[论文解读] 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 15

一句话总结

本文提出一种基于等离子体纳米结构与石墨烯带电读出的几何无滤波器光电探测器，用于中红外圆偏振光（CPL）检测。该探测器通过设计对称性实现高选择性，实现了392 V/W的零偏置响应度和0.03° Hz⁻¹ᐟ²的椭圆度检测度，创下纪录，可在无外部光学元件的情况下实现高保真度、片上CPL检测。

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.

研究动机与目标

• 为克服现有无滤波器圆偏振光（CPL）光电探测器的局限性，包括分辨比低、对非CPL成分鲁棒性差以及响应度低的问题。
• 实现在片上集成的、无需依赖体材料偏振片或波片的中红外CPL光电检测。
• 实现一种高保真度、几何结构工程化的解决方案，可直接将CPL转换为电信号，损失最小且选择性极高。
• 利用对称性破缺的等离子体纳米结构与基于石墨烯的近场读出技术，提升灵敏度与选择性。
• 展示一种可扩展、室温运行的光电探测器，具备卓越性能指标，适用于实际的片上光电子集成应用。

提出的方法

• 该器件采用具有定制几何对称性的等离子体纳米结构阵列，可选择性激发中红外波段的圆偏振模式。
• 对称性破缺设计确保强手性响应，实现对左旋或右旋CPL的选择性耦合。
• 集成石墨烯带以电学方式读取等离子体结构的近场光学响应，实现快速且灵敏的探测。
• 系统在零偏置下运行，最大限度降低噪声与功耗，同时提升响应度。
• 几何结构确保对CPL近乎完美的选择性，显著减少线性偏振或非偏振成分的干扰。
• 通过理论建模与仿真优化纳米结构几何形状，以实现最大分辨比与响应度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于几何结构工程的光电探测器是否能在无外部滤波器的情况下，实现中红外波段圆偏振光的高分辨？
• RQ2 具有可控对称性的等离子体纳米结构在多大程度上可提升片上CPL探测器的响应度与选择性？
• RQ3 基于石墨烯的电学读出在多大程度上可提升无滤波器CPL探测的灵敏度与带宽？
• RQ4 零偏置、片上光电探测器在中红外CPL检测中可实现的椭圆度检测度极限是多少？
• RQ5 此类器件在真实环境条件下（包括室温与非理想偏振态）是否能保持高性能？

主要发现

• 该光电探测器在室温下实现392 V/W的零偏置响应度，显著高于现有无滤波器探测器的典型值。
• 器件实现最低达0.03° Hz⁻¹ᐟ²的椭圆度检测度，表明对圆偏振态的分辨近乎完美。
• 器件表现出极高的分辨比，可选择性响应圆偏振光，对其他偏振态的串扰极低。
• 等离子体纳米结构阵列对CPL响应接近完美，对线性偏振或非偏振光成分的敏感度极低。
• 石墨烯带的集成实现了近场光学信号的高效电转换，具有高速度与低噪声特性。
• 器件在室温下运行稳定，适用于实际、可扩展的片上光电子集成。