用作光学探测的器件。而与介电常数实部相对的，介电常数的虚部，即材料的增益和损耗系数，却往往被忽略，甚至光学系统中无处不在的损耗通常都被看作影响器件的不利因素。还有一个重要的原因导致虚部的研究往往被忽略，即早期量子理论认为只有厄米的哈密顿量才具有实数本征值，而包含了虚部的非厄米哈密顿量不具有可以稳定存在的实数本征值。但是近些年的研究发现，非厄米的哈密顿量也可能具有实数本征值，前提是哈密顿量满足时空对称(Parity-Time Symmetry)的条件V(r)＝V(-r)*。由于光学中的波动方程与量子系统中的薛定谔方程具有形式上的一致性，量子系统中的时空对称概念可以类比到光学系统中，非厄米光学系统的哈密顿量也有可能具有实数的本征值，也就意味着有可能具有稳定观测的模式。实现非厄米哈密顿量还具有许多反直觉的现象，例如，在时空对称自发破缺时会产生奇异点，奇异点在复数谱里面是一个单值点并且和简并态相联系，从而导致特殊的光学模式简并，衍生出前向、反向模式简并所导致的单向无反射现象。这个发现将人们的关注点从简单的厄米系统拓宽到非厄米系统，为光与物质的相互作用和光学探测增加了一个崭新的自由度，也为设计具有新颖功能的光学器件提供了设计灵感。

发明内容

鉴于以上现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种基于非厄米光学系统奇异点设计的多层膜光探测器，该探测器结构简单，灵敏度高且稳定性好。本发明的另外一个目的是提供利用该探测器的探测方法，所需检测设备成本低，探测技术新颖直观。

为实现上述目的，本发明多层膜光探测器采取的技术方案为：

一种基于光学奇异点设计的多层膜光探测器，包括衬底和衬底上的多层膜，所述衬底为通讯波段透明的光学材料；所述多层膜具有光学奇异点，由无损耗光学材料和有损耗光学半导体材料交替排列组成，形成一维周期性阵列，其中，以四层膜为一个结构单元，所述多层膜包括一个或者多个结构单元。

进一步地，所述衬底为石英玻璃、氧化镁、氟化钙或者氧化铝。

进一步地，所述有损耗光学半导体材料为硅或者掺杂的三五族半导体。

进一步地，所述无损耗光学材料为二氧化硅。

进一步地，所述多层膜包括4-12个结构单元，每个结构单元中的每一层膜厚为纳米量级。

利用上述一种基于光学奇异点设计的多层膜光探测器的探测方法，包括如下步骤：

(1)将待测定的信号光照射在所述多层膜上，引起有损耗光学半导体材料折射率的变化；信号光的波长为可见光或者近红外波段；

(2)打开泵浦激光器，并利用光探测器配合光电倍增管监测无反射一端的光信号变化；激光器的波长为所述多层膜发生单向无反射时的波长。

本发明实现光探测的技术原理：当外加光源入射到本发明探测器的结构中，半导体材料由于光电效应产生光生载流子，由于光生载流子所造成的能带变化及载流子本身的吸收，会引起半导体材料自身折射率发生变化，在特定波长处无反射的一端出现反射，即达到了探测外加光源的目的。由于奇异点处光学响应与外加微扰之间呈二次型变化，而非普通的线性变化，因而奇异点光学探测具有对外界信号更灵敏的响应。此外，这种探测手段不同于以往的光电探测，而是利用光探测光的手段。

本发明与现有的光探测器相比，具有以下有益效果：

(1)本发明的多层膜光探测器对入射光的探测方式比较新颖，是一种光探测光的手段。这对设计新型的以光控制光的光子学器件、光逻辑门都有一定的借鉴意义。并且本发明充分利用了系统的损耗，将系统不利因素转化为有利因素。

