[論文レビュー] Geometric Filterless Photodetectors for Mid-infrared Spin Light

Jingxuan Wei, Yang Chen+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2022

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、幾何的対称性を制御したプラズモニックナノ構造とグラフェンリブンを用いた、中赤外領域の円偏光光（CPL）をフィルターレスで検出する幾何的光検出器を提案する。ゼロバイアスで392 V/Wの高感度応答度および0.03° Hz⁻¹ᐟ²の楕円度検出能を達成し、外部光学素子を必要とせず、オンチップで高精度なCPL検出が可能となる。

ABSTRACT

Free-space circularly polarized light (CPL) detection, requiring polarizers and waveplates, has been well established, while such spatial degree of freedom is unfortunately absent in integrated on-chip optoelectronics. So far, those reported filterless CPL photodetectors suffer from the intrinsic small discrimination ratio, vulnerability to the non-CPL field components, and low responsivity. Here, we report a distinct paradigm of geometric photodetectors in mid-infrared exhibiting colossal discrimination ratio, close-to-perfect CPL-specific response, a zero-bias responsivity of 392 V/W at room temperature, and a detectivity of ellipticity down to 0.03$^o$ Hz$^{-1/2}$. Our approach employs plasmonic nanostructures array with judiciously designed symmetry, assisted by graphene ribbons to electrically read their near-field optical information. This geometry-empowered recipe for infrared photodetectors provides a robust, direct, strict, and high-quality solution to on-chip filterless CPL detection and unlocks new opportunities for integrated functional optoelectronic devices.

研究の動機と目的

• 既存のフィルターレス円偏光光（CPL）光検出器が示す低分離比、非CPL成分に対する脆弱性、低応答度といった制限を克服すること。
• バルク偏光子や波長板に依存せず、オンチップで統合された光エレクトロニクスによる中赤外CPL検出を可能にすること。
• 最小限の損失と高い特異性で、直接的にCPLを電気信号に変換できる高精度な幾何的設計ソリューションを実現すること。
• 対称性破れプラズモニックナノ構造とグラフェンベースの近接場読み出しを活用し、感度と選択性を向上させること。
• 実用的な統合光エレクトロニクス忚用に適した、スケーラブルで室温動作が可能な光検出器を実現し、優れた性能指標を達成すること。

提案手法

• 中赤外領域における円偏光モードを効果的に励起できるように、幾何的対称性を調整したプラズモニックナノ構造アレイを採用する。
• 対称性の破れ設計により強いキラル応答を実現し、左回りまたは右回りのCPLに選択的に結合可能となる。
• グラフェンリブンを統合し、プラズモニック構造の近接場光学応答を電気的に読み取ることで、高速かつ高感度な検出を実現する。
• ゼロバイアスで動作させることで、ノイズと消費電力を最小限に抑え、応答度を最大化する。
• 幾何的構成によりCPLへのほぼ完全な選択性を確保し、線形偏光や非偏光成分からの干渉を最小限に抑える。
• 理論的モデリングとシミュレーションを用いて、最大の分離比と応答度を達成するためのナノ構造幾何形状を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部フィルタを用いずに、幾何的に設計された光検出器が中赤外領域で円偏光光を高精度に分離できるか。
• RQ2 制御された対称性を持つプラズモニックナノ構造は、オンチップCPL検出器の応答度と選択性をどのように向上させられるか。
• RQ3 グラフェンベースの電気的読み出しは、フィルターレスCPL検出の感度と帯域幅をどの程度向上できるか。
• RQ4 ゼロバイアス、オンチップ型光検出器が中赤外CPLに対して達成可能な楕円度検出能の限界は何か。
• RQ5 このようなデバイスは、環境温度や非理想的な偏光状態といった実環境条件下でも高い性能を維持できるか。

主な発見

• 室温下でゼロバイアス応答度が392 V/Wに達し、既存のフィルターレス検出器の平均値を著しく上回る。
• 楕円度検出能が最小で0.03° Hz⁻¹ᐟ²にまで低下し、円偏光状態のほぼ完全な分離を示している。
• 驚異的な分離比を示し、他の偏光状態からのクロストークが最小限に抑えられた、円偏光光への選択的応答が可能である。
• プラズモニックナノ構造アレイにより、CPLへのほぼ完璧な応答が実現され、線形偏光や非偏光成分への感度は極めて低い。
• グラフェンリブンの統合により、高効率かつ低ノイズで高速な近接場光学信号の電気的変換が可能となった。
• 室温下でも安定して動作し、実用的でスケーラブルなオンチップ光エレクトロニクス統合に適した性能を示している。