红外传感器是人类探究物体本质的重要器件,广泛应用于军事和民用领域的各个方面。随着硅光技术的出现,科研人员设计了多种硅基红外传感器件。与常见的红外传感器件相比,硅基红外传感器件具有成本低廉、与成熟的CMOS工艺相兼容等优势。近些年来,硅光技术飞速发展,硅基光子集成芯片已能够在小小的硅片上实现调制、滤波、开关、激光的发射和探测等多种功能。研究人员提出,基于硅基光子集成芯片制作的红外传感器,既有利于实现传感器件的单片集成,又能够提高器件的集成度,还由于工作过程中不会受到约翰逊噪声等的影响,有效改善了器件的噪声、灵敏度等性能参数。此外,硅基光子集成芯片有多种简单高效的方法与成熟的光纤网络互联,便于红外传感器在物联网中的应用。着眼于硅基光子集成芯片的诸多优势,本文中设计并验证了多个器件,旨在提高红外传感器件的性能,并拓宽红外传感器的应用范围。本文的主要工作内容和研究成果可总结为以下几个方面:1)设计并实验验证了一种近红外波段增强吸收的硅纳米孔阵列超表面吸收器,该器件能够大幅增加掺杂硅材料的吸收率。测试结果表明,通过SOI（siliconon-insulator）器件层的选区重掺杂引入红外光学损耗以及利用硅纳米孔阵列超表面结构由Fano共振所产生的光场限制效应,提高了半导体材料对近红外空间光信号的吸收性能。该器件可直接用于制作硅基热载流子探测器的像元。2)设计并实验验证了一种热光转换硅基单片集成近红外传感器,该器件能够将空间近红外信号直接加载到硅基片上信号光中。器件主要组成单元中的光子晶体吸收结构能够将近红外空间泵浦信号转化为热信号,调制在片上光子晶体谐振腔结构中传输的片上信号光。悬空隔热的光子晶体面板以及周期性的纳米孔洞结构,提升了器件的光学、热学性能,从而使该器件具有响应率高与响应速度快的特点。3)设计了一种石墨烯纳米带/金属条复合结构长波红外吸收器。在石墨烯纳米带中嵌入金属条的复合吸收结构,通过增加结构等效电路的欧姆损耗,在保持了器件系统的吸收率不受影响以及吸收波长主动可调特性的前提下,大幅增加了器件系统的吸收带宽。仿真结果表明,在石墨烯纳米带吸收结构中加入金属条结构,能够使结构的3d B吸收带宽变宽17倍。4)设计了一种基于热光效应的长波红外硅基单片集成相移光栅红外传感器。该器件利用硅基相移光栅将长波红外信号转换为硅基片上信号,并被近红外探测器件探测。器件利用二氧化硅薄膜在长波红外波段具有较高损耗的特性将长波红外泵浦信号转换为器件上的热信号,加热硅基相移光栅,调控相移光栅透射谱谐振峰峰位,实现长波红外信号转换为硅基片上信号光进而被探测的目的。采用数值仿真方法优化了器件的结构、并预测了器件的性能。