偏振是光的固有自由度，偏振探測提供了光強和波長之外的更多豐富信息。紅外偏振探測器在成像、通信、遙感和宇宙學等眾多應用中發揮著至關重要的作用。然而，傳統的偏振探測系統體積龐大、系統復雜，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展引起了廣泛的研究興趣。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室的科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了以“片上紅外偏振探測研究進展”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。

這項研究重點介紹片上紅外偏振探測器的兩個前沿研究領域：偏振敏感材料和偏振選擇性光耦合結構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狀以及未來的挑戰和機遇。

關于偏振敏感材料

傳統的線偏振或圓偏振探測方法基于旋轉偏振器或濾波片。大多數探測材料對偏振不敏感，只能探測光強。傳統偏振探測系統中對大量分立光學元件的需求阻礙了偏振探測系統的微型化和集成化。因此，大量研究已傾向于探索能夠構建緊湊且無濾波器的偏振探測器的偏振敏感材料。

二維材料憑借其獨特的光學和電學性質而在光電子學領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，并表現出優異的性能。與傳統方法相比，由各向異性二維材料構成的偏振探測系統具有微型化的優勢，相關研究成果如圖1所示。

圖1 （a）Te的晶體結構和器件結構示意圖；（b）由b-AsP/WS?/b-AsP構成的單極勢壘范德華異質結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

拓撲材料因其獨特的電子能帶結構而表現出新穎的光電現象。拓撲材料在線偏振光和圓偏振光下產生顯著的光電流。這些現象分別被稱為線性光電流效應（LPGE）和環形光電流效應（CPGE）。此外，拓撲半金屬因其在Weyl點的無帶隙能帶結構而有望用于寬帶紅外探測，相關研究成果如圖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的晶格結構；（d）MoTe?器件的光學顯微鏡照片

手性材料被定義為不能與其鏡像相重合。憑借其獨特的手性性質，它們在醫學、生物學和量子技術等領域有著廣泛的應用。手性鈣鈦礦和有機材料對左旋圓偏振光（LCP）和右旋圓偏振光（RCP）的不同吸收為直接探測圓偏振光（CPL）提供了機會，相關研究成果如圖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計；（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的范德華異質結光電探測器的示意圖及其晶體結構

偏振選擇性光學耦合結構的集成

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有限。化學穩定性差、響應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，人工微納光學結構在控制偏振光與物質的相互作用方面顯示出巨大的潛力。具有偏振選擇性光學耦合結構以及與各向異性材料集成的偏振探測器在響應度和偏振消光比方面表現出更好的性能。

等離子體結構在光和物質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增強了偏振相關的光電耦合。因此，等離子體結構是實現偏振選擇性耦合的重要工具。偏振選擇性光學耦合結構和紅外探測材料的集成可以大大提高偏振探測性能，相關研究成果如圖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合結構示意圖

結合偏振選擇性光學耦合結構和材料中的各向異性吸收的優點，偏振選擇性等離子體腔和各向異性材料的集成表現出偏振辨別力的雙重增強，相關研究成果如圖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 參數的解析；（c）非對稱復合結構示意圖；（d）左旋圓偏振和右旋圓偏振入射下，各向異性介質復合結構的吸收和反射光譜

通過將偏振敏感材料與微納光學結構相結合，實現了高響應率和偏振消光比。最近，還通過集成等離子體納米天線實現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節，并在極性轉變點實現無限消光比。

目前，片上紅外偏振探測已得到廣泛研究，并對單一偏振態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展的挑戰和機遇。

眾多研究致力于片上紅外偏振探測器的發展。偏振探測器可以通過各向異性二維材料、拓撲材料、手性材料和集成偏振選擇性光學耦合結構等各類偏振敏感材料實現。當偏振選擇性光學耦合結構與偏振選擇性探測材料以適當方式結合時，可以實現高偏振分辨率。隨著人工超構材料介質探測器的發展，光電流的極性可以通過光偏振靈活調節，并且在極性轉變點實現無限消光比。總之，通過集成各向異性材料和光學結構的片上偏振探測得到了廣泛的關注。

審核編輯：黃飛