Intersubband polariton-polariton scattering in a dispersive microcavity
采用非共线泵浦-探测结构和相位稳定的中红外脉冲,直接在GaAs/AlGaAs量子阱色散腔的能带结构内研究了子带间极化激元的超快散射动力学.在~25 THz的频率和有限的面内动量$k_{||}$下选择性激发较低的极化激元,导致在$k_{||}=0$处出现探针反射率的窄带最大值。一个量子力学模型确定的基本微观过程作为受激相干极化激元-极化激元散射。这些结果标志着一个重要的里程碑,量子控制和玻色子激光在定制的极化激元系统在中红外和远红外。
2022-03-09 cond-mat.mes-hall physics.optics
Plasmonic antenna coupling to hyperbolic phonon-polaritons for sensitive and fast mid-infrared photodetection with graphene
集成和操纵范德华异质结构的纳米光电特性可以实现前所未有的光电探测和传感平台。红外光电探测器的主要挑战是将光汇集到一个小的纳米级有源区域,并有效地将其转换为电信号。在这里,我们通过将等离子体天线有效耦合到六边形BN中的双曲声子极化激元以将中红外线高度集中到石墨烯pn结中,在一个器件中克服了所有这些挑战。我们通过器件的几何形状来平衡石墨烯的吸收、导电性和导热性的相互作用。这种新方法产生了卓越的器件性能,具有室温高灵敏度(NEP为82 pW-per-square-root-Hz)和17纳秒的快速上升时间(设置限制)等,因此实现了目前最先进的石墨烯和商业中红外探测器中不存在的组合。我们还开发了一个多物理场模型,该模型与我们的实验结果具有良好的定量一致性,并揭示了对我们光响应的不同贡献,从而为进一步改进这些类型的光电探测器铺平了道路,甚至超出了中红外范围。
2020-05-30 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Waveguide-Integrated Mid-Infrared Photodetection using Graphene on a Scalable Chalcogenide Glass Platform
紧凑型和可现场应用的中红外(mid-IR)光谱设备的发展代表了从气体泄漏检测到环境监测的分布式传感的关键挑战。最近的工作集中在中红外光子集成电路(PIC)传感平台和波导集成的中红外光源和探测器的基础上的半导体,如碲化铅,黑磷和碲。然而,材料带隙和对SiO $_2$衬底的依赖性将操作限制在波长$λ\lesssim4\,μ\textrm{m}$。在这里,我们克服了这些挑战与硫族玻璃上的CaF $_2$ PIC架构,结合分裂栅光电热电石墨烯光电探测器。我们的设计扩展到$λ=5.2\,μ\textrm{m}$的约翰逊噪声限制噪声等效功率为$1.1\,\mathrm{nW}/\mathrm{Hz}^{1/2}$,光响应没有下降到$f = 1\,\mathrm{MHz}$,预测的3 dB带宽为$f_{3\textrm{dB}}>1\,\mathrm{GHz}$。该中红外PIC平台易于扩展到更长的波长,并为从分布式气体传感和便携式双梳光谱到耐候自由空间光通信的应用打开了大门。
2021-12-29 physics.app-ph physics.optics
A nonlinear metasurface combining telecom-range intersubband transitions in GaN/AlN quantum wells with resonant plasmonic antenna arrays
我们在超窄GAN/AlN多量子阱异质结构中实现并研究了一种利用子带间跃迁的非线性超颖表面。由于巨大的能带偏移,该结构在1.55 $μ$ m附近的电信窗口中提供谐振跃迁。这些异质结构功能化与等离子体天线阵列,其特征在于交叉极化共振在这些近红外波长和它们的第二谐波。这种非线性超颖表面允许在垂直入射下产生大量的二次谐波,这对于下面没有多量子阱结构的天线阵列是完全不存在的。虽然二次谐波最初仅辐射到量子阱的平面中,但是等离子体激元元件的适当几何布置允许将二次谐波光重定向为自由空间辐射,其垂直于表面发射。
2021-05-20 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Extended-SWIR Photodetection in All-Group IV Core/Shell Nanowires
