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Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4560 (2022) Citer cet article

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Les polarimètres sur puce sont hautement souhaitables pour les systèmes optiques et optoélectroniques ultra-compacts de nouvelle génération. Les photodétecteurs sensibles à la polarisation reposant sur l'absorption anisotrope de matériaux naturels/artificiels sont devenus des candidats prometteurs pour les polarimètres sur puce en raison de leurs configurations sans filtre. Cependant, ces photodétecteurs ne peuvent être utilisés que pour la détection de lumière polarisée linéairement ou circulairement, ce qui n'est pas applicable à la détection Full-Stokes. Ici, nous proposons et démontrons des polarimètres à trois ports comprenant des photodétecteurs infrarouge moyen médiés par des métamatériaux plasmoniques chiraux sur puce pour la détection Full-Stokes. En manipulant la distribution spatiale des métamatériaux chiraux, nous pourrions convertir les absorptions résolues en polarisation en phototensions correspondantes résolues en polarisation de trois ports grâce à l'effet photothermoélectrique. Nous utilisons le polarimètre développé dans une démonstration d’imagerie montrant une capacité fiable de reconstruction de polarisation. Nos travaux proposent une stratégie alternative pour développer des photodétecteurs résolus en polarisation avec une plage de fonctionnement indépendante de la bande interdite dans l'infrarouge moyen.

L'état de polarisation (SoP) caractérisant l'oscillation du champ électrique est essentiel pour les applications liées à l'optique telles que la communication optique, la télédétection et la navigation1,2,3. Les détecteurs de polarisation infrarouge moyen (IR moyen) sont particulièrement attrayants en raison de leurs applications généralisées dans l'analyse chimique, le diagnostic biomédical et la reconnaissance faciale4,5,6. Depuis des décennies, les approches conventionnelles de détection de polarisation incluent la division du temps, la division de l'amplitude, la division de l'ouverture et la division du plan focal, qui nécessitent normalement une combinaison de retardateurs linéaires, de polariseurs et de plaques demi-onde. , et des plaques quart d'onde7,8. Cependant, ces systèmes optiques encombrants et compliqués utilisant un polariseur en espace libre présentent des inconvénients intrinsèques tels qu'une vitesse limitée, une précision limitée et une détection incomplète de l'état de polarisation9. Les progrès récents dans les technologies nanophotoniques de faible dimension ont dévoilé des approches fascinantes pour développer les polarimètres de nouvelle génération10,11. En tant que candidats potentiels pour les polarimètres compacts de nouvelle génération, les photodétecteurs sensibles à la polarisation sur puce ont été largement étudiés récemment en raison de leurs avantages, notamment un niveau élevé de miniaturisation et une intégration ultra-haute densité.

À ce jour, l’une des principales approches pour détecter le SoP repose sur l’anisotropie structurelle ou la chiralité des matériaux naturels. En général, les photodétecteurs pour la détection de polarisation linéaire reposent sur l'absorption anisotrope de nanofils unidimensionnels ou de matériaux de Van der Waals bidimensionnels12,13,14, tandis que les photodétecteurs pour la détection de polarisation circulaire sont basés sur l'absorption chirale de la lumière dans les semi-conducteurs organiques et hybrides. pérovskites15,16, l'effet photogalvanique de spin dans un isolant topologique ou des semi-métaux17,18,19,20, l'effet Hall de spin inverse à l'interface métal-semi-conducteur21,22 et la recombinaison dépendante du spin des électrons de conduction23,24. Cependant, les applications de ces photodétecteurs sensibles à la polarisation sont entravées par des limitations intrinsèques, telles que des réponses spectrales dépendantes de la bande interdite, une instabilité chimique et une faible sensibilité de polarisation associée à une faible anisotropie ou chiralité. De plus, la plupart de ces photodétecteurs sensibles à la polarisation ne fonctionnent que pour la détection de la polarisation linéaire ou de la polarisation circulaire de la lumière, mais ne peuvent pas être appliqués à la détection Full-Stokes. Étant donné que les structures artificielles peuvent atteindre une anisotropie et une chiralité fortes, et avoir une grande flexibilité de conception et une configuration sans filtre, de tels photodétecteurs fonctionnels activés par des structures artificielles peuvent réaliser une polarimétrie compacte pour la détection de lumière polarisée, ainsi qu'une imagerie de polarisation avec une densité de pixels potentiellement ultra-élevée. L’utilisation de structures artificielles intégrées à des matériaux actifs constitue une autre approche principale pour la détection du SoP. Cette approche a conduit à des photodétecteurs sensibles à la polarisation fonctionnant en modes de rayonnement diffusé, absorbé et guidé25. À titre d'exemple, des métamatériaux plasmoniques dotés d'améliorations de champ sélectives en polarisation ont été intégrés à des semi-conducteurs pour générer des photocourants sensibles à la polarisation. Cependant, la plupart des détecteurs précédents reposaient sur l'effet photoconducteur ou photovoltaïque, ce qui nécessite une adaptation entre la longueur d'onde de résonance des métamatériaux plasmoniques et la bande interdite des semi-conducteurs7,28. Par conséquent, un moyen efficace de transférer une anisotropie et une chiralité fortes aux lectures électriques sans limitation de longueur d’onde de fonctionnement par la bande interdite des matériaux actifs est hautement souhaité.