On-Chip-Infrarot-Zirkularpolarisationsdetektor mit ultrahoher Unterscheidung

Polarisation ist als primäre physikalische Größe des Lichts für fast alle optischen Wissenschaften und Technologien von großem Interesse. Neben der Detektion der linearen Polarisation ist die Detektion der zirkularen Polarisation (oder Lichtelliptizität) für die Unterscheidung chiraler Moleküle, die Enttrübung des Sehvermögens, die Magnetfelderkennung, die Quantenkommunikation und die Kryptographie von wesentlicher Bedeutung. Herkömmliche Lösungen basieren auf externen optischen Systemen mit Polarisatoren und Wellenplatten, was die Komplexität und Größe von Lichtelliptizitätsdetektoren ungünstig erhöht.

In den letzten Jahren wurden im Zuge des Trends zur Miniaturisierung und Integration von Geräten viele Untersuchungen zur direkten Integration plasmonischer chiraler Strukturen in Photodetektionsmaterialien durchgeführt, um kompakte Lichtelliptizitätsdetektoren zu realisieren.

Die integrierten plasmonischen chiralen Strukturen ermöglichen nicht nur eine Zirkularpolarisationsunterscheidung, sondern erhöhen auch die Absorptionsfähigkeiten der Nachweismaterialien durch ein verstärktes lokales Feld. Das größte Problem ist jedoch die unzureichende Unterscheidung der leichten Elliptizität. Das Zirkularpolarisations-Extinktionsverhältnis (CPER), definiert als das Verhältnis der Empfindlichkeit für das Licht im grundsätzlichen Zirkularpolarisationszustand zu der für das Licht im orthogonalen Zirkularpolarisationszustand, liegt typischerweise unter 5.

Im Vergleich dazu liegt der CPER eines herkömmlichen Zirkularpolarisators normalerweise über 1000. Das Hauptproblem besteht darin, dass die Photoreaktion auf die unerwünschte Polarisation nicht effizient unterdrückt werden kann.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Jing Zhou, Weida Hu, Xiaoshuang Chen und Wei Lu vom State Key Laboratory of Infrarot Physics, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, schlägt das Konzept des optoelektronischen Ruhezustands vor, um die unzureichende Lichtelliptizitätsunterscheidung integrierter Zirkularpolarisationsdetektoren zu beheben.

Das Team entwirft und demonstriert einen On-Chip-Infrarot-Zirkularpolarisationsdetektor mit verbessertem Ruhezustand als Kombination aus zwei gewöhnlichen integrierten Zirkularpolarisationsdetektoren mit enantiomerengegensätzlichen Elliptizitätsabhängigkeiten und entgegengesetzten Photoreaktionspolaritäten. Die Überlagerung der beiden Photoreaktionen führt zu einem optoelektronischen Ruhezustand ohne Photostrom und deutlich unterdrücktem Rauschen.

Der stille Zustand kann auf verschiedene Polarisationszustände eingestellt werden, indem die Größen der beiden Photoreaktionen zur Überlagerung abgestimmt werden. Ein besonders hoher CPER oder eine besonders hohe Empfindlichkeit gegenüber Lichtelliptizitätsänderungen wird erreicht, wenn der stille Zustand mit einem zirkularen Polarisationszustand oder einem Chiralitätsübergangspunkt (z. B. horizontaler oder vertikaler Polarisation) zusammenfällt.

Die Forschung zeigt die Struktur und Vorteile des integrierten Zirkularpolarisationsdetektors basierend auf dem photoelektrischen Ruhezustand. Die Source- und Drain-Regionen werden auf der Oberfläche des Au-Al2O3-Substrats vorbereitet, und zwischen den beiden Regionen wird ein Kanal aufrechterhalten, und das Kanalmaterial ist MoS2. Zwei gegenüberliegende Schottky-Übergänge, die aus dem Kontakt zwischen den Source- und Drain-Elektroden und MoS2 resultieren, sorgen für eine selbstgesteuerte und entgegengesetzt gerichtete optische Reaktion.

