具有超高分辨力的片上红外圆偏振探测器

偏振作为光的主要物理量，引起了几乎所有光学科学和技术的极大兴趣。除了线偏振检测之外，圆偏振(或光椭圆率)检测对于手性分子区分、视觉去雾、磁场传感、量子通信和密码学也至关重要。传统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率检测器的复杂性和尺寸。

近年来，随着器件小型化和集成化的趋势，许多研究开展了将等离子体手性结构直接与光电探测材料集成以实现紧凑的光椭圆度探测器的研究。

集成的等离子体手性结构不仅提供圆偏振辨别，而且还通过增强的局部场增强检测材料的吸收率。然而，最大的问题是光椭圆度辨别力不足。圆偏振消光比(CPER)定义为主圆偏振状态下的光的响应度与正交圆偏振状态下的光的响应度之比，通常低于5。

相比之下，传统圆偏振器的CPER通常高于1000。关键问题是无法有效抑制对不需要的偏振的光响应。

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周静教授、胡伟达教授、陈晓双教授和陆伟教授领导的科学家团队在《光：科学与应用》上发表的一篇新论文中，提出了光电静默态的概念，以解决集成圆偏振探测器对光椭圆率辨别不足的问题。

该团队设计并演示了一种静音状态增强型片上红外圆偏振探测器，它是两个普通集成圆偏振探测器的组合，具有对映体相反的椭圆度依赖性和相反的光响应极性。两种光响应的叠加导致光电子静默状态为零，并且噪声得到显着抑制。

通过调整两个光响应叠加的幅度，可以将静音状态设置为各种偏振状态。当静音状态与圆偏振状态或手性转变点(例如，水平或垂直偏振)一致时，实现对光椭圆率变化的异常高的CPER或异常高的灵敏度。

a，基于实验数据的LCP响应超高CPER模式下静态增强片上红外圆偏振探测器的CPER(λ，f)轮廓。b，平衡模式下NEΔχ(χ,f)的轮廓。c，普通模式和平衡模式下光电流随时间和椭圆角的变化。由旋转HWP控制的椭圆度角与时间相关。d、单像素成像演示。图片来源：卜永浩、任贤松、周静、张振汉、邓杰、徐航宇、谢润章、李天新、胡伟达、郭夏、卢伟和陈小双

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点。在Au-Al2O3衬底表面制备源极区和漏极区，两区之间保持沟道，沟道材料为MoS2。由源极和漏极之间的接触产生的两个面对面的肖特基结和MoS2提供自驱动和相反方向的光学响应。

在近红外范围内，MoS2-Au结处的自驱动光电流归因于等离子体共振引起的热电子注入。

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

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

对于超高CPER模式，考虑到环境噪声和设备噪声，作者将CPER重新定义为不仅是波长的函数，而且是入射光调制频率的函数。在超高CPER模式下，考虑到环境和设备的噪声，CPER与入射光的波长和调制频率有关。当调制频率超过1kHz时，CPER值超过104。

在平衡模式下，在水平和垂直线偏振下设置光电静音状态，对光椭圆率变化表现出超高的灵敏度。噪声等效光椭圆率差低于0.009°Hz-1/2。值得注意的是，工作在平衡模式下的器件还表现出优异的抗共模噪声能力。

单像素成像结果证明了该器件在红外圆偏振检测领域的潜力。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，器件根本不响应RCP光。

在平衡模式下，在HP和VP等手性转变点处出现静默状态，光电流的极性表示入射光的偏振手性：i>0(i<0)为左手(右旋)偏振，对HP和VP光没有响应。

综上所述，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率的超高分辨。50mm以下的超紧凑尺寸和卓越的性能有力地表明光电静音态增强片上圆偏振探测器是普通集成圆偏振探测器的一个有前途的升级，并显示出替代传统圆偏振探测器的巨大潜力。