孙栋课题组与合作者实现了中红外的光轨道角动量直接高速探测

近日，北京大学纳光电子前沿科学中心孙栋课题组与合作者长春光机所程晋罗研究员、西安交通大学赖佳伟副教授等基于多层石墨烯（MLG）光电探测器，结合光弹调制技术实现了中红外的光轨道角动量直接高速探测，速度上限可达1 kHz，相关研究成果以 “基于光弹调制的光轨道角动量的直接高速探测器”（High-speed readout for direct light orbital angular momentum photodetector via photoelastic modulation）为题发表于期刊《先进光子学》（Advanced Photonics）。

目前，光轨道角动量（OAM）的直接探测主要有两种技术路线，一种是基于轨道光电流效应（OPGE），另一种则是基于表面等离极化激元（SPP）。相比基于SPP的探测路线，基于OPGE的轨道角动量探测具有更高的工作波长范围和响应度，更简单的器件结构，然而，这种方法需要对入射光进行偏振调制来提取OPGE响应的圆偏依赖成分。受限于拓扑半金属材料在中红外波段的低OPGE信噪比，先前的OPGE探测工作采用机械调制手段，即通过转动四分之一波片改变入射OAM光的偏振态，并结合锁相放大技术逐点测量不同四分之一波片角度下的OPGE响应，最终通过傅里叶变换提取光电流的圆偏依赖成分。这种偏振调制及光电流采集手段将OAM的探测速度限制在分钟量级，远远不能达到实际应用的需求，也远低于基于SPP的探测路线。

针对这一问题，孙栋课题组与合作者基于课题组先前的多层石墨烯（MLG）中红外光轨道角动量光电探测器工作，通过光弹调制器进行高速偏振调制，实现了光OAM的直接高速探测。该工作将光轨道角动量的直接探测速度提高至上限1 kHz，相比先前的工作提高3-4个数量级。

该工作分析了光弹调制器调制下的OPGE响应的表达式，理论得出通过锁相放大技术提取调制后光电流的圆偏依赖成分，可以直接实现光OAM的直接分辨。同时，该工作将基于光弹调制器调制的分析结果与传统机械调制的结果进行了比较，定量地分析了两种偏振调制与光电流采集手段下的响应差异。

在理论分析的基础上，该工作基于一个具有U形电极的MLG光电探测器，结合光弹调制器与锁相放大技术，实现了在4 μm波长下光OAM的直接高速探测。该工作验证了对于调制并聚焦在U型电极区域的OAM光，通过锁相放大器提取光电流响应的圆偏依赖成分，即可通过该成分对入射光OAM量子数的阶梯依赖特性，实现光OAM的直接高速分辨。在此基础上，该工作将光弹调制器调制下的OPGE响应度、信噪比与机械调制的结果进行了比较。

为了获得该探测方案下的速度极限，该工作分析了探测器分辨能力与锁相积分时间的关系，实验上验证了该探测方案可以实现上限1 kHz的OAM分辨。该工作讨论了限制OAM探测速度上限的各种因素，如偏振调制速度、探测器的OPGE信噪比及响应时间等。此外，该工作也给出了基于该探测方案的OAM焦平面探测阵列的设计与优化思路。

图1 | 基于光弹调制的中红外光轨道角动量高速探测。a，b，基于光弹调制探测方案的实验装置示意图，包括光学部分（a）和电学部分（b）。 c，CPGE成分  作为轨道角动量量子数m的函数。 d，两种调制方案下OPGE 响应度和轨道角动量分辨能力的比较。 e，f，OPGE响应（e）及其信噪比（f）对锁相积分时间的依赖。 

该研究成果表明，基于多层石墨烯OAM光电探测器的高OPGE响应度及信噪比，可以结合高速偏振调制技术实现OAM的直接高速探测。该工作将基于OPGE的OAM探测速度提高了3-4个数量级，解决了这类OAM直接探测器件在应用上的最大难题，大大提高了该技术路线在各种需要OAM直接探测技术的应用场合，特别是基于焦平面阵列的相关应用上的实用性。

北京大学博士研究生杨德鸿为该论文的第一作者。孙栋教授为文章的通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金原创探索计划项目等项目的支持。

论文原文链接：https://researching.cn/articles/OJ5b2135a407764311