基于手性等离激元超构材料的电增益辅助圆偏振光探测(tamm等离激元)

圆偏振光(CPL)探测在生物手性传感、量子通信和片上光学加密等领域需求迫切,但现有器件始终受“g因子-响应度-稳定性”三角矛盾的困扰:有机手性材料虽可直接区分左旋/右旋光,却稳定性差、响应度低;无机手性等离激元结构寿命长,却因热电子注入效率低而响应度不足。本文提出“手性等离激元+电增益”协同策略,将“S”形左手螺旋Ag纳米线嵌入InAs/Si异质结,构建新型中红外CPL探测器。设计思路是让Ag纳米线在2–2.8 μm波段对不同旋向光激发差异化局域表面等离激元共振,形成>1.2的光学不对称吸收;同时以InAs为导电通道,利用光导、光栅、栅压调控及陷阱效应多级电增益,使光生载流子寿命大幅延长,从而在10 mV低偏压下同时实现gph≈1.56、R≈3.39×10⁴ A W⁻¹、D*≈1.8×10¹¹ Jones、响应时间≈23 ns的纪录性能。进一步通过改变栅压、陷阱能级和掺杂浓度,可连续放大信号而不牺牲gph;自驱动模式下器件仍保持0.35 A W⁻¹、8.5×10¹³ Jones、10 ps的超快响应。团队将LCP/RCP分别编码为“1/0”比特,实验展示了无需密钥的ASCII字符“ZG”加密传输,而商用InGaAs探测器仅能捕获恒定电流,无法破解信息。该工作首次在同一无机『芯片』上破解g-R-稳定性不可兼得的难题,为下一代高集成、低功耗、安全通信提供了通用平台。

Fig.1 “S”形手性Ag纳米线/InAs/Si圆偏振光探测器的结构示意图与光学性能

Fig.2 器件电学不对称性:I-V特性、响应度/电g因子随偏压变化及载流子分布

Fig.3 电增益增强与性能汇总:光功率、栅压、陷阱能级、掺杂及温度对R、gph、D的调控

Fig.4 自驱动模式:器件结构、能带、光谱响应、D与响应时间

Fig.5 加密通信演示:系统架构、ASCII编码、CPL探测器与商用InGaAs探测器的对比电流波形

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