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02
2025
-
04
Light | 片上光电探测系统推动光智融合应用
作者：
导读
在当今数字化时代，光通信和人工视觉技术正以前所未有的速度发展，推动着从通信到医疗、从安全监控到自动驾驶等众多领域的变革。然而，传统偏振光检测技术的局限性，如体积庞大、制造复杂和成本高昂，严重制约了其进一步发展。
近日，中国科学院长春光机所李绍娟研究员、黎大兵研究员与合作者在此领域取得突破性进展，团队提出了一个超越材料各向异性约束的创新方法，成功开发了一种基于全二维材料的高性能片上偏振敏探测系统，在红外波段各向异性光电流比值超过60，达到现有的实际应用水平，并展示了其在光通信和人工视觉中的巨大应用潜力，为长期以来寻求的最小化、高性能、多功能光电系统的发展提供了一条极具潜力的途径。
相关结果以“Versatile on-chip polarization-sensitive detection system for optical communication and artificial vision”为题发表在Light： Science & Applications，论文第一作者为中国科学院长春光机所博士研究生刘志林，通讯作者为长春光机所李绍娟研究员。
近年来，二维材料因其优异的光电和物理性能显示出了解决上述限制的巨大潜力。特别是具有低对称晶体结构的二维材料，如BP、ReS2、PdSe2等，为片上偏振感光检测的发展开辟了新途径（如图1b（i-ii））。然而，这些低对称二维材料的种类有限，且各向异性比（通常低于10）和响应率仍然无法满足实际应用需求。此外，大量具有优异光吸收的各项同性二维材料在偏振探测方面受到应用局限。等离激元纳米结构虽然能够通过局域场增强和共振吸收提升光-物质相互作用，但固定尺寸的纳米结构仅在特定波长产生共振，随着工作波长范围的扩大，加工金属纳米结构的难度逐渐增加（如图1b(iii)），从而限制了其应用发展。
为突破这些限制，研究团队设计并构建一个基于全二维材料的偏振探测系统，引入并提升各向同性二维材料的偏振敏感特性。通过将基于WSe2的光电探测器与基于MoS2的场效应晶体管集成，来实现高性能的宽带偏振探测（如图1c）。研究团队利用金属电极诱导的热电子注入，在电极边缘产生了具有偏振依赖性的局域电场。如图2a-b所示，在红外波段，局域电场表现出明显的偏振依赖性：当入射光的偏振方向垂直于电极边缘时最强；而当偏振方向平行于电极边缘时最小。鉴于此，团队设计了一个金属-半导体肖特基界面作为热电子的捕获受体，以偏振非敏感的WSe2作为沟道材料制备了肖特基光电探测器，从而排除了沟道材料本身对偏振吸收的影响。图2c展示了器件在近红外波段表现出显著的偏振依赖的光响应。器件的各向异性光电流比在1064 nm和980 nm波长下分别达到约2和1.5。该设计打破了片上偏振探测器对低对称结构材料的长期依赖，但值得注意的是，相对于局域电场的差异而言，在器件中仅获得了一个较低的各向异性比，难以满足实际应用。
图2：基于WSe2的偏振敏感光电探测器的设计与表征
因此，为了进一步提升器件性能，研究人员构建了一个片上集成的放大系统，将基于MoS2的场效应晶体管与WSe2偏振光电探测器集成。其中WSe2肖特基探测器作为感光单元，MoS2晶体管作为放大单元和输出端口，随着输入光状态的变化（开/关状态、不同偏振状态），导致晶体管栅极电压发生变化，从而使得晶体管在开/关状态之间切换，输出电流呈现数量级的变化（如图3a-c）。该系统在1064 nm的光照下，将WSe2肖特基探测器的各向异性光电流比提升至超过60，远高于同体系材料的偏振光电探测器（如图3d-f）。并且系统也表现出较高的光敏度，在红外和可见波段的光开/关比分别为4.4×103和5.7×105。
图3：集成系统的偏振探测性能
作为演示，图4a-b中展示了该系统在偏振调制光通信中的应用，实现了信号的完美再现。此外，器件作为单像素成像设备，有力地展示了该器件在线偏振光电探测领域的潜力，并通过人工神经网络实现了超过99%的图像识别精度（如图4C-G）。这些结果表明了该系统在安全光通信、高光谱成像和人工视觉等领域的巨大应用潜力。
图4：基于偏振探测系统的红外偏振通信、偏振成像与识别的概念验证应用
总结与展望
论文信息
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