Im nahen Infrarotbereich werden die selbstgesteuerten Photoströme am MoS2-Au-Übergang auf die durch Plasmonenresonanz induzierte Injektion heißer Elektronen zurückgeführt.

Die Z-Antenne verbessert nicht nur die Empfindlichkeit des Schottky-Übergangs, sondern lässt auch die selbstgesteuerte Reaktion in den Source- und Drain-Elektrodenbereichen des Detektors aufgrund ihrer selektiven Absorption von zirkular polarisiertem Licht zirkularpolarisationsabhängig erscheinen: Die Reaktion der Quelle ist stärker auf linksdrehend zirkular polarisiertes Licht (LCP) als auf rechtsdrehend zirkular polarisiertes Licht (RCP), während die Reaktion des Drain auf RCP-Licht stärker ist als bei LCP.

Der im Ruhezustand integrierte Infrarot-Zirkularpolarisationsdetektor zeigt im Experiment eine extrem hohe Zirkularpolarisationsunterscheidungsfähigkeit. Tatsächlich kann der Ausgangswert tatsächlicher Testgeräte nicht absolut Null sein, und die untere Grenze ist das Rauschen (Inoise). Daher wird CPER neu definiert als das Verhältnis der Photoantwort unter LCP-Beleuchtung (Hauptpolarisation) zum Rauschen unter RCP-Beleuchtung (Polarisationszustände, die abgeschirmt werden müssen).

Für den Ultra-High-CPER-Modus definieren die Autoren CPER unter Berücksichtigung von Umgebungsgeräuschen und Gerätegeräuschen nicht nur als Funktion der Wellenlänge, sondern auch der Modulationsfrequenz des einfallenden Lichts neu. Im Ultra-High-CPER-Modus hängt der CPER unter Berücksichtigung des Umgebungs- und Geräterauschens von der Wellenlänge und der Modulationsfrequenz des einfallenden Lichts ab. Wenn die Modulationsfrequenz 1 kHz überschreitet, überschreitet der CPER-Wert 104.

Im ausgeglichenen Modus wurde der optoelektronische Ruhezustand auf die horizontale und vertikale lineare Polarisation eingestellt, was eine extrem hohe Empfindlichkeit gegenüber Lichtelliptizitätsänderungen zeigte. Die rauschäquivalente Lichtelliptizitätsdifferenz liegt unter 0,009° Hz−1/2. Es ist anzumerken, dass das im symmetrischen Modus arbeitende Gerät auch eine hervorragende Fähigkeit zur Bekämpfung von Gleichtaktrauschen aufweist.

Die Ergebnisse der Einzelpixel-Bildgebung zeigen das Potenzial des Geräts im Bereich der Infrarot-Zirkularpolarisationserkennung. Im normalen Zirkularpolarisationserkennungsmodus ist es aufgrund des niedrigen CPER unmöglich, das Signal des RCP-Lichts vollständig zu eliminieren. Im Ultrahigh-CPER-Modus reagiert das Gerät überhaupt nicht auf RCP-Licht.

Im ausgeglichenen Modus erscheint der stille Zustand an Chiralitätsübergangspunkten wie HP und VP, die Polarität des Photostroms gibt die Polarisationschiralität des einfallenden Lichts an: i > 0 (i Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die ultrahohe Unterscheidung der Lichtelliptizität in einem On-Chip-Infrarot-Zirkularpolarisationsdetektor basierend auf dem optoelektronischen Ruhezustand realisiert wird. Die ultrakompakte Größe unter 50 mm und die überlegene Leistung weisen stark darauf hin, dass die optoelektronischen, durch den stillen Zustand verbesserten On-Chip-Zirkularpolarisationsdetektoren eine vielversprechende Verbesserung gegenüber gewöhnlichen Detektoren darstellen integrierte Zirkularpolarisationsdetektoren und weist großes Potenzial auf, herkömmliche Zirkularpolarisationsdetektoren zu ersetzen.