基于等離激元光子晶體的片上多通道光電探測器

  近日，來自山東師范大學(xué)的何小波博士、蔡陽健教授等研究人員通過利用波長相關(guān)的分束技術(shù)在實驗上證明了等離激元波導(dǎo)中的多波長SPPs (surface plasmon polaritons)的分離光電探測。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

  等離激元光電探測器，因其亞波長的器件尺寸及高響應(yīng)速率在光通信、片上光子計算等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。發(fā)展片上集成的光電探測器，實現(xiàn)對波導(dǎo)中的光信號的快速檢測，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器的研究主要集中于波導(dǎo)中單通道的光電檢測，這將限制光子回路帶寬和集成度的提高。基于等離激元波導(dǎo)的多通道光電探測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平臺。

  研究創(chuàng)新點

  針對以上問題，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等離激元光電探測器設(shè)計。圖1顯示了所提出的等離激元探測器的示意圖，該裝置由一個等離激元光子晶體分束器和兩個MSM（metal-semiconductor-metal）等離激元光電探測器組成。SPPs的激發(fā)和檢測都經(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。進入光電探測器的光強受以下幾個方面的影響：光柵耦合器的耦合效率、波導(dǎo)的傳播損耗、分光效率和探測器光柵的耦合效率。通過平衡實驗中不同部分對激發(fā)波長的響應(yīng)效率，不同激發(fā)光進入指定探測器的強度相當(dāng)。圖1的插圖提供了Au-Si-Au異質(zhì)結(jié)構(gòu)的偏置MSM檢測器的能帶圖。

  圖1 等離激元多通道光電探測器示意圖

  研究人員進一步通過微區(qū)光電測試實驗證實了這一探測器結(jié)構(gòu)在不同激發(fā)光波長下的光電響應(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)光波長下探測器的量子效率情況，不同波長下相近的轉(zhuǎn)換效率將確保指定的檢測器能夠有效地區(qū)分回路中不同波長的SPPs。圖2（c,d)顯示了不同側(cè)光電探測器的偏振響應(yīng)特性取決于激發(fā)光波長，證明了探測器中多個檢測通道可以實現(xiàn)完全獨立的光電檢測。我們相信實現(xiàn)波導(dǎo)中多SPPs的同步光電檢測將有效地提高光子回路的帶寬與功能性。

圖2 針對633和780 nm激發(fā)光波長的分離光電探測。

（a）器件的SEM圖像，兩側(cè)探測器分別由不同顏色虛線框標記；

（b）不同激發(fā)光波長對應(yīng)的探測器量子效率；

（c, d）兩側(cè)探測器的偏振特性取決于激發(fā)光波長

  總結(jié)與展望

  該工作首次提出并證明了等離激元波導(dǎo)中的多波長光信號的分離光電檢測，這對后續(xù)的高帶寬集成芯片的發(fā)展具有重要的意義。同時，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器研究，以進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健教授。本工作得到了國家自然科學(xué)基金青年項目，重大項目及中國博士后基金面上項目等基金的資助。

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