威斯康星大学麦迪逊分校和斯坦福大学研发新型光电探测器

导 读

威斯康星大学–麦迪逊分校和斯坦福大学的研究人员第一次利用类似于壁虎处理噪声的方式，发明了新型光电探测器，可以识别入射光的角度。该技术应用广泛，可用于无透镜摄像头、增强现实和自动驾驶汽车所需的机器人视觉。相关工作以“Subwavelength angle-sensing photodetectors inspired by directional hearing in small animals”为题发表在《Nature Communications》。

文章作者：Soongyu Yi, Ming Zhou,Zongfu Yu, Pengyu Fan, Nader Behdad, Dianmin Lin，Ken

Xingze Wang, Shanhui Fan and Mark Brongersma

创新研究

壁虎及许多其他动物的头部太小，耳朵间距很大，无法按照我们的方式对噪声的位置进行三角测量。相反，他们的头部有一条小隧道，可以测量入射声波反射的方式，以确定它们来自哪个方向。面对小尺寸和三角测量问题，斯坦福大学的研究人员提出了一种类似的系统来检测入射光的角度，这个系统可以实现微型摄像机检测光线来自哪里，无需大型镜头。

确定光线方向的典型方法是使用镜头，但这些器件尺寸很大，很难小型化。研究人员正在尝试开发可以记录光的颜色、极性以及光的角度等几种特征的微小探测器，并第一次证明了可以用这么小的设备确定光角度。

如果声音不是直接从壁虎的顶部发出，那么鼓膜本质上会窃取一些声波能量，否则这些能量将通过隧道传递到另一个鼓膜。研究人员设计了一个亚波长光电探测器，可以测量光的强度和入射角。光电探测器依赖于两个支持光学Mie谐振、紧密间隔的Si纳米线的电隔离和光学耦合。当这些谐振器将光散射到相同的自由空间光学模式，非厄米特耦合导致了高灵敏度的角度测定。通过简单的光电流测量，可以量化每个纳米线中存储的光能，并将导线之间储存能量的差异与光波入射角联系起来，可以绘制入射光波的角度。利用这种效应制造的亚波长角度敏感像素角度灵敏度为δθ= 0.32°。

图 文 速 览

图一 使用镜头和小动物的内部耦合耳朵在光学系统中进行角度感测

a，使用直径为d的透镜进行入射角检测的概念图；

b，壁虎的头部结构。

Credit:marima/Shutterstock.com

图二 一对用于定向传感光学的Mie谐振器的耦合模理论

a，两个谐振器的耦合模理论示意图；

b，两个谐振器中存储能量的比率；

c，SiO2衬底上的两个Si纳米线的横截面图；

d，作为入射角的函数，d = 100nm和d =2μm的两个Si纳米线之间的吸收率。

在c，d中，入射波的电场沿z方向（TM偏振）。

图三 对于不同的入射角，耦合和非耦合的Si纳米线对的吸收分布图

a，不同入射角的吸收曲线，通过最高吸收密度归一化；

b，当d =2μm时，对于任何入射角，两种纳米线都具有几乎相同的吸收分布。

  在a和b中，入射波的电场沿z方向（TM偏振）。

图四 角度敏感光电探测器的制造和性能

a，角度敏感光电探测器的示意图；

b，光电探测器的SEM图；

c，d，在TM（c）和TE（d）偏振光下，纳米线响应度的光谱依赖性；

e，纳米线中光电流比的角度依赖性，在波长550nm下测
量，具有与c相同的偏振；

f，纳米线的光电流比作为θ的函数，具有与d相同的偏振。

a，相位A和B在直线界面上边界态的测量强度；

图五 无透镜定位的测量设置和实验结果

a，安装在两个独立芯片上的角度探测器， LED光源嵌入在半球形玻璃透镜；

b，在2D平面中六个离散测量的x和y方向上的LED位置不确定性；

c，在非偏振光下的全波模拟和实验测量的光电流比。

 文章链接  

https://www.nature.com/articles/s41565-018-0278-9

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