片上紅外偏振探測研究進(jìn)展

偏振是光的固有自由度，偏振探測提供了光強(qiáng)和波長之外的更多豐富信息。紅外偏振探測器在成像、通信、遙感和宇宙學(xué)等眾多應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的偏振探測系統(tǒng)體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，阻礙了偏振探測的微型化和集成化。近來，片上紅外偏振探測器的發(fā)展引起了廣泛的研究興趣。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“片上紅外偏振探測研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為甄玉冉，通訊作者為鄧杰、陳剛研究員和周靖研究員。

這項(xiàng)研究重點(diǎn)介紹片上紅外偏振探測器的兩個(gè)前沿研究領(lǐng)域：偏振敏感材料和偏振選擇性光耦合結(jié)構(gòu)集成的紅外偏振探測器，主要討論片上紅外偏振探測器的研究現(xiàn)狀以及未來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

關(guān)于偏振敏感材料

傳統(tǒng)的線偏振或圓偏振探測方法基于旋轉(zhuǎn)偏振器或?yàn)V波片。大多數(shù)探測材料對(duì)偏振不敏感，只能探測光強(qiáng)。傳統(tǒng)偏振探測系統(tǒng)中對(duì)大量分立光學(xué)元件的需求阻礙了偏振探測系統(tǒng)的微型化和集成化。因此，大量研究已傾向于探索能夠構(gòu)建緊湊且無濾波器的偏振探測器的偏振敏感材料。

二維材料憑借其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)而在光電子學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的研究。某些二維材料的各向異性吸收保證了對(duì)線偏振光的敏感性。這些材料為片上紅外偏振探測器提供了一種簡單的方法，并表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。與傳統(tǒng)方法相比，由各向異性二維材料構(gòu)成的偏振探測系統(tǒng)具有微型化的優(yōu)勢，相關(guān)研究成果如圖1所示。

圖1 （a）Te的晶體結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）由b-AsP/WS?/b-AsP構(gòu)成的單極勢壘范德華異質(zhì)結(jié)光電探測器的示意圖；（c）全斯托克斯偏振測量的示意圖；（d）扭曲雙層石墨烯光電探測器的示意圖

拓?fù)洳牧弦蚱洫?dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出新穎的光電現(xiàn)象。拓?fù)洳牧显诰€偏振光和圓偏振光下產(chǎn)生顯著的光電流。這些現(xiàn)象分別被稱為線性光電流效應(yīng)（LPGE）和環(huán)形光電流效應(yīng)（CPGE）。此外，拓?fù)浒虢饘僖蚱湓赪eyl點(diǎn)的無帶隙能帶結(jié)構(gòu)而有望用于寬帶紅外探測，相關(guān)研究成果如圖2所示。

圖2 （a）TaAs器件的偽彩色掃描電子顯微鏡圖像；（b）雙柵調(diào)控單層WTe?器件的中紅外圓偏光電流測試的示意圖，；（c）Te的晶格結(jié)構(gòu)；（d）MoTe?器件的光學(xué)顯微鏡照片

手性材料被定義為不能與其鏡像相重合。憑借其獨(dú)特的手性性質(zhì)，它們在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和量子技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。手性鈣鈦礦和有機(jī)材料對(duì)左旋圓偏振光（LCP）和右旋圓偏振光（RCP）的不同吸收為直接探測圓偏振光（CPL）提供了機(jī)會(huì)，相關(guān)研究成果如圖3所示。

圖3 （a）用于圓偏振光直接探測的手性雜化鈣鈦礦單晶陣列設(shè)計(jì)；（b）PbI?光電探測器的示意圖；（c）螺旋一維鈣鈦礦基光電探測器示意圖；（d）基于BP和手性鈣鈦礦MPI的范德華異質(zhì)結(jié)光電探測器的示意圖及其晶體結(jié)構(gòu)

偏振選擇性光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)的集成

線偏振和圓偏振探測是基于偏振敏感材料，但這些材料的選擇相當(dāng)有限。化學(xué)穩(wěn)定性差、響應(yīng)度低和偏振消光比低是基于偏振敏感材料的偏振探測器的主要問題。另一方面，人工微納光學(xué)結(jié)構(gòu)在控制偏振光與物質(zhì)的相互作用方面顯示出巨大的潛力。具有偏振選擇性光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)以及與各向異性材料集成的偏振探測器在響應(yīng)度和偏振消光比方面表現(xiàn)出更好的性能。

等離子體結(jié)構(gòu)在光和物質(zhì)的相互作用中起著重要作用。它們通過局域表面等離子體激元的共振激發(fā)增強(qiáng)了偏振相關(guān)的光電耦合。因此，等離子體結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)偏振選擇性耦合的重要工具。偏振選擇性光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)和紅外探測材料的集成可以大大提高偏振探測性能，相關(guān)研究成果如圖4所示。

圖4 （a）光柵等離激元微腔集成的量子阱紅外探測器；（b）手性超材料及圓偏光探測器的示意圖；（c）螺旋行波納米天線的示意圖及其工作原理；（d）單層MoSe?和手性等離激元超表面集成的復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合偏振選擇性光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)和材料中的各向異性吸收的優(yōu)點(diǎn)，偏振選擇性等離子體腔和各向異性材料的集成表現(xiàn)出偏振辨別力的雙重增強(qiáng)，相關(guān)研究成果如圖5所示。

圖5 （a）等離激元微腔集成的量子阱紅外探測器的三維仿真示意圖；（b）Stokes 參數(shù)的解析；（c）非對(duì)稱復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖；（d）左旋圓偏振和右旋圓偏振入射下，各向異性介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸收和反射光譜

通過將偏振敏感材料與微納光學(xué)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高響應(yīng)率和偏振消光比。最近，還通過集成等離子體納米天線實(shí)現(xiàn)了可配置的光電流極性。光電流的極性可以通過光偏振靈活調(diào)節(jié)，并在極性轉(zhuǎn)變點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無限消光比。

目前，片上紅外偏振探測已得到廣泛研究，并對(duì)單一偏振態(tài)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測將成為紅外偏振未來發(fā)展的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

眾多研究致力于片上紅外偏振探測器的發(fā)展。偏振探測器可以通過各向異性二維材料、拓?fù)洳牧?、手性材料和集成偏振選擇性光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)等各類偏振敏感材料實(shí)現(xiàn)。當(dāng)偏振選擇性光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)與偏振選擇性探測材料以適當(dāng)方式結(jié)合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高偏振分辨率。隨著人工超構(gòu)材料介質(zhì)探測器的發(fā)展，光電流的極性可以通過光偏振靈活調(diào)節(jié)，并且在極性轉(zhuǎn)變點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無限消光比?？傊ㄟ^集成各向異性材料和光學(xué)結(jié)構(gòu)的片上偏振探測得到了廣泛的關(guān)注。

審核編輯：黃飛