A wavelength-scale black phosphorus spectrometer

分光计 光学 探测器 光电探测器 波长 响应度 材料科学 光电子学 物理
作者
Shaofan Yuan,Doron Naveh,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Fengnian Xia
出处
期刊:Nature Photonics [Nature Portfolio]
卷期号:15 (8): 601-607 被引量:227
标识
DOI:10.1038/s41566-021-00787-x
摘要

On-chip spectrometers with compact footprints are being extensively investigated owing to their promising future in critical applications such as sensing, surveillance and spectral imaging. Most existing miniaturized spectrometers use large arrays of photodetection elements to capture different spectral components of incident light, from which its spectrum is reconstructed. Here, we demonstrate a mid-infrared spectrometer in the 2–9 µm spectral range, utilizing a single tunable black phosphorus photodetector with an active area footprint of only 9 × 16 µm2, along with a unique spectral learning procedure. Such a single-detector spectrometer has a compact size at the scale of the operational wavelength. Leveraging the wavelength and bias-dependent responsivity matrix learned from the spectra of a tunable blackbody source, we reconstruct unknown spectra from their corresponding photoresponse vectors. Enabled by the strong Stark effect and the tunable light–matter interactions in black phosphorus, our single-detector spectrometer shows remarkable potential in the reconstruction of the spectra of both monochromatic and broadband light. Furthermore, its ultracompact structure that is free from bulky interferometers and gratings, together with its electrically reconfigurable nature, may open up pathways towards on-chip mid-infrared spectroscopy and spectral imaging.
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