南京大學ACS Nano：手性等離子體表面集成的石墨烯-硅光電探測器的整體式全斯托克斯近紅外偏振儀

【背景介紹】

光是具有一定振幅、頻率和相位的振蕩電磁場。偏振態(SoP)表征了光在垂直于傳播方向的平面上的電場振蕩。標準的集成光電探測器通常會相應光強度的變化，而監測光的內在屬性(如相位)在天文學、遙感、量子光學、醫學和生物學等領域發揮著重要作用。SoP的測量涉及復雜和龐大的光學系統，包括偏振器、四分之一波板和半波板。等離子體超表面提供了一種縮小系統占地面積的變革方法。因此，開發超表面集成的片上偏振技術，不僅將制造和元件成本降至最低，而且還實現了諸如分析復雜空間變化光束的功能。此外，將全斯托克斯偏振成像和片上偏振測量技術結合在一起，有望徹底改變未來的納米電子-光子混合集成電路。

一個標準的偏振評估總是包含兩個部分:偏振分析器(光學組件)和檢測器(電子讀數)。常用的策略是利用光學系統將光分解成幾個單獨的組件，然后用探測器陣列分析設置的Stokes參數。相比之下，片上極化法可以直接從工程檢測系統獲得的信號中檢索SoP。實現片內偏振測量的一種方法是將包括偏振分光器和光干涉儀在內的所有光學元件集成在一塊芯片上。然而，復雜的設計和需要額外的空間來分割芯片上的光組件使這條路線不太吸引人。利用材料(如黑磷)的各向異性特性進行偏振檢測已被報道，而基于納米線濾光片的偏振成像也已被提出。然而，這些工作主要集中在光的線偏振上。

等離子超材料和超表面提供迷人的途徑來控制和監視亞波長范圍的光。添加基于超表面的光學組件（例如金屬元素）?已經提出在成像系統之前實現全斯托克斯偏振成像，突出了超表面的潛力。從應用的角度來看，更需要將等離激元超表面直接與光電探測器集成在一起，以實現緊湊的片上偏振技術，以進行時空變化的光檢測。

【成果簡介】

近日，南京大學電子科學與工程學院王肖沐教授、王軍轉副教授，浙江大學微納電子學院徐楊教授等報道了一個由四個超表面集成的石墨烯-硅光電探測器組成的片上偏振儀。超表面的幾何手性和各向異性導致了圓偏振分辨光響應和線性偏振分辨光響應，由此可以得到任意偏振光入射紅外光(1550nm)的強度、方向和橢圓度等全斯托克斯參數。該設計提出了一個超緊湊架構，同時排除了標準的龐大光學組件和結構冗余。從四個探測器之間的互信息中計算提取全斯托克斯參數，消除了不同偏振態之間的大吸收對比的需要。整體式等離子超表面集成式旋光儀非常適合各種基于極化的應用，包括生物傳感，量子信息處理和偏振攝影。該成果近日以題為“Monolithic Full-Stokes Near-Infrared Polarimetry with Chiral Plasmonic Metasurface Integrated Graphene–Silicon Photodetector”發表在著名期刊ACS Nano上，論文第一作者是李泠霏同學。

【圖文導讀】

圖一：設備架構和運行機制

（a）等離子體偏振計的示意圖。它由四個硅/石墨烯混合檢測器組成，這些檢測器與不同方向的Au等離子體超穎表面集成在一起。來自這四個像素的光電流信號能夠直接提取任意入射光束的SoP。

（b）龐加萊球的示意圖，通過它可以顯示完整的斯托克斯信息。S1和S2是表征線性分量方向的線性參數。S3是量化圓形分量的圓極化參數。球體的半徑與光強度S0成正比。

（c）偏振儀的SEM圖。中間圖像和四個單獨的放大圖像的比例尺分別為20μm和200 nm。

圖二：基于等離子體超表面的光電探測器在1550納米處具有增強的光響應

(a)帶和不帶等離子體超表面陣列的典型光電探測器的SEM圖像，分別命名為“帶NPs”和“不帶NPs” (比尺條，10μm)。

(b)該器件在等離子體超表面區域的電流電壓圖。

(c)如圖(a)所示的器件的掃描光電流顯微鏡(入射功率P = 2.8 mW, Vds= 0.5 V)，在有等離子體超表面和沒有等離子體超表面的區域觀察到明顯的對比。光電流以絕對值表示。

(d)該器件在無等離子體超表面區域的電流-電壓圖。

(e)從（b）獲得的光電流與入射功率的關系。顯示了功率的線性關系

(f)在不同偏置條件下器件的噪聲功率譜密度。

圖三：集成等離子體偏振計的偏振分辨特性

(a)極坐標圖的光敏反應(P像素)作為偏振角的函數在線性偏振光照明(入射功率P = 1兆瓦,偏見是V = 1)。

(b)計算光學吸收譜下連結控制協定(橙色)和RCP(紫色)照明和CD譜右手metasurface (P)。上圖:在1467nm的共振波長處，手性等離子體納米結構中間的電場切幅值。

(c)光響應(P45像素)作為QWP旋轉角度函數的極坐標圖。

(d)來自集成等離激元儀的四個輸出信號，它是QWP旋轉角的函數

圖四：用于1550 nm照明的集成等離子旋光儀的SoP

(a, b)通過(a)線性偏振和(b)橢圓偏振輸入的四像素偏振分析儀在龐加萊球上測得的SoPs。

(c, d) (a)和(b)中不同偏振態對應的實測Stokes參數。

【小結】

綜上，該研究展示了一種緊湊的偏振儀，包括四個等離子超表面集成光電探測器。該設備可準確提取1550 nm紅外偏振光的完整SoP信息。微型像素的設計與象限檢測器的最經濟的架構相結合，可實現高度緊湊的占地面積。手性等離子體超表面極大地簡化了極化系統，并使SoP分析能夠以幾微米的分辨率進行。超緊湊型集成偏振儀有望應用在偏振成像，片上化學傳感和其他納米光子器件中。

文獻鏈接：Monolithic Full-Stokes Near-Infrared Polarimetry with Chiral Plasmonic Metasurface Integrated Graphene–Silicon Photodetector (ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c00724)

課題組簡介：

本課題組是在南京大學電子科學與工程學院，依托微電子與固體電子學專業，專業的學科帶頭人是施毅教授。王肖沐教授課題組主要從事中紅外光電子器件和納米光電子器件的研究工作。除了上述工作，中紅外光電子器件也是研究重點，在黑磷材料的彈道雪崩器件（Nature Nanotechnology 2019, 14, 217-222），雪崩晶體管（ACS Nano 2020, 14 (1), 434-441）和黑砷磷探測器件（Science Advances 2017, 3 (6), e1700589.）上有相關研究。

相關文獻推薦：

Room-temperature valleytronic transistor. Nature Nanotechnology 2020, 15 (9), 743-749.

Plasmon Excited Ultrahot Carriers and Negative Differential Photoresponse in a Vertical Graphene van der Waals Heterostructure. Nano Letters 2019, 19 (5), 3295-3304.