Light | 基于非手性结构的圆偏振光探测器

学术科学 2024-10-05 09:31 吉林

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撰稿 | 课题组撰稿

导读

近日，北京大学物理学院极端光学团队与合作者利用介质非手性结构实现了一种可高度集成的圆偏振光电探测器。该器件可在可见光宽波段内工作，具有极高的圆偏振分辨比。它通过圆偏振分辨的近场模式工作，突破了常规基于材料手性或结构手性实现圆偏振光探测的思路，为集成式圆偏振探测器提供了新的路径。该工作以“High Discrimination Ratio, Broadband Circularly Polarized Light Photodetector Using Dielectric Achiral Nanostructures”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

圆偏振光即偏振方向绕波矢方向旋转且电场在偏振面内各个方向上相同的电磁场。对圆偏振的探测在手性分子传感、遥感成像、量子通讯、自旋电子学研究等领域有着十分广泛的应用。传统的圆偏振光探测方法通过1/4波片和偏振片，将圆偏振光转化为线偏振光后进行探测。然而，该方法需要用到大量体光学元件，不利于器件的小型化和片上集成。近年来，研究者们展开了对小型化、集成化的圆偏振直接探测器的研究，目前主要有三条技术路线：基于对左右旋光有吸收差异的手性半导体材料、基于直接响应光子自旋的新型光电机理、或基于具有极高圆二色性的人工微纳结构。这些研究取得了丰硕的成果，但基于手性半导体材料或圆偏振光伏效应的光电探测器常常面临圆偏振辨别能力不足的问题，而具有极高本征手性的准三维人工结构通常需要复杂的加工工艺。

研究创新

为解决上述问题，研究人员深入研究分析了非手性结构中的手性分辨近场模式：在尺度与光波长接近的非手性（具有镜像对称面）结构中，圆偏振光激发的近场模式在对称平面两侧有着不同的光强分布。并且，左旋光与右旋光激发的近场模式分布相反，这源于x偏振光与y偏振光激发模式之间以不同相位产生的相长与相消干涉。该工作选用了V型槽非手性结构，其手性分辨的近场模式通过光电子发射显微镜高分辨近场观测得到验证。

图1 非手性结构中的圆偏振分辨近场模式 a. 局域光场示意图；b.近场模式驱动热载流子，产生方向相反的光电流；c.圆偏振光下的近场模式仿真结果；d.光发射电子显微镜观察到的近场模式分布。

器件机理如图1a所示，通过设计结构的几何参数，可以使左旋光与右旋光激发的光场模式分别集中在结构的右臂与左臂位置，使得结构两侧产生不同的温度上升，驱动光热电材料（碲）中的载流子向低温方向扩散；在V型槽两侧加工有电极以收集热载流子，实现圆偏振敏感的光电响应（图1b）。由于圆偏振敏感的近场模式在宽带范围内存在，且左旋光与右旋光激发近场模式可驱动方向相反的光电压；器件有着的极宽工作带宽与优异的圆偏振分辨能力。

图2 器件结构及测试结果a. 器件结构图；b.器件SEM图；c-e. 405 nm, 520 nm和638 nm波长下随光场偏振态变化的光电压。

图2a, b展示了所设计的圆偏振敏感光电探测器，器件包含多列“电极-V型槽-电极”结构，以抑制由于加工误差和非对称性接触所带来的本底光电流干扰。为避免不同V型槽产生的热电压相互抵消，相邻两列V型槽反向。在零偏压下，得益于左旋光与右旋光激发的光电压方向相反，器件在整个可见波段内都有着极高的分辨比，最高可达~10²（图2c-e）。分辨比，又称不对称因子，定义为左旋光与右旋光激发的光响应之差的绝对值比上其平均值，常用于表征器件的圆偏振分辨能力。器件的暗噪声低，大气稳定性良好，对光场椭圆度变化高度敏感，最低可探测0.03°的光场椭圆度变化。

总结与展望

该研究通过非手性结构中的手性分辨近场模式，实现了宽带、高分辨比的集成化圆偏振光电探测器。该圆偏振探测机理可广泛适用于多种材料、结构、波段和光电响应机理，为开发片上高性能圆偏振光探测器提供了新的思路和方法。

论文信息

Zhang, G., Lyu, X., Qin, Y. et al. High discrimination ratio, broadband circularly polarized light photodetector using dielectric achiral nanostructures. Light Sci Appl 13, 275 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01634-8

北京大学博士生张冠宇为第一作者，北京大学物理学院研究员吕国伟和北京科技大学研究员程宇清为通讯作者。研究工作得到了人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等支持。该研究成果以“High Discrimination Ratio, Broadband Circularly Polarized Light Photodetector Using Dielectric Achiral Nanostructures”为题在线发表在Light: Science & Applications。

编辑 | 郭巳秋

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Light: Science \x26amp; Applications创刊于2012年3月29日，是由中科院长春光机所与英国自然出版集团(NPG)合作出版的全英文开放获取国际光学学术期刊，2013年10月先后被国际著名检索系统SCI 及Scopus收录

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