科研进展

张月蘅研究组提出高效宽谱THz上转换光子型成像

2019年8月,《自然-通讯》(Nature Communications)发表了上海交通大学物理与天文学院张月蘅副教授研究组的题为“Broadband THz to NIR up-converter for photon-type THz imaging”的研究工作【Nature communications (2019) 10:3513】。课题组提出一种新型的宽谱、高速、紧凑的THz光学成像器件——基于宽谱THz-NIR频率上转换的光子型THz无像元成像。在实验上首次实现了基于内光发射机制的光学频率上转换,并证明了基于该上转换器件的无像元成像方案在实现宽谱探测的同时可以保证极高的灵敏度和信噪比。

a. HIWIP-LED 上转换器件. b. 上转换微观机制. c. 器件变温I-V 特性.

鉴于THz成像技术的巨大应用潜力,世界各国都在致力于实现高性能太赫兹成像器件。近年来,传统的焦平面整列(FPA)拓展应用到了THz波段,但是基于光热效应的FPA受到了响应速度和探测波段范围的限制。一种可替代的方案是利用量子阱探测器(QWP)来制备THz-FPA进而实现THz成像。然而QWP由于子带跃迁选择定则的限制,垂直入射的光不能激发子带跃迁,需要设计额外的光耦合结构才能实现THz光探测。此外QWP极低的工作温度对QWP和读出电路(ROIC)集成实现FPA提出了极大的挑战。这一因素导致国际范围内至今没有实现THz QWP-FPA。

a.上转换成像光路图  b. 黑体孔径(635mm)上转换成像光斑  c. 量子级联激光器(QCL)上转换信号  d. 上转换器件低温I-V和微分电阻.

张月蘅研究组提出了利用同质结内光发射探测器(HIWIP)来实现THz信号探测,产生的光生载流子注入集成外延的LED中,驱动LED发出近红外光子,实现THz-NIR光学频率上转换(HIWIP-LED上转换)。通过有效控制器件内载流子的横向扩散,图像被大面积单元的HIWIP-LED上转换器件探测并恢复成近红外图像信号,进而直接利用成熟的Si CCD实现成像,避免了读出电路在很低温度下的失效问题。该上转换器件的HIWIP一端实现了4-20THz 的宽光谱THz探测;经过优化的量子阱LED的外量子效率比传统的双异质结LED高出72.5%。器件的噪声等效功率低至29.1 pWHz1/2。研究组首次观测到极微弱信号的黑体孔径的上转换成像图案。

该项研究首次实现了一种新型的THz成像器件。在无任何光耦合结构设计的情况下,这种成像器件具备很宽的光谱探测范围(4-20THz)和快响应速度(~ps量级),为发展高效紧凑的THz成像器件奠定了基础。

博士生白鹏为论文第一作者,张月蘅副教授为通讯作者。上海交通大学为第一完成单位,合作研究团队包括中科院上海微系统所、上海理工大学、美国伦斯勒理工学院。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金等项目的资助。

近年来,在沈文忠教授的大力支持和帮助下,张月蘅副教授带领半导体红外与太赫兹探测器课题组在单光子探测、量子阱红外探测器、THz探测及成像、红外及THz上转换等方面取得了一系列重要成果,相关工作先后发表于Nature communications(2019), Applied physics letter(2018),Scientific Reports (2017),IEEE Transaction on THz science and technology(2015),Laser Photonics Rev. 8 297 (2014),Progress in Quantum Electronics 35 (2011)等国际著名期刊。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11465-6