基于等离激元光子晶体的片上多通道光电探测器

  近日，来自山东师范大学的何小波博士、蔡阳健教授等研究人员通过利用波长相关的分束技术在实验上证明了等离激元波导中的多波长SPPs (surface plasmon polaritons)的分离光电探测。该研究成果以"On-Chip Detection of Multiwavelength Surface Plasmon Polaritons Based on Plasmonic Demultiplexers"为题于2022年2月2日发表于ACS Photonics。

  研究背景

  等离激元光电探测器，因其亚波长的器件尺寸及高响应速率在光通信、片上光子计算等领域具有广泛的应用前景。发展片上集成的光电探测器，实现对波导中的光信号的快速检测，是片上光信息处理的先决条件。然而，目前的等离激元片上探测器的研究主要集中于波导中单通道的光电检测，这将限制光子回路带宽和集成度的提高。基于等离激元波导的多通道光电探测器研究将为等离激元光子芯片提供高集成度的多通道检测平台。

  研究创新点

  针对以上问题，来自山东师范大学的科研人员提出了基于等离激元光子晶体的片上多波长等离激元光电探测器设计。图1显示了所提出的等离激元探测器的示意图，该装置由一个等离激元光子晶体分束器和两个MSM（metal-semiconductor-metal）等离激元光电探测器组成。SPPs的激发和检测都经由光栅耦合器，它可以将自由空间光子以SPPs的形式转换到金属表面，反之亦然。进入光电探测器的光强受以下几个方面的影响：光栅耦合器的耦合效率、波导的传播损耗、分光效率和探测器光栅的耦合效率。通过平衡实验中不同部分对激发波长的响应效率，不同激发光进入指定探测器的强度相当。图1的插图提供了Au-Si-Au异质结构的偏置MSM检测器的能带图。

  图1 等离激元多通道光电探测器示意图

  研究人员进一步通过微区光电测试实验证实了这一探测器结构在不同激发光波长下的光电响应特性。图2(a)为整体器件的SEM图像，结构包括：耦合光栅、波导、分束器及探测器单元，显示出高集成特性。图2(b)给出了不同激发光波长下探测器的量子效率情况，不同波长下相近的转换效率将确保指定的检测器能够有效地区分回路中不同波长的SPPs。图2（c,d)显示了不同侧光电探测器的偏振响应特性取决于激发光波长，证明了探测器中多个检测通道可以实现完全独立的光电检测。我们相信实现波导中多SPPs的同步光电检测将有效地提高光子回路的带宽与功能性。

图2 针对633和780 nm激发光波长的分离光电探测。

（a）器件的SEM图像，两侧探测器分别由不同颜色虚线框标记；

（b）不同激发光波长对应的探测器量子效率；

（c, d）两侧探测器的偏振特性取决于激发光波长

  总结与展望

  该工作首次提出并证明了等离激元波导中的多波长光信号的分离光电检测，这对后续的高带宽集成芯片的发展具有重要的意义。同时，我们提出的SPPs分离结构具备很好的代表性，这将为后续的片上集成化研究提供良好的借鉴性和拓展性。在未来的研究工作中，课题组将致力更加紧凑和高效的等离激元光电探测器研究，以进一步提升光电器件的集成度与功能性。论文的第一作者为山东师范大学青年教师何小波博士，论文的共同通讯作者为石俊俊博士和蔡阳健教授。本工作得到了国家自然科学基金青年项目，重大项目及中国博士后基金面上项目等基金的资助。

  论文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01550