无滤波的中红外圆偏振光探测器 | 应用物理前沿推介系列No.21

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本期推介

无滤波的中红外圆偏振光探测器

偏振，是电磁波的电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象。作为光探测中除了强度和波长外的重要维度，偏振在众多光学技术中扮演着关键的角色，也在我们解析各种电磁波内蕴含的丰富信息时起着重要的作用。根据偏振光电矢量矢端的运动轨迹，可以将光的偏振态分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。与电磁波电矢量单向振动的线偏振态不同，圆偏振态因其携带自旋角动量的信息，在量子光学、生物传感等领域有着广泛的应用，因此对圆偏振光的识别与探测是现代光电子学的重要研究内容。但是由于目前成熟的光电探测单元只能读出光强信息，传统的圆偏振光电探测器就需要一套笨重的偏振光学器件来过滤光中的圆偏振态，从而使得系统的小型化十分困难。

一个重要的思路是利用超表面替代复杂厚重的偏振光学器件，但这种构型的探测器高度依赖于超表面和感光单元之间的距离，要求精确的对准和异构集成，不利于实现低成本、高效益的单片系统。目前，主要有以下三条路线是有望实现片上集成的圆偏振光探测器的方案：1. 用具有圆二色性的手性分子作为光电晶体管的有源区；2. 人工制备等离激元结构以增强圆二色性；3. 利用一些与圆偏振态有关的特殊光电相互作用。但是这三条路线要么无法做到足够大的响应率，要么无法对电信号读出，在完整实现圆偏振光探测的功能上遇到了很大的困难。

最近，新加坡国立大学电子与计算机工程学院与新加坡国立大学功能智能材料研究所的联合研究团队，明确提出了理想圆偏振光探测器应满足的三条要求：1. 能显著区分左旋圆偏振态（LCP）和右旋圆偏振态（RCP）；2. 对非圆偏振态的光具有较强的抗干扰能力，即对圆偏振态具有高度选择性和敏感性；3. 对圆偏振光的响应率和信噪比要足够大。并从响应率的角度，提出了描述光电探测器光电压的普适性公式：V_ph = S₀ * R₀ + S₁ * R₁ + S₂ * R₂ + S₃ * R₃，其中S_{0，1，2，3}是入射光的斯托克斯矢量的四个分量，分别代表总光强、沿x轴方向的线偏振光强度、与x轴呈45°的线偏振光强度、右旋圆偏振光强度。而分别是器件对上述四个光强的响应度（以V·W^-1为单位）。通过上述公式，可以定量且直观地描述器件的性能，比如，对非圆偏振光的抗干扰能力可以表示为要求R₃远大于R₀、R₁和R₂。

基于上述思考，该团队创新性地设计并制备出“T”字形人工等离激元纳米结构和石墨烯组成的阵列在排布成圆环形，实现了对圆偏振光高区分度、高选择性和高响应度的探测（图1）。具体地，当入射光为沿x轴的线偏振光时，其斯托克斯矢量经过一个快轴与x轴呈一定角度φ的四分之一波片后，其斯托克斯矢量变为一个与波片快轴和x轴夹角φ有关的变矢量。因此，通过转动波片，就能操控出射光的偏振态，使其依次变为：x轴线偏光、45°右旋椭偏光、右旋圆偏光、135°右旋椭偏光、x轴线偏光、45°左旋椭偏光、左旋圆偏光、135°左旋椭偏光、x轴线偏光。在转动波片的同时，收集探测器的光电压信号，得到了图1e的离散分布的电压数据。拟合实测的光电压数据点，很好地达到了了R₃ >> R_0,1,2的目标，即对圆偏振光实现了极大区分度（对左、右旋偏振态的区分度高达84）、高度选择性（基本不受非圆偏振光的干扰）、超高响应度（零偏压下器件响应率高达392 V·W^-1）、超高精确度（对椭圆率的识别精度高达0.03° Hz^-1/2）的探测。

图 1. 具有对称性结构的金属与石墨烯的圆环形阵列对圆偏振光的响应。

这种构型为什么能具有如此优异的圆偏振敏感的探测性能？相较于已报道的圆偏振光探测器（多数是基于活性物质对左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收差异表现出的圆二色性，通常区分度比较弱），该工作中构筑的器件理论上能实现无穷大的区分度（discrimination ratio, g_ph = (J_x,LCP - J_x,RCP)/(J_x,LCP + J_x,RCP)），这是因为通过“T”字形结构的x方向的光电流在接受左旋圆偏光和右旋圆偏光照射时，大小相近，而方向相反。这就使得J_x,LCP和J_x,RCP大小相近而符号相反，区别度g_ph的分母在理论上可以无限趋于0，从而使整个值可以趋于无穷大。从原理上设计了这一单对称轴的镜像对称结构后，还需要对其结构参数（如：长、宽等）进行优化，以实现对圆偏振光最佳的响应。该工作研究发现，“T”字形中在对称轴线上的长边的长度v对整体性能有着重要的影响。如果把v做成0.6 μm（图2f, g, h所示），不仅其吸收峰会偏移，而且在近场光学模拟中对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的区分度几乎消失（Avg.J_x,LCP = 0.01, Avg.J_x,RCP = -0.01）。但如果把v做成0.75 μm（图2c, d, e所示），不仅其吸收峰稳定在4 μm，而且在近场光学模拟中对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的区分度非常理想（Avg.J_x,LCP = 0.21, Avg.J_x,RCP = -0.21,）。本文根据坚实的理论模拟，把“T”字形结构的参数对Jx的影响总结在了图2b中，并选择v = 0.75 μm。在这一设计下，能很好地满足此前提出的圆偏振光探测器应达到的第一个要求：能显著区分左旋圆偏振态（LCP）和右旋圆偏振态（RCP）。