第IV族Ge 1-xSnx半导体由于其可调带隙能量和直接性而具有实现宽带硅集成红外光电子学的前提。在此,我们利用这些属性以及Ge/Ge0.92Sn0.08核壳纳米线异质结构中增强的晶格应变弛豫来实现高响应性的室温短波红外纳米级光电探测器。原子水平的研究证实了均匀的壳组合物和其较高的结晶度相对于薄膜对应物。所展示的Ge/Ge0.92Sn0.08 p型场效应纳米线晶体管表现出优异的光电性能,同时实现相对较高的迁移率,高开/关比,和高响应度,除了在短波红外范围内的宽带吸收。事实上,减少的带隙的Ge0.92Sn0.08壳产生一个扩展的截止波长为2.1 μ m,在1550 nm的室温响应度达到2.7 A/W。这些结果凸显了Ge/Ge 1-xSnx核/壳纳米线作为纳米级集成红外光子学硅兼容构建模块的潜力。
2022-03-25 physics.app-ph physics.optics
Giant enhancement of silicon plasmonic SWIR photodetection using nanoscale self-organised metallic films
许多消费者技术和科学方法依赖于红外线的光电检测。我们报道了一个肖特基光电探测器工作在硅的带隙能量以下,通过热载流子注入从纳米金属吸收。我们的设计依赖于简单的CMOS兼容的“自下而上”的分形纳米结构铝膜的制造。由于纳米结构的分形性质,铝膜在宽波长范围内支持等离子体增强吸收。我们证明了两个数量级的改善响应度,噪声等效功率,和探测率相比,散装金属,在广泛的光谱和角度范围。我们把这归因于纳米分形几何的动量弛豫过程。具体来说,我们证明了量子效率的提高和结构参数,如周长表面比之间的直接联系。最后,我们的设备还可以用作体折射率传感器。我们的方法是一个有前途的候选人,未来的成本效益和强大的短波红外光电探测和传感应用。
2019-09-27 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Tailoring Quasi-Bound States in the Continuum for Infrared Photodetection in Black Phosphorus
Southeast University(东南大学);Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences(中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所);National Research Center for Optical Sensing/Communications Integrated Networking, Southeast University(东南大学光传感/通信集成网络国家研究中心);University of Science and Technology of China(中国科学技术大学)
本文通过在黑磷中集成介电超材料实现准束缚态,在增强光-物质相互作用的同时提升红外光电探测性能,克服了黑磷在各向异性二维光电探测中的光学吸收瓶颈。
2026-03-29 physics.optics
Black GeSn on Silicon for Enhanced Short-Wave Infrared Detection and Imaging
本研究在硅上开发了黑GeSn薄膜光电探测器,通过掺入Sn扩展探测范围至1960 nm并表面黑化降低反射损失,结合载流子倍增使响应度提升1.45倍,显著增强了短波红外探测与成像性能。
2024-12-22 physics.app-ph physics.optics
Intersubband polaritonic metasurfaces for high-contrast ultra-fast power limiting and optical switching
本文通过协同优化半导体异质结构材料与光子纳米结构,研制出超快极化激元超表面功率限制器,在实验中实现了创纪录的54%反射对比度,并指出全电介质超表面有望将对比度提升至94%。
2024-03-23 physics.optics quant-ph
Transport-defined photodetection through electrically selectable nonequilibrium carrier transport
Tsinghua University(清华大学);Institute of Applied Physics and Computational Mathematics(应用物理与计算数学研究所);University of Leeds(利兹大学);China Academy of Engineering Physics(中国工程物理研究院)
该研究提出输运定义的光探测,利用GaAs/AlGaAs半导体棘轮结构,通过电偏置选择载流子输运,实现宽光谱范围的互补响应,完成光-电转换,补充了可重构光探测方法。
2026-08-18 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Liquid Metal-Exfoliated SnO$_2$-Based Mixed-dimensional Heterostructures for Visible-to-Near-Infrared Photodetection
