片上红外偏振探测研究进展

偏振是光的固有自由度，偏振探测提供了光强和波长之外的更多丰富信息。红外偏振探测器在成像、通信、遥感和宇宙学等众多应用中发挥着至关重要的作用。然而，传统的偏振探测系统体积庞大、系统复杂，阻碍了偏振探测的微型化和集成化。近来，片上红外偏振探测器的发展引起了广泛的研究兴趣。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“片上红外偏振探测研究进展”为主题的文章。该文章第一作者为甄玉冉，通讯作者为邓杰、陈刚研究员和周靖研究员。

这项研究重点介绍片上红外偏振探测器的两个前沿研究领域：偏振敏感材料和偏振选择性光耦合结构集成的红外偏振探测器，主要讨论片上红外偏振探测器的研究现状以及未来的挑战和机遇。

关于偏振敏感材料

传统的线偏振或圆偏振探测方法基于旋转偏振器或滤波片。大多数探测材料对偏振不敏感，只能探测光强。传统偏振探测系统中对大量分立光学元件的需求阻碍了偏振探测系统的微型化和集成化。因此，大量研究已倾向于探索能够构建紧凑且无滤波器的偏振探测器的偏振敏感材料。

二维材料凭借其独特的光学和电学性质而在光电子学领域得到了广泛的研究。某些二维材料的各向异性吸收保证了对线偏振光的敏感性。这些材料为片上红外偏振探测器提供了一种简单的方法，并表现出优异的性能。与传统方法相比，由各向异性二维材料构成的偏振探测系统具有微型化的优势，相关研究成果如图1所示。

图1 （a）Te的晶体结构和器件结构示意图；（b）由b-AsP/WS₂/b-AsP构成的单极势垒范德华异质结光电探测器的示意图；（c）全斯托克斯偏振测量的示意图；（d）扭曲双层石墨烯光电探测器的示意图

拓扑材料因其独特的电子能带结构而表现出新颖的光电现象。拓扑材料在线偏振光和圆偏振光下产生显著的光电流。这些现象分别被称为线性光电流效应（LPGE）和环形光电流效应（CPGE）。此外，拓扑半金属因其在Weyl点的无带隙能带结构而有望用于宽带红外探测，相关研究成果如图2所示。

图2 （a）TaAs器件的伪彩色扫描电子显微镜图像；（b）双栅调控单层WTe₂器件的中红外圆偏光电流测试的示意图，；（c）Te的晶格结构；（d）MoTe₂器件的光学显微镜照片

手性材料被定义为不能与其镜像相重合。凭借其独特的手性性质，它们在医学、生物学和量子技术等领域有着广泛的应用。手性钙钛矿和有机材料对左旋圆偏振光（LCP）和右旋圆偏振光（RCP）的不同吸收为直接探测圆偏振光（CPL）提供了机会，相关研究成果如图3所示。

图3 （a）用于圆偏振光直接探测的手性杂化钙钛矿单晶阵列设计；（b）PbI₃光电探测器的示意图；（c）螺旋一维钙钛矿基光电探测器示意图；（d）基于BP和手性钙钛矿MPI的范德华异质结光电探测器的示意图及其晶体结构

偏振选择性光学耦合结构的集成

线偏振和圆偏振探测是基于偏振敏感材料，但这些材料的选择相当有限。化学稳定性差、响应度低和偏振消光比低是基于偏振敏感材料的偏振探测器的主要问题。另一方面，人工微纳光学结构在控制偏振光与物质的相互作用方面显示出巨大的潜力。具有偏振选择性光学耦合结构以及与各向异性材料集成的偏振探测器在响应度和偏振消光比方面表现出更好的性能。

等离子体结构在光和物质的相互作用中起着重要作用。它们通过局域表面等离子体激元的共振激发增强了偏振相关的光电耦合。因此，等离子体结构是实现偏振选择性耦合的重要工具。偏振选择性光学耦合结构和红外探测材料的集成可以大大提高偏振探测性能，相关研究成果如图4所示。

图4 （a）光栅等离激元微腔集成的量子阱红外探测器；（b）手性超材料及圆偏光探测器的示意图；（c）螺旋行波纳米天线的示意图及其工作原理；（d）单层MoSe₂和手性等离激元超表面集成的复合结构示意图

结合偏振选择性光学耦合结构和材料中的各向异性吸收的优点，偏振选择性等离子体腔和各向异性材料的集成表现出偏振辨别力的双重增强，相关研究成果如图5所示。

图5 （a）等离激元微腔集成的量子阱红外探测器的三维仿真示意图；（b）Stokes 参数的解析；（c）非对称复合结构示意图；（d）左旋圆偏振和右旋圆偏振入射下，各向异性介质复合结构的吸收和反射光谱

通过将偏振敏感材料与微纳光学结构相结合，实现了高响应率和偏振消光比。最近，还通过集成等离子体纳米天线实现了可配置的光电流极性。光电流的极性可以通过光偏振灵活调节，并在极性转变点实现无限消光比。

目前，片上红外偏振探测已得到广泛研究，并对单一偏振态感知有了深入的理解。而包含所有偏振信息的全斯托克斯探测将成为红外偏振未来发展的挑战和机遇。

众多研究致力于片上红外偏振探测器的发展。偏振探测器可以通过各向异性二维材料、拓扑材料、手性材料和集成偏振选择性光学耦合结构等各类偏振敏感材料实现。当偏振选择性光学耦合结构与偏振选择性探测材料以适当方式结合时，可以实现高偏振分辨率。随着人工超构材料介质探测器的发展，光电流的极性可以通过光偏振灵活调节，并且在极性转变点实现无限消光比。总之，通过集成各向异性材料和光学结构的片上偏振探测得到了广泛的关注。

审核编辑：黄飞