光纤偏振功能集成---光的偏振作为光的一种基本属性，涉及到通信、成像、导航、传感等几乎所有光学相关的领域。但是，光学偏振的探测却并不很容易。目前商用的探测器基本都只对光强和颜色敏感，而如需探测偏振则需要用到一系列沿光路串联排列的光学、机械、电学元件，包括透镜、棱镜、偏光片、波片、滤光片、探测器、机械部件等。因此，如何方便地对各种偏振分量进行测量就成了实际中的一个核心问题。
日前，南京大学现代工学院徐飞教授、郝玉峰教授、陈烨副研究员、陆延青教授团队和物理学院詹鹏教授，联合中国科技大学石孟竹博士、陈仙辉院士团队、厦门大学陈锦辉副教授和日本国家材料科学研究所Kenji Watanabe博士和Takashi Taniguchi博士团队，将三个由二维材料组成的透明光电功能单元串行集成，成功地在人头发丝般粗细的光纤的端面制作出了一个大小约为人类头发横截面的 1/100，厚度为100 nm级的光偏振传感器（图1），能够实现快速、准确、高效地检测光的多种偏振态。这是一项有助于推进通信、成像、医疗和遥感领域的突破。
图1 (A) 光纤集成偏振计的实物照片。光纤固定在外径为2.5 mm，内径为125 μm的光纤陶瓷插芯中。 (B) 器件结构的伪彩色SEM图像。白色虚线的圆圈代表光纤的纤芯区域。
如图2所示，在器件设计上，该工作选用了各向同性的硒化铋（Bi2Se3）作为第一层功率校准单元，利用Bi2Se3对入射光的偏振不敏感，并且具有0.3 eV的窄带隙，可以很好的进行红外光的功率测量。在第二和第三层偏振探测单元中，研究者们选择了各向异性的多层黑磷（BP）来实现对入射光偏振的检测，其具有0.3 eV的窄带隙、高迁移率和高度各向异性的红外光电响应。在每一层单元之上，都使用一层六方氮化硼（hBN）薄膜进行绝缘和封装。第二和第三层单元的两片黑磷的晶向存在一定角度的扭转，导致它们对入射偏振光的响应曲线存在差异，从而能够实现对偏振的精确分析。
图2 器件结构示意图。
此外，研究者们还针对光纤独特的构造，设计了关于纤芯空间不对称的电极结构，能够实现BP单元的高响应（探测率D*，～2.91×108Jones）、高速（响应时间，～800 ns）、高偏振对比度（～12）的自驱动光电探测。更为重要的是，这种不对称的设计破坏了系统对称性并产生了线偏振光伏效应（LPGE）和圆偏振光伏效应（CPGE），使得两个BP偏振测量单元都能够对线偏振（LP）光和圆偏振（CP）光都显示出高的偏振对比度和自驱动的光电响应，如图3所示。因此，通过这三层透明光电探测器的协同配合，我们可以在功率预校准的条件下，建立光偏振与光电流之间的对应关系，实现对LP和CP光的准确检测，从而摆脱了外部光学元件或机械部件。
图3 器件对不同偏振光的光电响应。（A）BP偏振测量单元对线偏振光的响应。（B）BP偏振测量单元对圆偏振光的响应。（C）BP偏振测量单元的功率校准曲线。（D）光电流随入射光偏振的变化。
此外，该器件还作为单点探测器，利用随时间变化的哈达玛（Hadamard）编码图案和同步测量得到的极化光电流，成功获取了物体的空间偏振信息，实现了单像素偏振成像（图4）。
图4 单像素偏振成像的演示。 (A)实验装置的示意图。 (B) 在不同的入射光偏振下，通过偏振片、CCD相机记录的图像与器件重构的图像的比较。
总的来说，该工作提出了一种构建多功能集成的光电器件的通用方法，通过沿光路堆叠超薄透明光电单元，有望保证器件同时具备紧凑的横向和纵向尺寸。该方法未来可以被改进并用来测量光学的其他内秉和外秉属性，譬如波长、入射角度、自旋和轨道角动量等，为具备多样化的光学、光电功能的超紧凑光学系统铺平道路。相关工作以Twisted black phosphorus–based van der Waals stacks for fiber-integrated polarimeters为题发表在《Science Advances》上。
本研究受国家重点研发计划、国家基金委杰出青年基金和重点基金、江苏省自然科学基金，江苏省333高层次人才培养工程的支持与资助。感谢固体微结构物理国家重点实验室和江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的支持。现代工程与应用科学学院的博士生熊毅丰、王玉树、朱润泽为共同第一作者,徐飞教授与郝玉峰教授为共同通讯作者。
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo0375