本研究利用液态金属剥离的二维SnO$_2$与CdTe薄膜构建混合维度异质结,实现可见至近红外宽波段高效光电探测,显著提升探测率和热稳定性。
2025-01-23 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Extending Silicon Avalanche Photodetection Beyond $2~μ$m by Direct GeSn Integration
Department of Engineering Physics, \'Ecole Polytechnique de Montr\'eal, C.P. 6079, Succ. Centre-Ville, Montr\'eal, Qu\'ebec, Canada H3C 3A7
本研究通过直接无缓冲层生长GeSn于硅衬底,结合横向薄结分离吸收-倍增架构,实现了可扩展的硅雪崩光电探测光谱范围扩展,制备的器件具备优异性能,适用于多领域单片红外探测器开发。
2026-09-02 physics.optics
Mid-infrared Electro-Optic Modulation in Few-layer Black Phosphorus
黑磷从二维材料家族中脱颖而出,作为一种半导体,具有直接的、层相关的能量带隙,对应于从可见光到中红外(中红外)的光谱范围,以及许多其他有吸引力的光电属性。因此,它是一种非常有前途的材料,用于各种光电应用,特别是在重要的中红外范围内。虽然中红外技术发展迅速,但中红外的光电探测和电光调制都依赖于窄带化合物半导体,这与无处不在的硅光子学集成起来既困难又昂贵。对于中红外光电探测,黑磷已被证明是一个可行的替代品。在这里,我们展示了电光调制的中红外吸收在几层黑磷场施加的静电门。我们的实验和理论结果发现,在我们的样品中可获得的掺杂范围内,量子限制的Franz-Keldysh效应是电光调制的主导机制。对不同厚度样品的光谱研究表明,不同子带之间的带间跃迁具有很强的层间依赖性。我们的研究结果表明,黑磷是一个非常有前途的材料,实现高效的中红外调制器。
2017-08-14 physics.optics
Multifunctional graphene optical modulator and photodetector integrated on silicon waveguides
对于光通信,信息以高速率在光信号域和电信号域之间转换。实现这种转换的设备是各种类型的电光调制器和光电探测器。同样重要的这两种类型的光电子器件需要不同的材料,因此使用单一材料组合来实现这两种类型的光电子器件是具有挑战性的,特别是以可以集成在无处不在的硅平台上的方式。石墨烯具有无间隙的能带结构,是一种独特的光电材料,可以实现光电探测和光学调制。在这里,我们展示了一个基于石墨烯的设备,同时提供有效的光学调制和光电探测。石墨烯器件集成在硅波导上,并可通过另一层石墨烯制成的栅极进行调谐,以实现57 mA/W的近红外光电探测响应度和64%的调制深度。这种新颖的多功能器件可能会导致许多前所未有的光电应用。
2014-02-28 cond-mat.mes-hall physics.optics
Broadband Angular-selective Mid-infrared Photodetector
提出一种可无缝集成于中红外光电探测器的角选择性微结构阵列,利用光展量守恒实现宽带高角选择性,滤除非目标角度辐射,显著提升信噪比且对偏振和波长不敏感。
2025-04-29 physics.app-ph physics.optics
Accelerated discovery of cost-effective photoabsorber materials for near-infrared (λ=1600 nm) photodetector applications
本研究开发基于r²SCAN和HSE计算的高通量筛选方法,发现ZnSnAs₂等低成本近红外光吸收材料,并扩展至窄带隙材料筛选。
2025-04-22 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Strong Coupling in Hyperbolic Metamaterials
纳米尺度的光-物质相互作用在弱耦合制度已经实现了独特的双曲超材料模式拥有高密度的状态。在这里,我们显示了强耦合的多量子阱(MQW)板的子带间跃迁(ISBTs)和双曲型超材料(HMM)的体极化激元模式。这些HMM模式具有大的波矢量(高k模式),并且在常规材料中通常是瞬逝的。我们分析了一种实用的金属-介质多层隐马尔可夫模型结构,该结构由作为金属层的高杂质半导体和有源多量子阱介质板组成。我们观察到离域超材料模式与分布在整个结构中的活性材料的相互作用。强耦合和特征的反交叉与最大拉比分裂(RS)的能量高达52毫电子伏的预测之间的高k模式的HMM和ISBT,一个值约10.5倍大于ISBT线宽和4.5倍大于材料损耗的结构。有源半导体超材料器件中的RS能量的可扩展性和可调谐性在量子阱红外光电探测器和子带间发光器件中具有潜在的应用。
