摘要
关键词
- 圆偏振光 (Circularly Polarized Light, CPL)
- 等离激元纳米结构 (Plasmonic Nanostructures)
- 图形化石墨烯带 (Patterned Graphene Ribbons)
- 中红外探测 (Mid-Infrared Detection)
- 光学近场 (Optical Near-Field)
- 偏振光电响应 (Polarized Photoresponse)
研究背景
圆偏振光作为一种携带自旋角动量的特殊光学状态，在量子光学、成像和生物传感等领域具有广泛应用。然而，目前商用偏振光探测设备依赖于复杂的滤波和波片技术，难以实现片上集成化。基于几何设计的等离激元纳米结构具有调整光学对称性的潜力，可为片上光电探测器提供全新设计方向。特别是通过与石墨烯结合，可显著提升对近场光学信号的读取能力。本研究基于镜对称纳米结构和图形化石墨烯带，探索了高灵敏偏振光探测器的实现方法。
创新点
- 提出基于镜对称几何结构的设计，实现无限偏振光辨别比。
- 利用石墨烯带增强光学近场信息的电学读取效率。
- 在中红外波段实现高达392 V/W的零偏置响应率。
- 首次实现偏振光对非偏振光的完全免疫。
研究内容
研究构建了基于等离激元纳米结构的中红外圆偏振光探测器，并结合图形化石墨烯带以优化信号读取。通过镜面对称设计，器件实现了对左右旋圆偏振光的显著区分，响应率达到392 V/W。实验采用热退火技术和化学气相沉积工艺制备出高质量的石墨烯薄膜，并利用有限差分时域模拟优化了纳米结构的几何参数。在实验中，测量了器件的光伏响应及其对不同偏振态光的灵敏度。结果表明，镜对称设计可有效抑制非偏振光信号干扰，并增强圆偏振光信号的区分能力。此外，通过进一步优化图形化石墨烯带的宽度与位置，器件的椭圆度探测精度提升至0.03° Hz−1/2。
(a) Poincaré 球中的 CPL 特定探测器示意图，其中光响应 \( V_{ph} \) 仅与入射光的第四 Stokes 参数 \( S_3 \) 有关。 (b) 我们设计的环形设备的假彩色 SEM 图像，包括几何排列的镜面对称等离激元纳米结构和石墨烯片。颜色编码：石墨烯为红色，等离激元纳米结构和电极为黄色，衬底为灰色。 (c) 实验装置和方法的示意图。通过旋转四分之一波片（QWP）研究设备对四个 Stokes 参数的响应，并读取设备的电学输出。 (d) 计算的 Stokes 参数随 QWP 角度的变化关系。 (e) 实验测得的 QWP 角度依赖的光电压和提取出的 \( S_0, S_1, S_2, S_3 \) 的贡献，在波长为 4 \(\mu m\) 的垂直入射照明下。插图：提取的 \( R_0, R_1, R_2, R_3 \) 响应度，验证了设备的 CPL 灵敏度占主导地位。入射功率为 0.9 mW。
(a) 我们设计的非手性等离激元纳米结构的光响应对称性分析，该结构位于石墨烯片上。\( J_x \) 和 \( J_y \) 分别表示沿 \( x \) 方向和 \( y \) 方向的矢量光电流。LCP 表示左旋圆偏振光（Left-handed Circularly Polarized Light），RCP 表示右旋圆偏振光（Right-handed Circularly Polarized Light）。请注意，本文中的 CPL 手性定义基于光源视角。对于反射操作（\( x \to -x \)），纳米结构的吸收和 \( J_y \) 是奇偶对称的，因此对 LCP 和 RCP 的响应相同。而 \( J_x \) 是奇对称的，因此对 CPL 具有灵敏性。 (b) 在 RCP 照明下，纳米结构中由两个垂直和水平条构成的参数空间中计算的 \( J_x \)。黄色和黑色空星分别表示 CPL 响应最优的几何参数（\( h = 1.1 \, \mu m \) 和 \( v = 0.75 \, \mu m \)）以及 CPL 响应几乎为零的几何参数（\( h = 1.1 \, \mu m \) 和 \( v = 0.6 \, \mu m \)）。 (c, f) 模拟了优化后的 CPL 灵敏（c）和 CPL 不灵敏（f）的等离激元纳米结构在线性偏振光（LP \( x \) 和 LP \( y \)）和圆偏振光（LCP 和 RCP）照明下的吸收光谱。 (d, e, g, h) 在 LCP（d, g）和 RCP（e, h）照明下，优化的（d, e）和 CPL 不灵敏的（g, h）等离激元纳米结构的近场分布模拟图及其相应的石墨烯光电流流动图。灰色线表示电流流动。当 CPL 的手性改变时，平均 \( J_y \) 保持不变，而平均 \( J_x \) 翻转符号。这种结果导致了光响应区分比 \( g_{ph} \) 的无限值，其特性受非手性几何设计保护。
(a) 描述我们研究等离激元纳米结构方向控制的偏振依赖性的方案示意图。纳米结构和电极按角度 \( \theta \) 旋转。插图：我们实验中使用的矩形设备。 (b) 在不同 \( \theta \) 下测得的偏振依赖光电压。 (c–e) 优化的等离激元纳米结构在 0°（c）、90°（d）和 45°（e）线性偏振照明下的模拟近场分布和对应的光电流流动。 (f) 提取的在不同 \( \theta \) 下的 \( R_0, R_1, R_2, R_3 \)。值得注意的是，由于元原子的镜像对称性，\( R_0 \) 在所有情况下均为零。\( R_1 \) 和 \( R_2 \) 分别遵循 \( \sin(2\theta) \) 和 \( -\cos(2\theta) \) 的函数形式，而 \( R_3 \) 与旋转无关。因此，元原子的 \( R_0, R_1, R_2, R_3 \) 的不同旋转对称性使我们能够通过几何排列实现 CPL 特定检测。
(a) 制备的石墨烯薄片设备和带状设备的 SEM 图像。比例尺（插图），1 \(\mu m\)。 (b) 石墨烯薄片设备和带状设备中模拟的电流流动。在移除多余石墨烯后，带状设备能够更好地引导光生载流子，并具有更高的内部电阻，从而减少内部能量损耗并提高外部电输出。 (c) 测量的薄片设备和带状设备的偏振依赖光电压。插图：提取的薄片设备（左）和带状设备（右）的响应度 \( R_0, R_1, R_2, R_3 \)。两种设备都对 CPL 有特定响应，但带状设备的灵敏度提升了五倍，在零外部偏置下达到 15 V/W。 (d) 在 1.8 \(\mu W\) 的低入射功率下，椭圆偏振度的精确测量，显示设备的检测极限为 0.03° Hz\(^{-1/2}\)。误差棒表示 12 次测量的均值标准误差。 (e) 测量的 LCP（左旋圆偏振光）和 RCP（右旋圆偏振光）光照下的光电压开关循环。橙色阴影表示在 260 \(\mu W\) 光照功率下的光照条件。 (f) 测量的漏源偏置下的电流-电压（I–V）曲线。x 轴和 y 轴的交点分别表示开路电压和短路电流。 (g) 测量的门电压可调光响应。未施加漏源偏置（\( V_d = 0 \)）。石墨烯设备的电荷中性点（CNP）出现在 \( V_g = 136 V \)。四列带状设备的峰值响应度达到 98 V/W，相应单列纳米结构的响应度为 392 V/W。
结论与展望
研究提出了一种基于几何设计的无滤波圆偏振光探测器，展示了卓越的偏振光辨别能力及高灵敏度。这一概念验证为偏振光电探测技术的片上集成化与高性能化提供了新途径。未来的研究可进一步探索不同几何设计对器件性能的影响，同时结合其他二维材料以拓宽光谱响应范围，为量子光子学与生物医学成像提供应用可能。
论文直达
原文标题：Geometric filterless photodetectors for mid-infrared spin light
原文卷期号：Nature Photonics 2023, 17, 171–178
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