光纖偏振功能集成---光的偏振作為光的一種基本屬性，涉及到通信、成像、導航、傳感等幾乎所有光學相關的領域。但是，光學偏振的探測卻并不很容易。目前商用的探測器基本都只對光強和顏色敏感，而如需探測偏振則需要用到一系列沿光路串聯排列的光學、機械、電學元件，包括透鏡、棱鏡、偏光片、波片、濾光片、探測器、機械部件等。因此，如何方便地對各種偏振分量進行測量就成了實際中的一個核心問題。
日前，南京大學現代工學院徐飛教授、郝玉峰教授、陳燁副研究員、陸延青教授團隊和物理學院詹鵬教授，聯合中國科技大學石孟竹博士、陳仙輝院士團隊、廈門大學陳錦輝副教授和日本國家材料科學研究所Kenji Watanabe博士和Takashi Taniguchi博士團隊，將三個由二維材料組成的透明光電功能單元串行集成，成功地在人頭發絲般粗細的光纖的端面制作出了一個大小約為人類頭發橫截面的 1/100，厚度為100 nm級的光偏振傳感器（圖1），能夠實現快速、準確、高效地檢測光的多種偏振態。這是一項有助于推進通信、成像、醫療和遙感領域的突破。
圖1 (A) 光纖集成偏振計的實物照片。光纖固定在外徑為2.5 mm，內徑為125 μm的光纖陶瓷插芯中。 (B) 器件結構的偽彩色SEM圖像。白色虛線的圓圈代表光纖的纖芯區域。
如圖2所示，在器件設計上，該工作選用了各向同性的硒化鉍（Bi2Se3）作為第一層功率校準單元，利用Bi2Se3對入射光的偏振不敏感，并且具有0.3 eV的窄帶隙，可以很好的進行紅外光的功率測量。在第二和第三層偏振探測單元中，研究者們選擇了各向異性的多層黑磷（BP）來實現對入射光偏振的檢測，其具有0.3 eV的窄帶隙、高遷移率和高度各向異性的紅外光電響應。在每一層單元之上，都使用一層六方氮化硼（hBN）薄膜進行絕緣和封裝。第二和第三層單元的兩片黑磷的晶向存在一定角度的扭轉，導致它們對入射偏振光的響應曲線存在差異，從而能夠實現對偏振的精確分析。
圖2 器件結構示意圖。
此外，研究者們還針對光纖獨特的構造，設計了關于纖芯空間不對稱的電極結構，能夠實現BP單元的高響應（探測率D*，～2.91×108Jones）、高速（響應時間，～800 ns）、高偏振對比度（～12）的自驅動光電探測。更為重要的是，這種不對稱的設計破壞了系統對稱性并產生了線偏振光伏效應（LPGE）和圓偏振光伏效應（CPGE），使得兩個BP偏振測量單元都能夠對線偏振（LP）光和圓偏振（CP）光都顯示出高的偏振對比度和自驅動的光電響應，如圖3所示。因此，通過這三層透明光電探測器的協同配合，我們可以在功率預校準的條件下，建立光偏振與光電流之間的對應關系，實現對LP和CP光的準確檢測，從而擺脫了外部光學元件或機械部件。
圖3 器件對不同偏振光的光電響應。（A）BP偏振測量單元對線偏振光的響應。（B）BP偏振測量單元對圓偏振光的響應。（C）BP偏振測量單元的功率校準曲線。（D）光電流隨入射光偏振的變化。
此外，該器件還作為單點探測器，利用隨時間變化的哈達瑪（Hadamard）編碼圖案和同步測量得到的極化光電流，成功獲取了物體的空間偏振信息，實現了單像素偏振成像（圖4）。
圖4 單像素偏振成像的演示。 (A)實驗裝置的示意圖。 (B) 在不同的入射光偏振下，通過偏振片、CCD相機記錄的圖像與器件重構的圖像的比較。
總的來說，該工作提出了一種構建多功能集成的光電器件的通用方法，通過沿光路堆疊超薄透明光電單元，有望保證器件同時具備緊湊的橫向和縱向尺寸。該方法未來可以被改進并用來測量光學的其他內秉和外秉屬性，譬如波長、入射角度、自旋和軌道角動量等，為具備多樣化的光學、光電功能的超緊湊光學系統鋪平道路。相關工作以Twisted black phosphorus–based van der Waals stacks for fiber-integrated polarimeters為題發表在《Science Advances》上。
本研究受國家重點研發計劃、國家基金委杰出青年基金和重點基金、江蘇省自然科學基金，江蘇省333高層次人才培養工程的支持與資助。感謝固體微結構物理國家重點實驗室和江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室的支持?，F代工程與應用科學學院的博士生熊毅豐、王玉樹、朱潤澤為共同第一作者,徐飛教授與郝玉峰教授為共同通訊作者。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo0375