用于宽带光捕获的平面光子技术

作为光电器件的基本要求，光活性层中的高效率光捕获一直是光学界的一个不断追求。 虽然传统的光电器件主要是基于厚度高达几十微米的活性材料，但在亚波长厚层中的高吸收可以在器件尺寸最小化、时间响应快、功耗和成本降低等方面提供竞争优势。迄今为止，超薄光捕获主要是通过等离子体结构实现的，其中采用金属背反射器或金属纳米粒子。大量的俘获光被转化为金属中的电阻热，阻止了它在光电器件中的应用，其中光子能量有望转移到光诱导载流子。此外，在共振波长之外的高反射不可避免地伴随着等离子体，这可能会阻碍自身的进一步应用。

       高指数全介质光子结构，能够支持多极Mie共振或导模，已被提出作为替代等离子体结构的宽带光捕获。通过将减反射纳米结构放置在活性材料上或直接构建活性材料，实现了高效的吸收增强；然而，总厚度大于工作波长。为了解决厚度与吸收之间的矛盾，最近提出了超薄光子超吸收器。由于反射镜对称光子结构中的一个模式有一个基本的上吸收极限（50%)，因此利用两个对称相反的临界耦合简并模式(通常是电模和磁模）来促进吸收；然而，基于这种策略的平面光子技术无法实现吸收带宽的潜在扩展，因为它对这两种谐振模式的简并要求很严格。到目前为止，宽带光捕获在亚波长平面光子学中仍然是一个难以捉摸的挑战。

       近日，来自浙江大学的Hao Luo等人提出了一种基于超表面的平面光子器件的光捕获设计范式。这种光子超表面在几何上具有不对称耦合的特点，并使每个谐振单元中的单个磁共振能够进行超级吸收，通过简单地改变单元大小，显著简化了宽带吸收的设计。作为一个例子，他们实验证明了超薄(200nm)全介电锗(Ge)超表面的宽带(550-1280 nm)超吸收(50%)。同时，这种纳米光子超表面在中红外(MIR)区域是透明的，这意味着它在透明光电探测器和MIR透明太阳能吸收器中的潜在应用。该工作被选为“编辑推荐”文章。相关工作发表在《Applied physics letters》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0033312