南京大学ACS Nano：手性等离子体表面集成的石墨烯-硅光电探测器的整体式全斯托克斯近红外偏振仪

【背景介绍】

光是具有一定振幅、频率和相位的振荡电磁场。偏振态(SoP)表征了光在垂直于传播方向的平面上的电场振荡。标准的集成光电探测器通常会相应光强度的变化，而监测光的内在属性(如相位)在天文学、遥感、量子光学、医学和生物学等领域发挥着重要作用。SoP的测量涉及复杂和庞大的光学系统，包括偏振器、四分之一波板和半波板。等离子体超表面提供了一种缩小系统占地面积的变革方法。因此，开发超表面集成的片上偏振技术，不仅将制造和元件成本降至最低，而且还实现了诸如分析复杂空间变化光束的功能。此外，将全斯托克斯偏振成像和片上偏振测量技术结合在一起，有望彻底改变未来的纳米电子-光子混合集成电路。

一个标准的偏振评估总是包含两个部分:偏振分析器(光学组件)和检测器(电子读数)。常用的策略是利用光学系统将光分解成几个单独的组件，然后用探测器阵列分析设置的Stokes参数。相比之下，片上极化法可以直接从工程检测系统获得的信号中检索SoP。实现片内偏振测量的一种方法是将包括偏振分光器和光干涉仪在内的所有光学元件集成在一块芯片上。然而，复杂的设计和需要额外的空间来分割芯片上的光组件使这条路线不太吸引人。利用材料(如黑磷)的各向异性特性进行偏振检测已被报道，而基于纳米线滤光片的偏振成像也已被提出。然而，这些工作主要集中在光的线偏振上。

等离子超材料和超表面提供迷人的途径来控制和监视亚波长范围的光。添加基于超表面的光学组件（例如金属元素） 已经提出在成像系统之前实现全斯托克斯偏振成像，突出了超表面的潜力。从应用的角度来看，更需要将等离激元超表面直接与光电探测器集成在一起，以实现紧凑的片上偏振技术，以进行时空变化的光检测。

【成果简介】

近日，南京大学电子科学与工程学院王肖沐教授、王军转副教授，浙江大学微纳电子学院徐杨教授等报道了一个由四个超表面集成的石墨烯-硅光电探测器组成的片上偏振仪。超表面的几何手性和各向异性导致了圆偏振分辨光响应和线性偏振分辨光响应，由此可以得到任意偏振光入射红外光(1550nm)的强度、方向和椭圆度等全斯托克斯参数。该设计提出了一个超紧凑架构，同时排除了标准的庞大光学组件和结构冗余。从四个探测器之间的互信息中计算提取全斯托克斯参数，消除了不同偏振态之间的大吸收对比的需要。整体式等离子超表面集成式旋光仪非常适合各种基于极化的应用，包括生物传感，量子信息处理和偏振摄影。该成果近日以题为“Monolithic Full-Stokes Near-Infrared Polarimetry with Chiral Plasmonic Metasurface Integrated Graphene–Silicon Photodetector”发表在著名期刊ACS Nano上，论文第一作者是李泠霏同学。

【图文导读】

图一：设备架构和运行机制

（a）等离子体偏振计的示意图。它由四个硅/石墨烯混合检测器组成，这些检测器与不同方向的Au等离子体超颖表面集成在一起。来自这四个像素的光电流信号能够直接提取任意入射光束的SoP。

（b）庞加莱球的示意图，通过它可以显示完整的斯托克斯信息。S1和S2是表征线性分量方向的线性参数。S3是量化圆形分量的圆极化参数。球体的半径与光强度S0成正比。

（c）偏振仪的SEM图。中间图像和四个单独的放大图像的比例尺分别为20μm和200 nm。

图二：基于等离子体超表面的光电探测器在1550纳米处具有增强的光响应

(a)带和不带等离子体超表面阵列的典型光电探测器的SEM图像，分别命名为“带NPs”和“不带NPs” (比尺条，10μm)。

(b)该器件在等离子体超表面区域的电流电压图。

(c)如图(a)所示的器件的扫描光电流显微镜(入射功率P = 2.8 mW, Vds= 0.5 V)，在有等离子体超表面和没有等离子体超表面的区域观察到明显的对比。光电流以绝对值表示。

(d)该器件在无等离子体超表面区域的电流-电压图。

(e)从（b）获得的光电流与入射功率的关系。显示了功率的线性关系

(f)在不同偏置条件下器件的噪声功率谱密度。

图三：集成等离子体偏振计的偏振分辨特性

(a)极坐标图的光敏反应(P像素)作为偏振角的函数在线性偏振光照明(入射功率P = 1兆瓦,偏见是V = 1)。

(b)计算光学吸收谱下连结控制协定(橙色)和RCP(紫色)照明和CD谱右手metasurface (P)。上图:在1467nm的共振波长处，手性等离子体纳米结构中间的电场切幅值。

(c)光响应(P45像素)作为QWP旋转角度函数的极坐标图。

(d)来自集成等离激元仪的四个输出信号，它是QWP旋转角的函数

图四：用于1550 nm照明的集成等离子旋光仪的SoP

(a, b)通过(a)线性偏振和(b)椭圆偏振输入的四像素偏振分析仪在庞加莱球上测得的SoPs。

(c, d) (a)和(b)中不同偏振态对应的实测Stokes参数。

【小结】

综上，该研究展示了一种紧凑的偏振仪，包括四个等离子超表面集成光电探测器。该设备可准确提取1550 nm红外偏振光的完整SoP信息。微型像素的设计与象限检测器的最经济的架构相结合，可实现高度紧凑的占地面积。手性等离子体超表面极大地简化了极化系统，并使SoP分析能够以几微米的分辨率进行。超紧凑型集成偏振仪有望应用在偏振成像，片上化学传感和其他纳米光子器件中。

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

课题组简介：

本课题组是在南京大学电子科学与工程学院，依托微电子与固体电子学专业，专业的学科带头人是施毅教授。王肖沐教授课题组主要从事中红外光电子器件和纳米光电子器件的研究工作。除了上述工作，中红外光电子器件也是研究重点，在黑磷材料的弹道雪崩器件（Nature Nanotechnology 2019, 14, 217-222），雪崩晶体管（ACS Nano 2020, 14 (1), 434-441）和黑砷磷探测器件（Science Advances 2017, 3 (6), e1700589.）上有相关研究。

相关文献推荐：

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.