超表面結構MEMS紅外超窄帶光源研究

鄒宇，蔣文靜，歐文

（1 中國科學院微電子研究所，北京100029）

（2 中國科學院大學，北京100049）

0 引言

紅外光源是一種非照明光源，廣泛地應用于大氣通訊、化學檢測、氣體成分檢測等領域［1］。常用的紅外光源主要分為紅外發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）光源、紅外激光光源以及紅外熱輻射光源。而微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）紅外熱輻射光源因為其體積小、工藝簡單、功耗低、成本低等優點成為了研究的熱點。但是MEMS紅外熱輻射光源屬于類灰體［2］，存在光譜分布范圍比較廣、波峰的位置會隨溫度變化、發射率比較低的缺點。在化學檢測和氣體成分檢測領域，只需要特定波長的紅外光，MEMS 光源的光譜分布范圍比較廣會徒增功耗，還會影響檢測的靈敏度。目前改進MEMS紅外光源的方法主要是在光源表面附加一層微納結構，主要包括納米硅結構［3-4］、光子晶體［5-6］、光柵［7］以及超表面［8-9］等。其中納米硅結構能顯著提高發射率，但是其光譜分布范圍依然很廣。光子晶體能夠實現選擇性的發射率，但因為其非共振特性，光源沒有非常尖銳的波段或高發射率，因此沒有顯著提高效率［10］；光柵也能實現選擇性發射，但帶寬略寬。在超表面中，可以對結構形狀、幾何尺寸和材料厚度進行調整，不僅可以實現任意紅外波段的高發射率的調節，還能實現對頻帶寬度的調節。在超表面結構中，十字結構因為能夠實現窄帶寬和角度無關性而備受青睞，但是國內目前對它在光源方面的應用研究還不多。

本文針對十字結構型超表面提出了一種改進的RLC 模型用以預測光源的峰值波長、發射率和帶寬，從而避免耗時的數值優化問題?！?br>