基于平面等离激元超材料的电调控圆偏振光探测研究

Circularly polarized light (CPL) detection is utilized in various optical techniques and devices, ranging from polarization imaging, quantum computation to spin optical communication. The major barrier towards application is the realization of integrated CMOS-compatible CPL detectors in planar plasmonic metamaterials. This project explores CPL detection with hot electrons in planar plasmonic metamaterials from both theory and application aspects. Fundamental theoretical analysis shows that the designed planar chiral structure has large circular dichroism (CD) and wavelength selectivity, which makes it perfect for CPL detection. Therefore, we fabricate the detector with ‘Z’-shaped antenna chiral structure on top of the silicon substrate, and CPL with different chirality is distinguished and detected based on the mechanism of hot electron photodetection. Furthermore, we add ultrathin insulator in the structure and apply reverse electric field to manipulate the device, aiming at improving the photon-to-electron conversion efficiency of the CPL detector. It will be well developed for high CD (>80%) and high IPCE (>10%) CPL detector with wavelength tunability and provide research backgrounds for the application of CPL in the optoelectronic integration.

圆偏振光在偏振成像、量子计算、自旋光通讯等领域具有重要的应用价值，实现与集成电路工艺匹配的圆偏振光探测是研究中的关键难点，本项目拟对基于平面等离激元超材料的圆偏振光检测进行深入的理论和应用研究。我们的初步理论计算结果表明，优化的平面超材料具有较大的圆二色性及灵活的波长选择特性，是实现高效圆偏振光检测的理想结构。因此,我们将在硅衬底上制备“Z”字形平面手性结构，利用等离激元热电子发射原理实现微型电输出圆偏振光检测；在此基础上进一步采用介质层修饰和反向电场调控，可以显著提高器件的光电转换效率；通过反向偏压对热电子输运过程及注入效率调控，提高器件的量子效率和偏振响应性能，从而在近红外波段获得高圆二色性（>80%）、高量子效率的（>10%）、波长选择灵敏的电调控圆偏振光检测。本项目将为发展圆偏振检测在光电集成中的应用提供科学依据和技术基础。

随着信息技术的飞速发展，对电磁波实现从强度、频率、偏振、相位等角度灵活自由地调控成为人们孜孜以求的梦想。超材料光学的快速发展极大地增强了人们对电磁波的调控能力，打开了新世界的大门。电磁超材料是由远小于波长的功能单元和它们的空间序构所构成的一类新型材料，其光学特性依赖于结构而并非只是材料本身的化学组成，具有许多天然材料所无法实现的强大调控功能。本项目基于金属和电介质电磁超材料结构，结合氧化钒、石墨烯等活性调控因子，研究了其对电磁波偏振、相位、透反射响应、传播速度等多维度的调控，取得了一定的研究成果。. 基于上述背景，本项目首先研究了三维金属半螺旋线超结构对圆偏振光的响应，该手性结构表现出明显的左右旋圆偏振选择效果，同时在其透射光谱中还观测到电磁感应透明效应，并在左右旋圆偏振光透过时观测到17.7ns的时延，在量子通讯、光存储等领域有较大的应用前景。考虑到三维超结构存在一定的加工困难以及实际应用中对动态调控的切实需求，我们研究了基于氧化钒的双层谐振环的超表面结构，通过激光热效应控制氧化钒的相变过程及电导率，获得了可调谐的圆二色性响应和电磁感应透明现象，有望应用于动态电磁调控及光学调节领域。得益于介质材料在红外波段较小的欧姆损耗，我们完成了电调控的全介质超表面研究，通过栅压控制石墨烯修饰的硅超表面结构，实现了灵活可调的电磁感应透明现象及慢光效果。该工作可进一步拓展，实现对偏振、相位、透反射率、速度等多参量的全面电磁调控，为超表面在非线性光学、光存储、激光雷达等领域的应用奠定基础，从而给国民经济和国防建设带来新的促进和发展。