客户样品转移论文分享 | 多功能片上偏振敏感探测系统在光通信与人工视觉中的应用
文章导读
多功能片上偏振敏感探测系统在光通信与人工视觉中的应用
本研究提出了一种基于二维材料的片上偏振敏感探测系统，通过集成二硒化钨（WSe₂）光探测器与二硫化钼（MoS₂）场效应晶体管（FET），显著提升了偏振探测性能。该系统利用等离子体金属电极的热电子注入效应实现偏振敏感性，并通过晶体管放大信号，将各向异性比从传统器件的约2提升至60以上（红外波段），开关比达10³量级。实验验证了该系统在红外光通信中的信号高保真传输能力，以及结合卷积神经网络（CNN）的人工视觉应用，图像识别准确率达99%。该平台为高性能、微型化光电系统的发展提供了新思路。
研究背景
偏振作为光的重要属性，可被调制为信息载体，广泛应用于光通信、光谱分析和人工视觉等领域。传统偏振检测系统依赖偏振光学元件与光电探测器的组合，存在体积大、成本高的问题。近年基于低对称性二维材料（如黑磷、ReS₂）的片上偏振探测器虽取得进展，但仍受限于材料本征各向异性、低各向异性比（通常<10）及有限的工作波长范围。此外，低对称性二维材料种类稀少（仅数十种），限制了器件的通用性和性能优化。
研究内容
图1 拟议的 ASPD 系统的工作原理和应用示意图。a. 传统的偏振检测过程框图。b. 现有基于二维材料的偏振光检测器及其局限性概述。其中包括 (i) 各向异性二维材料。插图显示了各向异性二维材料的典型结构示意图。(ii) 异质结结构。(iii) 与各向异性纳米结构耦合。这种方法通过纳米结构的局部表面等离子体共振（LSPR）的各向异性吸收或场增强来引入极化。红色坐标表示共振波长（用 λ 表示）与加工难度（用 η 表示）之间的关系。c (i) 集成了偏振敏感 WSe2 基光电探测器和 MoS2 基场效应晶体管的 ASPD 系统示意图。在该示意图中，PD 表示基于 WSe2 的光电探测器，FET 表示基于 MoS2 的晶体管，Resistor 表示参考电阻器。右上角显示的是热电子注入产生的偏振灵敏度。下图描述了随入射偏振角变化的 ASPD 系统输出信号。(ii) ASPD 系统在成像和光通信中的应用示意图，展示其多功能性。
1. 系统设计与原理
将WSe₂光探测器（偏振敏感单元）与MoS₂晶体管（信号放大单元）集成，构建放大偏振检测系统（ASPD）。
- 偏振敏感性来源：等离子体金属电极边缘的局域场增强效应导致热电子注入，其强度与入射光偏振方向相关。通过晶体管放大偏振相关信号，突破材料本征各向异性限制。
- 性能优化：通过调控电极宽度与等离子体共振波长匹配，增强红外波段的偏振响应。
图2 具有偏振灵敏度的基于 WSe2 的光电探测器的设计和表征。a 模拟器件模型示意图。b 在 x-y 平面上不同极化角 0°（沿 a 中所示 x 方向）、45° 和 90°（沿 y 方向）时，器件电极边缘随波长变化的电场空间分布图。c WSe2 光电探测器在黑暗中和不同入射光照射下的输出曲线。VDS 表示源极-漏极电压，IDS 表示输出电流。d WSe2 光电探测器在不同入射光功率的 532 纳米光照下的输出曲线。插图是输出曲线的详细线性放大图，其中 Isc 和 Voc 分别代表短路电流和开路电压。e 在 VDS = -1 V 条件下，WSe2 光电探测器在 6.06 mW mm-2 的 980 纳米光和 10.66 mW mm-2 的 1064 纳米光照射下的光电流与偏振角的关系。f 具有不同通道厚度的基于 WSe2 的光电探测器的光电流与偏振角的关系。g 在 VDS = -1 V 条件下不同偏振角的空间分辨光电流映射图像，映射设置为垂直于电极边缘（0° 偏振）和平行于电极边缘（90° 偏振）。左侧插图是器件的光学图像。光电流映射测量的照明波长为 1064 纳米。白线勾勒出 WSe2 通道。比例尺为 10 μm。