2014-07-31 cond-mat.mes-hall physics.optics
Highly-Sensitive Resonance-Enhanced Organic Photodetectors for Shortwave Infrared Sensing
该研究利用共振光学微腔增强有机光电探测器的短波红外响应,在PTB7-Th:COTIC-4F及IR6体系中实现宽光谱、高EQE和高D*,为延长探测波长提供了比窄带隙吸收体开发更简单的光学方案。
2023-09-14 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Self-powered Broadband Photodetector on Flexible Substrate from Visible to Near Infrared Wavelength
本文提出一种基于MoS2/Sb2Te3范德华p-n异质结的柔性自供电光电探测器,通过施加压缩应变调控能带结构,实现可见至近红外波段的高响应度与低暗电流,适用于可穿戴和柔性光电器件。
2023-05-15 physics.app-ph physics.optics
A silicon photonics waveguide-coupled colloidal quantum dot photodiode sensitive beyond 1.6 um
本研究将PbS胶体量子点光电二极管集成到硅波导上,实现2.1微米波长下1.3 A/W响应度、74.8%外量子效率及低暗电流,并展示8通道光谱仪,为硅光子学提供经济高效的光电探测方案。
2024-05-28 physics.app-ph physics.optics
Self-Driven Highly Responsive PN Junction InSe Heterostructure Near-Infrared Light Detector
将光信号转换成可检测的光电流的光电检测器在当今被普遍使用。为了提高下一代器件和系统的紧凑性和性能,低维材料为工程设计轻物质相互作用提供了丰富的物理学。基于二维(2D)材料范德华异质结构的光电探测器由于其固有的带隙而主要在可见光范围内显示出高响应度和紧凑的集成能力。近红外(NIR)光谱区域在技术上非常重要,具有许多数据通信和传感应用。虽然已经出现了一些初始的基于NIR 2D材料的探测器,但是具有利用电荷分离光伏效应的能力的基于掺杂结的2D材料光电探测器仍然很突出。在这里,我们展示了一个二维p-n范德华异质结光电探测器由垂直堆叠的p型和n型少层硒化铟(InSe)的二维薄片。这种基于异质结电荷分离的光电探测器在近红外光谱区域(980 nm)处的响应度分别比基于仅p或n掺杂区域的光电导体探测器显示出三倍的增强。我们表明,这种结器件具有自供电的光电探测操作,因此使几个PA-低暗电流,这是约4个数量级更有效的比现有技术的代工厂为基础的设备。
2022-06-05 physics.optics
A Silicon-Compatible Uncooled Compact Broadband Infrared Spectrometer
École Polytechnique de Montréal(蒙特利尔理工学院)
本文开发了一种集成GeSn光电探测器与单像素架构的硅兼容非制冷紧凑型宽带红外光谱仪,可实现室温下的宽带红外光谱检测,能有效区分商品塑料,为分布式分子传感等领域提供了便携方案。
2026-09-04 physics.optics
Aluminum Cayley trees as scalable, broadband, multi-resonant optical antennas
光学天线可以将传播的光辐射转换成局部激发,并且反射。虽然光学天线可以很容易地创建使用谐振纳米粒子(金属或电介质)作为基本的积木,天线的实现维持在广泛的频率范围内的多个谐振仍然是一个具有挑战性的任务。在这里,我们使用铝自相似,分形结构作为宽带光学天线。使用电子能量损失谱,我们的实验证据表明,一个单一的铝凯莱树,一个简单的自相似结构,维持多个等离子体共振。这些共振的光谱位置在跨越二十年的宽光谱范围内是可缩放的,从紫外到中红外。这种多谐振结构对于从非线性光学到光捕获和光电探测以及表面增强红外吸收光谱的应用是非常理想的。
2022-03-16 physics.optics
GHz-bandwidth InAs/InAsSbP barrier infrared detectors for the 3.0-3.7 μm spectral region operating at room temperature
Wroclaw University of Science and Technology(弗罗茨瓦夫科技大学);Photin sp. z o.o(Photin有限公司);Institute of Applied Physics, Military University of Technology(军事理工大学应用物理研究所)