图 2. “T”字形结构对圆偏振态的响应机理

该工作提出了满足第二个要求的创新思路，对非圆偏振态的光具有较强的抗干扰能力，即对圆偏振态具有高度选择性，就是对非圆偏振光的响应度远低于对圆偏光的响应度，R_0,1,2 << R₃。如果仅靠单方向有序排列的“T”字形结构阵列，虽然对左旋圆偏光和右旋圆偏光的区分度很高，但是对圆偏振光和45°线偏光的区分度却很低，表现为R_0,1,2,3 =（0, 0, -0.18, 0.21）。然而，当把多个单向有序排列的“T”字形阵列排布成特殊的几何形状（比如圆环、半圆环、直角）后，整个体系对S_0,1,2,3的响应度R_0,1,2,3将会是沿着整个几何形状（如圆环）进行的积分。图3f展示了一个按圆环排布的圆偏振光探测器阵列，其每个结构单元对S_0,1,2,3的响应度R_0,1,2,3的分布情况：对S₀（非偏振光）全角度都几乎不响应，沿着角度对圆环积分得到的总R₀ = 0；对S₁（x轴方向线偏光）一半响应为正而另一半响应为负，沿着圆环积分得到的总R₁ = 0；对S₂（45°方向线偏光）一半响应为正而另一半响应为负，沿着圆环积分得到的总R₂ = 0；而对S₃的响应度R₃在全角度都为正，且大小几乎不依赖于角度变化，沿着圆环积分得到的总R₃将是一个很大的值。这一结论对于把阵列排布成半圆环和直角形状的体系都适用。

图3. 圆环形排布的阵列对圆偏振光高选择性的响应

在实现了对圆偏振光探测器的前两条要求后，该工作有效地实现了最大化器件的响应率和信噪比。理论模拟发现相较于圆环形和半圆环形，其实直角形的阵列排布才是探测面积利用率最大的一种几何排布。此外，石墨烯在本工作中起到的作用其实是与上层金属结构一起构筑一个热电的塞贝克梯度场，把光照产生的热载流子在塞贝克梯度场的作用下导出来形成非局域的定向电流，起到读出电路的作用。所以，大面积的石墨烯会因为低电阻而导致上层纳米结构之间相互短路，反而不如有序排列的石墨烯纳米带的效果好。因此，在最大化器件的响应率和信噪比的过程中，该工作选用了面积利用率最高的直角形状排布和石墨烯纳米带。从光电压值来看，用石墨烯纳米带的探测器对圆偏振光的响应率是用连续石墨烯的探测器响应率的五倍，在0偏压下，对光功率为45μW的入射光，实现了圆偏振光探测的高区分度 = 33，高选择性和高响应度R_0,1,2,3 = (0.03, 0.08, 0.08, 1)·15 VW^-1，以及对椭圆率极高的识别精度（0.03° Hz^-1/2）。

一直以来，光子学和光电子学的器件与系统在成熟的商业应用中都离不开复杂的光学元件。尤其在偏振光的探测中，对电磁波的强度、波长和偏振态进行解析与识别更是需要一套复杂厚重的偏振光学器件，严重阻碍了光电子系统小型化和光电子器件片上集成的发展。因此，如何实现无需滤波的偏振光探测成为了光电子领域的前沿研究内容。该工作为可片上集成的圆偏振光探测提供了一个高质量的解决方案，并为集成功能光电器件提供了新的路线。其放弃了传统的利用圆二色性区别圆偏振态的低效路线，而是通过“T”字形人工等离激元结构和石墨烯纳米带的组合，排布成精心设计的几何形状，实现了对左旋圆偏振态（LCP）和右旋圆偏振态（RCP）很高的区分度、 对非圆偏振态的光很强的抗干扰能力、对圆偏振光超高的响应率和信噪比。该工作抛弃了复杂厚重的偏振光学器件，仅用面内人工结构的几何排布，就实现了理想圆偏振光探测的性能要求。这一成果不仅为人工等离激元纳米结构的研究开拓了新的方向，更从原理和设计上证明了几何效应在器件光电相互作用中的重要影响，为其他类似的光电子器件的二维化提供了思路。随着石墨烯等二维材料晶圆级生长方法的成熟，该工作报道的“去滤镜”的面内圆偏振光电探测器将可以在晶圆尺度上与其他面内光电子器件一起实现真正的片上集成，极大地推动光电子领域的发展。

推介人

辛凯耀，中国科学院半导体研究所，博士生。

魏钟鸣，中国科学院半导体研究所，研究员，主要研究方向为低维半导体的制备及其光电功能器件，分子电子学器件等

参考资料

[1] Wei J X, Chen Y, Li Y, Li W, Xie J S, Lee C, Novoselov K S, Qiu C W, Geometric filterless photodetectors for mid-infrared spin light, Nature Photonics, 17,171 (2023).

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中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

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二、量子精密测量方向

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三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

设计：陈   龙

排版：陈   龙

美编：张   悦

主编：吴义政

副主编：杨海涛

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