2. 实验结果
- 各向异性比提升：
在1064 nm红外光下，ASPD系统的各向异性比从单一WSe₂探测器的2提升至60以上，达到实际应用水平。
- 高开关比：
红外波段开关比达4.4×10³，可见光波段达5.7×10⁵，显著降低背景噪声对成像的影响。
- 应用验证：
①光通信：通过偏振编码（0°为“1”，90°为“0”）实现“CIOMP”信号的精确传输与解码。
②人工视觉：结合CNN算法，ASPD系统对偏振图像的识别准确率达99%，较传统探测器训练速度提升3倍。
图3 ASPD 系统的偏振性能。a ASPD 系统示意图，描述了 (i) 黑暗中的初始状态和 (ii) 光照下的工作状态。b ASPD 系统的电路原理图，显示 (i) 黑暗中的初始状态；(ii) 光照下的工作状态。c 使用 MoS2 晶体管实现的集成放大器的传输特性，其中 ΔV 表示输入光信号引起的栅极电压变化，ΔI 表示相应的输出信号变化。d ASPD 系统在 1064 纳米光照下的时间分辨偏振光响应，光照强度为 10.66 mW mm-2。f ASPD 系统的各向异性比与之前报道的基于 WSe2 器件的比较。
3. 理论模拟与表征
通过有限时域差分（FDTD）模拟验证电极边缘电场分布的偏振依赖性。
实验表征显示光电流响应与偏振角度呈周期性变化，且光电流主要集中于电极边缘，与热电子注入机制一致。
图4 基于 ASPD 系统的红外偏振通信和偏振成像与识别的概念验证应用。a 偏振编码通信系统的实验装置示意图。b (i) 用固定功率密度的入射近红外光的偏振角（90°偏振编码为 “0”，0°偏振编码为 “1”）对 “CIOMP ”目标进行 ASCII 编码。(ii) 我们的偏振放大系统接收信号，并将信号解析为 “CIOMP ”目标。c 不同偏振角（0°、45° 和 90°）下的成像结果。d 用于图像识别的卷积神经网络 (CNN) 示意图。f, g 将 ASPD 和对比的裸 WSe2 基光电探测器 (PD) 的图像样本输入训练有素的神经网络后，五种可能结果的概率。
研究结论
本研究成功开发了一种基于全二维材料的高性能片上偏振检测系统，解决了传统器件依赖材料各向异性及低各向异性比的难题。通过等离子体电极设计与晶体管信号放大，系统在红外通信和人工视觉中展现出卓越性能，为微型化、多功能光电集成系统的发展提供了新范式。未来可通过优化金属-二维材料界面肖特基势垒、拓展等离子体共振波段进一步提升性能，推动该技术在安全通信、高光谱成像等领域的应用。
本文中使用我司 “ E1-T 二维材料转移平台 ” 将 MoS2 转移到 SiO2/Si 衬底（SiO2 为 300 nm）上来制备器件。
迈塔光电E1系列多功能二维材料转移实验平台可实现低维材料转移精确定点转移、多层范德华异质结制备，是研究异质结特性、空间反演对称性破缺、以及二维材料不同堆叠方式、魔角超导的有力工具。适用于石墨烯、硫化钼、黑磷等单层材料，范德华异质结，扭曲魔角异质结，纳米线/片，电极阵列等，以及5-100um的微小样品。
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原文链接
Versatile on-chip polarization-sensitive detection system for optical communication and artificial vision
https://doi.org/10.1038/s41377-025-01744-x
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