基于表面等離激元的長波QWIP光柵優化

王國東，倪 璐，朱紅偉，王賽麗

（河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作454003）

引言

基于GaAs／AlGaAs材料的量子阱紅外探測器（QWIP）具有均勻性好、響應速度快、器件制作工藝成熟、抗輻照、成本低等特點［1-6］，在當前以大面陣、多色等為特性的第三代紅外焦平面技術中占有十分重要的地位。在長波、甚長波探測及雙色探測方面，量子阱紅外探測器被認為是傳統碲鎘汞紅外探測器的有力競爭者之一［7］。然而，根據量子力學的躍遷定則，只有電矢量平行于量子阱生長方向的入射光才能被量子阱吸收，產生光生載流子，正入射光基本上不能被量子阱吸收。為此常采用45℃角耦合、光柵耦合等方式來改變光的傳播方向實現紅外光被QWIP的有源區吸收，實現紅外光的有效探測。自從Ebbsen等人發現金屬周期性孔陣列中的表面等離激元效應（SPPs）以來，SPPs對于入射電磁波的強烈調制作用已引起了人們的重視，并被用于提高光電器件的效率，如半導體激光器、太陽能電池和量子點紅外探測器等［8-11］。在中／長波紅外波段，表面等離激元的傳播長度足夠大，能有效地到達整個量子阱區，光學損失相對較小，因此若將SPPs應用于長波量子阱紅外探測器的光耦合，將會大大提高QWIP的光吸收效率及探測靈敏度。

本文采用三維時域有限差分算法（3DFDTD），詳細分析在SPPs調制下長波量子阱紅外探測器中光柵的耦合效率，并給出了光柵的優化參數。

1 三維仿真建模

三維時域有限差分算法是嚴格求解麥克斯韋方程的數值算法，可以用來分析表面等離激元作用下量子阱有源區的光場分布?！?br>