【资讯】西北工业大学：片上二阶非线性光电探测器- 光子晶体

在片上探测器中引入确定性的非线性光响应，对于在光子集成电路中，开发感内计算和光电混频等复杂功能具有重要吸引力，然而相应的器件研究，仍不够充分。

近日，西北工业大学甘雪涛教授/陈小青教授团队在Nature Communications上发文，报道了一种片上二阶非线性光电探测器on-chip quadratically nonlinear photodetector (QNPD) 。将层状半导体硒化铟InSe的p-i-n同质结集成于硅光子晶体PC波导之上：硅板轻掺杂为p型，波导被两条空气槽分隔为三个电学隔离区域，两侧区域作为顶层InSe背栅，通过静电掺杂，将对应InSe调制为p型或n型，中央区域保持本征（i型），从而在沟道内构筑出p-i-n同质结，为光生载流子的分离提供内建电场。

波导中，导引的电信波段（1550 nm）光，通过倏逝场与InSe发生倏逝波耦合，基于InSe强二阶非线性二阶谐波SHG过程上转换为可见光(775 nm，A过程）；该可见光SHG光子随即在InSe内被原位吸收，并产生光生载流子（B过程），最终经p-i-n同质结转换为光电流（C过程）。受这一系列过程支配，QNPD光电流与入射光功率之间呈现确定性的二阶函数关系。

图1 片上二阶非线性光电探测器QNPD器件结构与工作原理。

图2 硅光子晶体波导上的InSe p-i-n同质结的电学特性。

图3 基于InSe p-i-n同质结的片上QNPD的SHG与非线性光电响应。

图4 基于片上QNPD阵列的集成单发自相关仪。

这得益于InSe中，高效SHG和良好的同质结，该QNPD实现了高达37.1 A/W²归一化响应度，在已报道的非线性光电探测器中表现出优越的性能。借助额外的SHG过程，片上QNPD天然具备了光-光相互作用，从而直接以电学方式监测全光混频信号。

实验还设计了16个像素QNPD组成的阵列，实现了无需外部相机的电读单次片上自相关器，以6.1×10?¹? W²高灵敏度精确测量皮秒脉冲。

参考文献： 中国光学期刊网

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