【研究背景】
偏振探测一直是光电探测领域中具有重要意义且充满挑战的研究方向。偏振光在光通信、遥感成像、宇宙学和生物医学等领域中起到关键作用。偏振态可以通过四分量的Stokes矢量完整表征，全Stokes参数的感知能够提供光强和偏振态的完整信息。基于分立光学元件（如棱镜、透镜、滤光片、偏振片和波片）的偏振计技术已经相当成熟。然而，分立光学元件的使用导致这些偏振计体积庞大、系统复杂，从而限制了其小型化和集成化的发展。传统的波片、偏振片和滤光片等笨重的光学元件可以被平面光学元件的轻薄超表面取代。但这种方法仍然面临一些挑战，例如：超表面与探测器之间需要保持适当的传播距离，增加了小型化和集成化的难度；超表面偏振像元与探测器感光像元之间位置的一一对应要求高精准的贴合工艺；同时，超表面滤光片、粘合剂等对于光通量的损失在红外波段更为严重，这使得其在红外波段的拓展变得更加困难。
【成果简介】
【突出亮点】
（1）研究团队提出了光电偏振本征矢量（OPEV）的新概念，揭示了探测器光电流与入射光斯托克斯矢量的内禀关联。在此基础上，设计了一种具有四个亚像元的超像元器件，每个亚像元展现出独特的偏振依赖响应特性，与不同的OPEV相对应。通过构建优化的光电转换矩阵（OCM），实现了对入射光完整偏振态的高精度测量。这种设计不仅克服了传统分立光学元件体积庞大、系统复杂的缺点，采用微纳光学结构与光电探测材料直接原位集成，可通过电学信号的直接读出，为光电探测器实现片上集成多功能探测提供了全新思路。
（2）研究详细分析了影响偏振重建精度的三个关键因素：OPEV的方向、偏振消光比（PERs）和构成OCM的OPEV均匀性。通过优化OPEVs的设计，即使在PERs较低的情况下，仍可以实现高精度的全Stokes参数重建。同时，亚像元间的响应率均匀性通过同一结构经旋转、镜像及其联合变换操作来保证。研究团队通过优化OCM的条件数，并结合高斯过程回归算法，使重建斯托克斯参数（S0、S1、S2、S3）的均方根误差分别降低至0.13%、0.98%、0.96%、0.58%的极低水平。
（3）该器件的精度能够与基于旋转波片的商用偏振计相媲美。商用偏振计（如PAX1000 Thorlabs，SK010PA Schäfter+Kirchhoff和PolSNAP Hinds Instruments）通常通过旋转波片实现分时间偏振测量。商用偏振计的Stokes矢量重建精度通常以方位角（约±0.25-0.6°）和椭圆率角（约±0.25-1.15°）的误差表示。为了便于比较，将Stokes参数的均方根误差换算为方位角误差和椭圆率角误差。该器件的方位角误差为0.69°，椭圆率角误差为0.51°。此外，商用偏振计的尺寸从几十毫米到几百毫米不等，而该器件仅为几十微米。更重要的是，商用偏振计依赖旋转波片重建全斯托克斯参数，而该器件能够实现快照式的全斯托克斯偏振探测，在体积和速度上都具有显著优势。
【未来展望】
【美图鉴赏】
图1 片上全斯托克斯偏振计的器件结构及设计原理。a.普适光电转换过程的OPEV描述。b.实验测量的 JI (亚像元 I光电流)的偏振分量，其强度以颜色表示并绘制在Poincare球面上。c.片上全斯托克斯偏振计的器件结构示意图。插图为亚像元I上Z形金属超表面的扫描电子显微镜照片。d.器件的光学显微镜图片。e.由四个OPEV组成的OCM的几何表示。f.OCM的矩阵表示。g.重建偏振态的覆盖率和重建精度的性能比较。
图2 亚像元的偏振依赖光电流。a.器件的原子力显微镜图像。b.器件的光电流显微扫描图像。中心区域被一块二硫化钼所覆盖。c-f.在5个不同的光功率水平(6.0μW，8.0μW，10.2μW，12.1μW 和13.2μW)下测量的光电流关于2φ和2χ的二维分布图，其中φ和χ分别是方位角和椭圆率角。重叠的曲面具有一定透明度，以增强视觉清晰度。在每个子图中，底部的等高线为每个二维分布图的投影。
图3 通过操纵超表面实现OPEV的几何排布调控。a，Z形超表面结构示意图、（y, +） Z形超表面集成MoS2热电子探测器的OPEV及其主探测偏振态的电矢量轨迹。b,c，理论预测(b)和实验测量(c)的偏振依赖光电流，以关于2φ和2χ的二维分布图呈现，对应图a中（y, +）Z形超表面器件。其中φ和χ分别为方位角和椭圆率角。d-1，3种不同方向、不同手性排布下Z形超表面对OPEV的调控。每种情况都包含变换后的Z形超表面图、相应的OPEV，以及理论预测和测量的偏振依赖光电流。图d-f表示（y,−）Z形超表面的情况（相对于a中的原始（y, +） Z形超表面呈镜像）。图g-i表示（x, +） Z形超表面的情况（相对于（y, +）旋转90°）。图j-1表示（x,−）Z形超表面的情况（相对于（y, +）呈镜像并旋转90°）。
图 4 全斯托克斯偏振计的超表面设计流程。
图 5 高精度全斯托克斯偏振重建。a-c，在整个Poincare球上随机选取(a)，沿Poincare球上的特定轨迹(b)和不同光功率水平下(c)的输入偏振态和重建偏振态。d,e，OCM的优化配置(d)和病态配置(e)。CN，条件数。f，基于d和e中OCM的Stokes矢量分量的均方根误差。g，在固定信噪比下，理论上预测了均方根误差随PER的变化。插图显示了偏振依赖光电流在Poincare球上的分布示意图，色阶相同，颜色差异表征不同PER。附加超表面设计的结果用红色十字符号表示，缩写如下：Z型为“Z”，S型为“S”，η型为“η”，L型为“L”，TPS为倾斜方片串结构，TBS为扭转棒堆叠结构。h，在固定信噪比和PER下，理论预测的均方根误差随响应率均匀性的变化趋势。插图显示了两个具有不同响应率均匀性值的框架。
图 6 宽波段的偏振重建。a,b，模拟（Sim.） (a)和实验表征（Exp.） (b)宽波段偏振重建器件的OCM。波长为1,200,1,300,1,400,1,500和1,600 nm。器件结构与图1c相似，其对应的等离激元超表面几何参数调整为P = 680 nm, L = 500 nm, W = 75 nm， Δ1 = 60 nm和Δ2 = 192 nm。c， OCM的条件数随波长变化的趋势。d，重建斯托克斯矢量分量的均方根误差随波长变化的情况。
【文章信息】
Deng, J., Shi, M., Liu, X. et al. An on-chip full-Stokes polarimeter based on optoelectronic polarization eigenvectors. Nat Electron (2024).
https://doi.org/10.1038/s41928-024-01287-w
Jie Deng, Mengdie Shi, Xingsi Liu为本文的共同第一作者。
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