本文报道了一种InAs/InAsSbP nBp势垒探测器,在室温下实现2.4 GHz电带宽和19 GHz以上高频探测,为3.0-3.7 μm波段提供了高速、灵敏的解决方案。
2026-06-17 physics.optics
Direct polariton-to-electron tunneling in quantum cascade detectors operating in the strong light-matter coupling regime
本文研究强光-物质耦合下量子级联探测器的光电流机制,证明极化激元态共振隧穿是主要提取机制,暗子带间态不参与,并用半经典耦合模式理论成功重现光学和电学谱。
2023-07-11 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Ultra-fast quantum-well infared photodetectors operating at 10μm with flat response up to 70GHz at room temperature
基于子带间跃迁的III-V族半导体中红外光电探测器在高达数百GHz的超高速操作方面具有巨大的潜力。在这项工作中,我们利用~ 350 nm厚的GaAs/Al_(0.2)Ga_(0.8)As多量子阱异质结,在室温下,在10 μ m波长处实现了外差探测,其频率响应几乎平坦,最高可达70 GHz,仅受测量系统带宽的限制。这是迄今为止报道的量子阱中红外光电探测器的最宽RF带宽。在300 K和77 K下分别获得了0.15A/W和1.5A/W的响应率。为了允许超快操作和垂直入射的照明,检测器由50欧姆共面波导组成,该共面波导与亚波长天线的2D阵列单片集成,通过悬挂的电线电互连。利用这种器件结构,我们获得了~ 30 fF的寄生电容,对应于天线的静态电容,在300 K下产生了RC限制的3dB截止频率> 150 GHz,用小信号等效电路模型提取。使用这个模型,我们定量地再现检测器的频率响应,并找到在室温下低至1 ps的固有滚降时间常数。
2021-01-05 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Nonlinear Processes in Multi-Quantum-Well Plasmonic Metasurfaces:Electromagnetic Response, Saturation Effects, Limits and Potentials
非线性超颖表面的基础上耦合的局部增强的等离子体激元响应的n-掺杂的多量子阱(MQW)的子带间跃迁最近提供了二阶极化率的数量级大于任何其他非线性平面结构测量到目前为止。在这里,我们提出了一个全面的理论来描述发生在基于MQW的等离子体超颖表面的非线性过程的电磁响应,提供了一个均匀的模型,该模型考虑了单元格水平的相位匹配以及饱和和损耗的影响。此外,这些超颖表面的非线性响应上的MQW过渡的饱和所施加的限制解析推导,揭示有用的指导方针,以设计具有增强性能的设备。我们的方法首先使用实验数据进行验证,然后应用到理论上研究新的设计,能够实现显着的二次谐波产生效率在红外频段。
2015-09-09 cond-mat.mes-hall physics.optics
Hyperdoped silicon photodetectors enable room-temperature computational SWIR imaging at 1550 nm
Aalto University(阿尔托大学);University of Melbourne(墨尔本大学);RheinMain University of Applied Sciences(莱茵美因应用科学大学)
本研究通过超掺杂硅实现室温下1550纳米短波红外计算成像,利用超快激光加热技术降低暗电流同时保持高响应率,达到10^9 Jones以上的探测率,展示了单像素成像系统在无制冷条件下重建1550纳米场景的能力,同时支持可见光成像,为多光谱硅原生光学传感器的集成提供了新路径。
2026-05-21 physics.ins-det physics.optics
Terahertz frequency combs exploiting an on-chip solution processed graphene-quantum cascade laser coupled-cavity architecture
在太赫兹(THz)频率下设计具有超宽增益谱和群速度色散完全补偿的量子级联激光器(QCL)的能力是设计远红外单片和小型化光学频率梳合成器(FCS)的基本需求。在THz QCL四波混频中,由子带间增益介质的固有三阶极化率驱动,自锁相位中的光学模式,允许稳定的梳状操作,尽管在有限的动态范围内(约20%的激光器操作范围)。在这里,我们设计了小型化的THz FCS,其包括与紧密耦合的片上溶液处理的石墨烯可饱和吸收体反射器集成的异质THz QCL,即使在四波混频不再提供色散补偿时,该反射器也能保持激光模式之间的相位相干性。这使得高功率(8 mW)FCS具有超过90个光学模式,超过55%的激光器工作范围。此外,稳定的注入锁定显示,铺平了道路,影响一些关键的应用,包括高精度可调宽带光谱和量子计量学。