(2)本发明的多层膜光探测器还具有材料选择范围大，结构简单，制备工艺成熟，制备成本低，制备效率高等优点。

(3)本发明的多层膜光探测器无需复杂光谱设备和光路系统，只需要简单的信号采集就可以实现对入射光的探测，探测灵敏度高，探测带宽大。

附图说明

图1是本发明多层膜光探测器单元结构示意图，H₁,H₂,H₃,H₄分别代表四层膜，其中，H₁和H₃对应无吸收材料，H₂和H₄对应吸收半导体材料，箭头分别表示前向入射(forward)和反向入射(backward)。

图2是本发明多层膜光探测器探测原理示意图，1-信号光源，2-特定波长的探测光源。

图3是本发明实施例的多层膜光探测器前向入射和反向入射的反射率随波长的变化。

图4是本发明实施例的多层膜光探测器有光源入射和无光源入射时在特定波长处前向反射率的对比度随折射率的变化。

具体实施方式

与量子力学中的哈密顿量矩阵相类似，描述光在多层介质中的传播采用光学散射矩阵。散射矩阵是联系光学系统始态与终态之间的纽带。为了简化设计，将多层膜结构看作双端口的光学系统，其散射矩阵可以描述为：

其中t表示透射系数，r_f和r_b分别表示前向(forward)和反向(backward)的反射系数，即从一维周期性光学系统两侧入射的光信号所具有的反射系数。量子系统中的奇异点设计是通过调节非厄米哈密顿量，使其产生自发的对称性破缺，从而使得哈密顿量的本征值出现简并。将其类比至光学系统中，可以通过调节光学多层膜结构的膜厚、折射率实部、虚部等参数，观察散射矩阵的本征值在某些情况下，r_f或r_b的值为零，散射矩阵本征值将出现简并的行为，此时光学系统前向和反向传播的光模式发生简并，表现为单向无反射，从而构造出可用于光学探测的奇异点。

本发明的探测器包括衬底和衬底上的多层膜，衬底采用通讯波段透明的光学材料；多层膜由无损耗光学材料和有损耗光学半导体材料交替排列组成，形成一维周期性阵列。根据光在多层膜中传输的特性矩阵精确调控材料的实部折射率、虚部折射率、膜厚，使得探测器结构在特定波长出现一侧反射率不为零，另一侧反射率理论为零的单向无反射现象。当外加光源入射到本发明的探测器结构时，半导体材料由于光电效应产生光生载流子，由于光生载流子所造成的能带变化及载流子本身的吸收，会引起半导体材料自身折射率发生变化，使无反射的一端出现反射，即达到了探测外加光源的目的。

如图1所示，以四层膜为一个结构单元，当特定波长的光前向入射时反射率几乎为0。如图2所示，当信号光源照射到探测器上时，使半导体材料的折射率发生变化，特定波长前向入射的反射率不再为0，从而达到探测信号光源的目的。

实施例：

本实施例的基于非厄米光学系统奇异点设计的多层膜光探测器是在石英玻璃衬底上通过等离子体增强的化学气相沉积法制备多层膜结构，无损耗材料为二氧化硅，损耗半导体材料为非晶硅，在532纳米的通讯波段，二氧化硅的折射率为1.46，硅的折射率为4.8+0.68i。多层膜以四层膜为一个结构单元。通过粒子群优化算法对厚度进行精确调控，当H₁、H₂、H₃和H₄的厚度依次为18.9252纳米，7.3810纳米，32.8582纳米和23.999纳米时，在532纳米的通讯波段表现出单向无反射的奇异现象，这种现象的出现对膜厚有强烈的依赖关系。本实施例选取的结构单元数为6。如图3所示多层膜结构在不同波长下前向入射和反向入射时反射率的大小，在532纳米时前向反射的反射率为5.8551e^-11，几乎为零，是本实施例设计所要达到的奇异点，表现为单向无反射。

当外界光照射到精确设计的多层膜结构时，半导体硅产生光生载流子，自身的折射率发生变化，使得无反射率的一端出现反射率，从而达到探测外界光源的目的。对比有光源入射时和无光源入射时前向反射率的对比度，由图4可以看出，当折射率变化很小时，两者的对比度突然变大，当折射率变化增加，对比度的变化趋于平缓，曲线呈现二次型，具有探测灵敏度高的特点。