[发明专利]各向异性等离激元谐振腔石墨烯偏振探测器及设计方法

说明书

本发明公开了一种各向异性等离激元谐振腔石墨烯偏振探测器及设计方法，其结构包括衬底材料层、金属反射层、介电间隔层、石墨烯层及金属条栅层。该偏振探测器基于等离激元谐振腔结构，在顶部和底部金属表面之间形成等离激元波导模式，谐振腔的腔长有顶层金属边界定义，当波长与腔长满足干涉相长条件时，模式达到共振状态，实现深亚波长尺度的局域强光场。由于金属条结构的各向异性，该模式只能被偏振方向垂直于金属条栅的入射光激发，可提升石墨烯光吸收和光响应；而偏振方向平行于金属条栅的入射光绝大部分被反射，无法有效激发石墨烯的吸收和光响应，从而实现高偏振消光比以及所选偏振状态的光响应增强。

技术领域

本发明涉及纳米光子学、偏振探测、二维材料光探测等领域，具体是一种实现高偏振消光比的各向异性等离激元谐振腔使能的石墨烯偏振探测器。

背景技术

除了强度和波长，偏振是与光场相关的另一个主要物理量。偏振检测为特征识别提供了一个新的维度，揭示了许多独特而重要的对象信息，偏振检测是增强目标信息识别的强大工具。基于石墨烯的光电探测器因其优异的特性，如从紫外线到太赫兹的宽频带光响应、快速响应时间以及优异的机械弹性和强度，引起了广泛的兴趣。然而，原始石墨烯与大多数光探测材料一样，无法分辨偏振状态。为了得到高性能的应用，有必要寻找一种合适的方法使石墨烯基光电探测器对偏振状态敏感。目前的偏振探测方法，主要基于与探测器分离的偏振器和光学器件。偏振鉴别可以通过旋转偏振器来实现，也可以通过将光路分割成不同状态的偏振器来实现。然而，这些方法都存在一些缺点，如偏振片旋转方法速度慢、灵敏度低，光路分割方法结构复杂、对准精度差，且两者体积都较大。而且复杂光路与多种光学器件的使用影响了光通量，降低了探测器的灵敏度。因此，如何在实现高偏振消光比的同时提高响应率与集成度是新型偏振探测器件需要解决的问题。

基于表面等离激元模式的光学天线给我们提供了新的思路。表面等离激元是存在于金属-介质界面的电磁波与自由电子的集体振荡的耦合激发模式，可沿金属-介质界面传播，垂直于界面向两侧呈指数衰减，强度是自由空间光的几十到几百倍。该模式突破了传统光学的衍射极限，能够在亚波长尺度下有效调控光场。基于表面等离激元新颖的光学特性，许多新型亚波长功能性光子器件被提出，这些器件在全光集成芯片、生物化学传感、太阳能光伏增效和表面增强光谱等众多领域表现出极大的应用潜力。本发明通过设计各向异性的光学天线与石墨烯的复合结构，基于等离激元谐振腔模式的高偏振辨别激发、局域场增强、阻抗匹配耦合，把偏振方向垂直于顶层金属条的入射光高效地转化成为与石墨烯充分交叠的亚波长强光场，大幅提高石墨烯的光吸收和光响应，而对偏振方向平行于顶层金属条的入射光产生高反射，限制石墨烯的光吸收和光响应，实现同时具备高偏振消光比、高集成度、高响应率的石墨烯偏振探测器件，指明了新型偏振探测器件的发展方向。

发明内容：

本文发明的目的在于实现具有高偏振消光比、高集成度、高响应率的石墨烯偏振探测器，具体采用各向异性的等离激元谐振腔与石墨烯光电晶体管的复合结构来实现该器件。等离激元谐振腔增强了偏振方向垂直于金属条的入射光的响应，抑制了偏振方向平行于金属条的入射光的光响应，使偏振消光比达到显著的30倍。是以往报道的所有基于单种二维(2D)材料的偏振敏感光电探测器的3-10倍。

所述的衬底材料层1为表面有300nm厚SiO₂膜层的硅片。

所述的金属反射层2是一层厚度为h₁的完整的金属反射层，厚度h₁不小于电磁波在该金属中趋肤深度的两倍。金属反射层同时可以作为静电栅控石墨烯的栅极，其材质为于金、银、铝或者其合金。

所述的介电间隔层3为SiO₂、Al₂O₃或HfO₂薄膜层，该介质层能够承载等离激元波导模式并同时可作为静电栅控二维材料的绝缘层，其厚度h₂是根据波导公式优化得到的：