基于等離激元光子晶體的片上多通道光電探測(cè)器

  近日，來自山東師范大學(xué)的何小波博士、蔡陽(yáng)健教授等研究人員通過利用波長(zhǎng)相關(guān)的分束技術(shù)在實(shí)驗(yàn)上證明了等離激元波導(dǎo)中的多波長(zhǎng)SPPs (surface plasmon polaritons)的分離光電探測(cè)。該研究成果以"On-Chip Detection of Multiwavelength Surface Plasmon Polaritons Based on Plasmonic Demultiplexers"為題于2022年2月2日發(fā)表于ACS Photonics。

  研究背景

  等離激元光電探測(cè)器，因其亞波長(zhǎng)的器件尺寸及高響應(yīng)速率在光通信、片上光子計(jì)算等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。發(fā)展片上集成的光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)中的光信號(hào)的快速檢測(cè)，是片上光信息處理的先決條件。然而，目前的等離激元片上探測(cè)器的研究主要集中于波導(dǎo)中單通道的光電檢測(cè)，這將限制光子回路帶寬和集成度的提高?；诘入x激元波導(dǎo)的多通道光電探測(cè)器研究將為等離激元光子芯片提供高集成度的多通道檢測(cè)平臺(tái)。

  研究創(chuàng)新點(diǎn)

  針對(duì)以上問題，來自山東師范大學(xué)的科研人員提出了基于等離激元光子晶體的片上多波長(zhǎng)等離激元光電探測(cè)器設(shè)計(jì)。圖1顯示了所提出的等離激元探測(cè)器的示意圖，該裝置由一個(gè)等離激元光子晶體分束器和兩個(gè)MSM（metal-semiconductor-metal）等離激元光電探測(cè)器組成。SPPs的激發(fā)和檢測(cè)都經(jīng)由光柵耦合器，它可以將自由空間光子以SPPs的形式轉(zhuǎn)換到金屬表面，反之亦然。進(jìn)入光電探測(cè)器的光強(qiáng)受以下幾個(gè)方面的影響：光柵耦合器的耦合效率、波導(dǎo)的傳播損耗、分光效率和探測(cè)器光柵的耦合效率。通過平衡實(shí)驗(yàn)中不同部分對(duì)激發(fā)波長(zhǎng)的響應(yīng)效率，不同激發(fā)光進(jìn)入指定探測(cè)器的強(qiáng)度相當(dāng)。圖1的插圖提供了Au-Si-Au異質(zhì)結(jié)構(gòu)的偏置MSM檢測(cè)器的能帶圖。

  圖1 等離激元多通道光電探測(cè)器示意圖

  研究人員進(jìn)一步通過微區(qū)光電測(cè)試實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一探測(cè)器結(jié)構(gòu)在不同激發(fā)光波長(zhǎng)下的光電響應(yīng)特性。圖2(a)為整體器件的SEM圖像，結(jié)構(gòu)包括：耦合光柵、波導(dǎo)、分束器及探測(cè)器單元，顯示出高集成特性。圖2(b)給出了不同激發(fā)光波長(zhǎng)下探測(cè)器的量子效率情況，不同波長(zhǎng)下相近的轉(zhuǎn)換效率將確保指定的檢測(cè)器能夠有效地區(qū)分回路中不同波長(zhǎng)的SPPs。圖2（c,d)顯示了不同側(cè)光電探測(cè)器的偏振響應(yīng)特性取決于激發(fā)光波長(zhǎng)，證明了探測(cè)器中多個(gè)檢測(cè)通道可以實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立的光電檢測(cè)。我們相信實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)中多SPPs的同步光電檢測(cè)將有效地提高光子回路的帶寬與功能性。

圖2 針對(duì)633和780 nm激發(fā)光波長(zhǎng)的分離光電探測(cè)。

（a）器件的SEM圖像，兩側(cè)探測(cè)器分別由不同顏色虛線框標(biāo)記；

（b）不同激發(fā)光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的探測(cè)器量子效率；

（c, d）兩側(cè)探測(cè)器的偏振特性取決于激發(fā)光波長(zhǎng)

  總結(jié)與展望

  該工作首次提出并證明了等離激元波導(dǎo)中的多波長(zhǎng)光信號(hào)的分離光電檢測(cè)，這對(duì)后續(xù)的高帶寬集成芯片的發(fā)展具有重要的意義。同時(shí)，我們提出的SPPs分離結(jié)構(gòu)具備很好的代表性，這將為后續(xù)的片上集成化研究提供良好的借鑒性和拓展性。在未來的研究工作中，課題組將致力更加緊湊和高效的等離激元光電探測(cè)器研究，以進(jìn)一步提升光電器件的集成度與功能性。論文的第一作者為山東師范大學(xué)青年教師何小波博士，論文的共同通訊作者為石俊俊博士和蔡陽(yáng)健教授。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目，重大項(xiàng)目及中國(guó)博士后基金面上項(xiàng)目等基金的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01550