2020-11-23 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Ultrastrong coupling between nanoparticle plasmons and cavity photons at ambient conditions
超强耦合是一种独特的电磁相互作用机制,它使得各种有趣的物理现象成为可能。传统上,这一制度已达到耦合多量子阱,超导人造原子,或二维电子气体的子带间跃迁的微腔谐振器。然而,采用这些平台需要苛刻的实验条件,如低温、强磁场和高真空。在这里,我们使用等离子体纳米棒阵列定位在谐振光学法布里-珀罗微腔的波腹,以达到在环境条件下的超强耦合(USC)制度,而不使用磁场。从光学测量中,我们提取的相互作用强度的值超过跃迁能量高达g/ω~0.55,深在USC制度,而纳米棒阵列仅占腔体积的~4%。此外,通过比较耦合和非耦合系统的共振能量,我们间接观察到高达~10%的基态能量的修改,这是USC的标志。我们的研究结果表明,等离子体激元微腔极化激元是一个很有前途的新平台,在室温下的光学和红外范围的超临界实现。
2019-12-16 physics.optics
Coherent anharmonicity transfer from matter to light in the THz regime
针对少光子区非线性光学挑战,提出红外腔QED方法,利用量子阱偶极子与红外谐振腔的弱耦合实现功率依赖的非线性相移,为低功率THz脉冲相位控制提供新途径。
2023-09-21 physics.optics quant-ph
Low intensity saturation of an ISB transition by a mid-IR quantum cascade laser
本文通过金属-半导体-金属贴片阵列与GaAs/AlGaAs异质结构,在室温下实现了中红外子带间跃迁在10-20 kW·cm⁻²中等光强下的吸收饱和,并展示了其作为中红外可饱和吸收镜的潜力。
2023-05-25 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
High-Index Topological Insulator Resonant Nanostructures from Bismuth Selenide
本研究利用远场与近场纳米成像光谱表征CVD生长的Bi2Se3纳米梁,测得其中红外折射率高达n~6.4并证实Mie共振及最高2π相移,与FDTD模拟一致。
2023-08-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Electrical Spectroscopy of Polaritonic Nanoresonators
本研究首次实现基于二维材料异质结的极化激元纳米谐振器电光谱探测,利用金属纳米棒构建红外杂化谐振器并通过石墨烯pn结近场耦合电探测,获得创纪录横向限制与高达200的品质因子,为相关传感与光电探测应用提供新路径。
2024-09-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Modeling techniques for quantum cascade lasers
量子级联激光器是单极半导体激光器,覆盖宽范围的红外和太赫兹光谱。激光作用是通过使用专门设计的多量子阱异质结构中的量子态之间的光学子带间跃迁来实现的。量子级联激光器在工作温度、效率和光谱范围方面的系统改进需要对这些结构中的基本物理过程进行详细建模。此外,量子级联激光器构成了一个多功能的模型设备,用于开发和改进纳米和光电子学的模拟技术。这篇评论提供了一个全面的调查和讨论用于模拟量子级联激光器的建模技术。主要的重点是在纳米结构增益介质中的载流子输运的建模,而光学腔的模拟覆盖在一个更基本的水平。具体地,讨论了求解一维薛定谔方程和薛定谔-泊松方程的传输矩阵和有限差分方法,给出了多量子阱有源区的量子化态.光学腔的建模覆盖了基本波导谐振器结构的重点。此外,各种载流子输运模拟方法进行了讨论,从基本的经验方法,先进的自洽技术。这些方法包括经验速率方程和相关的Maxwell-Bloch方程方法,自洽速率方程和系综Monte Carlo方法,以及量子输运方法,特别是密度矩阵和非平衡格林函数(NEGF)形式主义。导出的散射率和自能一般是有效的n型器件的基础上一维量子限制,如量子阱结构。
2014-12-11 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph physics.optics