片上二次非线性光电探测器

《Nature Communications》：On-chip quadratically nonlinear photodetector

　　

摘要

在片上光探测器中引入确定性非线性光响应，有助于在光子集成电路中实现复杂功能，比如传感器内计算和光电混合等，不过相关器件目前还缺乏充分研究。在此，我们通过在硅波导上构建InSe p-i-n同质结，设计出一种片上二次非线性光探测器（QNPD）。波导中的电信波段光与InSe发生衰减耦合，通过InSe的二次谐波生成效应转化为可见光，这些可见光随后被InSe吸收，在p-i-n同质结的内建电场作用下产生光电流。由于这些连续过程的共同作用，该片上QNPD的光电流与光功率之间存在二次函数关系。得益于高效的二次谐波生成效应以及InSe成熟的同质结结构，该QNPD的归一化响应度高达37.1?A/W²，性能优于目前已报道的各种非线性光探测器。由于存在额外的二次谐波生成过程，该片上QNPD天然具备光-光相互作用特性，能够以电学方式直接检测全光混合信号。例如，我们设计了由16个像素组成的QNPD阵列，用于实现无需外部摄像机的电学读出式片上自相关器，该装置能够以6.1×10^?10 W²的高灵敏度精确测量皮秒级脉冲。