Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали фотодетектор, способный различать информацию о поляризационном состоянии световой волны. Эта информация дополняет знания о цвете и яркости, недоступна человеческому глазу и многим современным фотоприемникам, однако может быть важна для оптоволоконных линий связи нового поколения. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Человеку привычны две характеристики света — цвет и яркость, однако есть и скрытые от глаза свойства излучения. Одним из таких является поляризация световой волны, или, проще говоря, ее ориентация в пространстве. Тем не менее поляризацию можно легко увидеть глазом, «вооруженным» поляризационными очками. Смотря через них на небо или на поверхность воды, можно наблюдать изменение яркости картинки при вращении очков.
Фото бабочек: слева обычный снимок, справа — поляризационный. Источник: Sweeney, A., Jiggins, C. & Johnsen, S. Polarized light as a butterfly mating signal. Nature 2003
В эпоху цифровых технологий и больших объемов информации важной задачей является уплотнение данных. Представьте, что вам нужно записать текст объемом в три страницы, а у вас есть только одна страница бумаги. Заполнив ее полностью, можно взять ручку другого цвета и писать ей поверх уже написанного текста, а потом — повернуть страницу горизонтально и записать оставшуюся часть. Конечно же, человеку читать такой текст будет сложно, но запрограммированный нужным образом компьютер с легкостью извлечет такую информацию. В действительности при передаче данных по оптоволокну другой цвет чернил соответствует другой длине волны излучения, а повернутый текст соответствует повернутой поляризации. Такие ухищрения как раз и позволяют одновременно задействовать несколько параллельных информационных каналов. Передача сигналов, зашифрованных в поляризации, распространена не так широко, но иногда бывает незаменима. Например, она используется спутниками для передачи данных. А иногда скрытая в поляризации информация может и вовсе быть уникальной, как, например, поляризация космического излучения. Расшифровка таких данных позволяет получить новые научные знания в задачах астрофизики.
Одна из сложностей передачи информации по поляризационному каналу состоит в ее последующем извлечении. Так как поляризация характеризует излучение с точки зрения его положения в пространстве, то для ее считывания нужны детекторы с некоторыми выделенными направлениями. Простейшие реализации используют детекторы с вращающимся поляризатором. Однако наличие механической составляющей автоматически ограничивает такой детектор в скорости работы. Для решения данной проблемы современные конструкции используют анизотропные переключаемые материалы.
В представленной работе авторы обнаружили анизотропию в детекторе на переходе «графен — металл». Этот переход регулируется поперечным электрическим полем. С двух сторон к графену, лежащему на подложке, подключены золотые контакты.
Схематическое изображение фотодетектора на основе графена с двумя металлическими контактами (сток и исток) и управляющим контактом (затвор) на кремниевой подложке (слева, вид сбоку). Микрофотография одного из изученных детекторов (справа, вид сверху)
Детектирующими элементами в данном случае являются переходы «графен — металл». В конструкции есть и третий контакт — затвор. Он соединен с кремниевой подложкой, на которой расположен детектор, отделенный от кремния тонким слоем оксида. Затвор используется в качестве управляющего элемента, подача напряжения на который образует электрическое поле, которое, в свою очередь, позволяет регулировать электронные свойства графена. Именно такая электрическая регулировка позволяет значительно повысить скорость работы детектора по сравнению с механическими вариантами. Кроме того, управляющее затворное напряжение не создает дополнительных шумов, так как оно не подается напрямую между двумя контактами к графену.
Валентин Сёмкин, аспирант МФТИ, рассказывает: «Мы обнаружили две удивительные особенности в функционировании детектора. Первое: излучение, поляризованное перпендикулярно границе “графен — металл”, испытывает значительное усиление. Второе: существуют напряжения на затворе, при которых сигнал детектора не зависит от поляризации».
Природу усиления электрического поля можно объяснить усилением полей вблизи острых поверхностей, подобно огням святого Эльма, возникающим во время грозы. А наличие нечувствительного к поляризации режима работы детектора является следствием конкуренции нескольких механизмов генерации фотонапряжения.
Как уже стало ясно, графен-металлический переход способен не просто генерировать напряжение в ответ на его освещение, а еще и масштабировать величину этого напряжения в зависимости от поляризации возмущающего излучения. Однако к масштабированию также может привести обыкновенное увеличение интенсивности источника. Как же в таком случае понять, что привело к изменению сигнала: изменение интенсивности или поворот поляризации излучения? Решить эту задачу авторам помогла одна из особенностей отклика. Устанавливая на затворе такое «калибровочное» напряжение, при котором реализуется поляризационно-нечувствительный режим, всегда можно выполнить нормировку на интенсивность источника. После этого возможно уже однозначно определить ориентацию в пространстве регистрируемых электромагнитных волн.
«Исследованные нами детекторы смогут найти применение в научных задачах спектроскопии, в скоростных оптоволоконных линиях связи, а также в фото- и видеокамерах с возможностью записи “поляризованных” изображений, — резюмирует Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. — Но наиболее важным результатом я считаю идею о том, что контакты металла и двумерного полупроводника сильно меняют состояние световой волны и мы можем управлять этими изменениями. Сейчас мы развиваем эту идею для создания принципиально новых классов фотодетекторов, возможности которых не ограничены чтением поляризации».
Студенты, аспиранты и молодые ученые, желающие присоединиться к экспериментальной или теоретической работе группы в областях оптоэлектроники и двумерных материалов, могут обращаться к авторам:
- Дмитрию Свинцову, зав. лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, svintcov.da@mipt.ru
- Валентину Сёмкину, аспиранту первого курса лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, semkin.va@phystech.edu
