具有超高分辨能力的片上红外圆偏振探测器

原文标题：On-chip infrared circular polarization detector with ultrahigh discrimination

翻译：光电查

a. 基于金属-MoS2-金属结构的片上红外圆偏振探测器的器件结构。 b. 两个金属-MoS2 结作为两个面对面连接的肖特基二极管的能带图；以及热电子注入说明。d, 两个分别集成了左手 Z 天线和右手 Z 天线的普通集成圆偏振探测器在超高 CPER 模式和平衡模式下的示意图；以及相应的与光椭圆度相关的光电流图。 e, 普通集成圆偏振探测器的 CPER 与集成圆偏振探测器二聚体在超高 CPER 模式下的 CPER 比较。 f, 基于理论分析的 NEΔχ (χ, f) 等值线。通讯作者：卜永浩、任贤松、周静、张振汉、邓杰、徐航宇、谢润章、李天鑫、胡伟达、郭霞、卢伟、陈晓双

偏振作为光的主要物理量，几乎对所有光学科学和技术都具有重大意义。除线性偏振检测外，圆偏振（或光椭圆度）检测对于手性分子区分、视觉去晕、磁场传感、量子通信和密码学也至关重要。传统的解决方案依赖于包含偏振器和波片的外部光学系统，这不利地增加了光椭圆度检测器的复杂性和尺寸。

近年来，随着设备微型化和集成化趋势的发展，许多研究人员开展了将等离子体手性结构直接与光探测材料集成以实现紧凑型光椭圆度探测器的研究。

集成后的等离子手性结构不仅能提供圆偏振分辨能力，还能通过强化局部场增强检测材料的吸收能力。然而，最大的问题是光椭圆度分辨能力不足。圆偏振消光比（CPER）是指原理圆偏振态光的响应率与正交圆偏振态光的响应率之比，通常低于 5。

相比之下，传统圆偏振器的 CPER 通常高于 1000。问题的关键在于不能有效抑制对不需要的偏振的光响应。

在发表于《光： 科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇新论文中，由中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室的周京、胡伟达、陈晓双和卢伟教授领导的科学家团队提出了光电静默态的概念，以解决集成圆偏振探测器光椭圆度分辨能力不足的问题。

该团队设计并演示了一种静默态增强型片上红外圆偏振探测器，它由两个具有对映体相反椭圆度依赖性和相反光响应极性的普通集成圆偏振探测器组合而成。两个光响应的叠加会产生一个光电静默态，其光电流为零，噪声被显著抑制。

通过调整两个光响应的叠加幅度，可以在不同的偏振态下设置静默态。当静默态与圆偏振态或手性转换点（如水平或垂直偏振）重合时，就能实现奇异的高 CPER 或对光椭圆度变化的奇异高灵敏度。

a, 基于实验数据的 LCP 响应超高 CPER 模式下静默态增强片上红外圆偏振探测器的 CPER（λ，f）的等值线。d, 单像素成像演示。作者：卜永浩、任贤松、周静、张振汉、邓杰、徐航宇、谢润章、李天鑫、胡伟达、郭霞、卢伟、陈晓双

该研究展示了基于光电静默态的集成圆偏振探测器的结构和优势。在 Au-Al2O3 衬底表面制备了源区和漏区，两个区域之间保持了一个通道，通道材料是 MoS2。源极和漏极与 MoS2 接触产生的两个面对面肖特基结提供了自驱动和反方向的光学响应。

在近红外范围内，MoS2-Au 结的自驱动光电流归因于等离子体共振诱导的热电子注入。

Z 型天线不仅增强了肖特基结的响应性，而且由于其对圆偏振光的选择性吸收，使探测器源极和漏极区域的自驱动响应呈现出圆偏振依赖性：源极对左旋圆偏振光（LCP）的响应强于对右旋圆偏振光（RCP）的响应，而漏极对 RCP 光的响应强于对 LCP 光的响应。

静态增强型片上红外圆偏振探测器在实验中表现出了超高的圆偏振分辨能力。事实上，实际测试设备的输出值不可能绝对为零，其下限是噪声（inoise），因此 CPER 被重新定义为 LCP（主偏振）光照下的光响应与 RCP（需要屏蔽的偏振态）光照下的噪声之比。

对于超高 CPER 模式，考虑到环境噪声和设备噪声，作者将 CPER 重新定义为入射光波长和调制频率的函数。在超高 CPER 模式下，考虑到来自环境和设备的噪声，CPER 与入射光的波长和调制频率有关。当调制频率超过 1 kHz 时，CPER 值超过 104。

在平衡模式下，光电静默状态被设定为水平和垂直线性偏振，显示出对光椭偏变化的超高灵敏度。噪声等效光椭偏差低于 0.009° Hz-1/2。值得注意的是，在平衡模式下工作的器件还具有出色的抗共模噪声能力。

单像素成像结果证明了该装置在红外圆偏振探测领域的潜力。在普通圆偏振检测模式下，由于 CPER 较低，无法完全消除 RCP 光信号。在超高 CPER 模式下，设备对 RCP 光完全没有反应。

在平衡模式下，静默态出现在手性转换点，如 HP 和 VP，光电流的极性表示入射光的手性偏振：i > 0（i < 0）表示左手（右手）偏振，对 HP 和 VP 光没有响应。

总之，基于光电静默态的片上红外圆偏振探测器实现了对光椭圆度的超高分辨能力。低于 50 毫米的超小型尺寸和优异的性能有力地表明，光电静默态增强型片上圆偏振探测器是普通集成圆偏振探测器的升级换代产品，具有取代传统圆偏振探测器的巨大潜力。

参考资料

Yonghao Bu et al, Configurable circular-polarization-dependent optoelectronic silent state for ultrahigh light ellipticity discrimination, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01193-4