北邮任晓敏、王琦团队研制出双模式管状线偏振光探测器 | “北京邮电大学建校70周年” 纪念专辑亮点文章

北京邮电大学信息光子学与光通信全国重点实验室任晓敏、王琦团队成功研制出一种基于石墨烯/MoS₂/III-V族半导体管状异质结构的双模式线偏振光探测器。该器件利用立体组装技术，将二维材料/III-V族半导体异质结构卷曲为管状，并结合共面三电极结构，成功实现了光伏模式（自驱动）与光电导模式（高增益）下的双模式线偏振探测。在光伏模式下，该器件实现了自驱动高速线偏振成像；在光电导模式下，不仅对线偏振光敏感，还能模拟神经突触功能。这一成果为多功能集成光电子器件提供了全新的设计与制备思路。相关成果被选为《光学学报》“北京邮电大学建校70周年”纪念专辑亮点文章。

链接：沈明阳, 王琦, 刘昊, 王俊, 叶寒, 刘凯, 黄永清, 任晓敏. 基于石墨烯/MoS₂/III-V族半导体管状异质结构的双模式线偏振光探测器（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(7): 0700015.

1、研究背景

随着人工智能、光计算与先进光电系统的快速发展，传统光探测器正面临着日益严峻的性能瓶颈。在光通信、光计算及军事伪装识别等关乎国家信息安全的关键领域，仅获取光强信息已远远不够，获取光的偏振信息成为提升探测性能的核心手段，高性能线偏振探测器件需求日益迫切。

当前，平面偏振光探测器虽技术成熟，但受限于二维平面结构，对入射光的角度敏感，难以实现全向探测；同时其片上占据面积大，难以满足系统向微小型化与多功能集成发展的需求。微纳立体组装技术的兴起，为探测器突破平面限制提供了新路径。自卷曲微米管具有圆柱形对称结构，天然支持空间任意角度入射光接收，是实现全向线偏振探测的理想平台。近年来，基于管状结构的线偏振探测器成为研究热点，通过引入二维材料（如MoS₂）等，器件偏振探测性能不断提升。

然而，当前管状线偏振探测器均无法实现双模式线偏振探测，只能在光伏模式与光电导模式间取舍：光伏模式可零偏压自驱动工作，响应快，适合高速线偏振成像，但增益低、弱光探测能力有限；光电导模式高增益、对弱光敏感、偏振响应强，但需外加偏压、响应速度慢。其根本原因在于电极结构、载流子输运通道约束与材料功能三者之间存在矛盾，现有设计难以在同一器件中并行构建两种不同电学通道，无法兼顾两种模式的偏振探测优势。

这一现状严重制约了管状线偏振探测器在复杂场景中的应用。未来光电探测系统需要同时实现高速线偏振成像、高灵敏度弱光偏振探测与类脑光电功能等诸多功能集成，单一模式器件难以胜任。因此，研发可同时实现光伏与光电导双模式工作、且在两种模式下均具备优异线偏振探测能力的管状探测器，成为当前微纳光电子领域亟待攻克的核心难题。

2、管状异质结构线偏振光探测器：双模式突破、性能优势及应用前景

此工作的核心在于构建了石墨烯/MoS₂/III-V族半导体（GaAs/InGaAs）管状异质结构，图1（a）和（b）分别展示了器件结构示意图与扫描电子显微镜图。该器件的制备始于在GaAs衬底上预先生长一层AlGaAs牺牲层，随后在其上生长III-V族半导体双层薄膜（GaAs/InGaAs）。该双层薄膜因晶格失配而具有内应力，从而充当应变层。之后，单层MoS₂和单层石墨烯依次转移到该薄膜表面。当利用氢氟酸（HF）选择性刻蚀掉牺牲层后，薄膜脱离衬底，内应力得以释放并驱动其自动卷曲成微米管及管状异质结构。器件的完整制备工艺涉及光刻、刻蚀、二氧化硅沉积、二维材料转移、电极沉积等数十个步骤，其中牺牲层的选择性刻蚀是驱动平面异质结构自卷曲形成管状异质结构的关键环节，必须精确控制。

图1 a, b)双模式线偏振光探测器结构示意图和扫描电子显微镜图；c) 平面与卷曲后的单层MoS₂的拉曼光谱；d) 平面与卷曲后的单层石墨烯的拉曼光谱

二硫化钼（MoS₂）是器件的偏振功能来源。单层MoS₂原本是各向同性的，但在卷曲过程中引入的应力破坏了其对称性，使其转变为各向异性（可由图1（c）中MoS₂的拉曼光谱分裂得出）。这意味着它对不同振动方向的线偏振光具有不同的吸收率，从而具备了分辨线偏振光的能力。石墨烯拥有极高的载流子迁移率，在本研究中被用作光电导模式下的“载流子高速输运通道”，有效解决了传统管状探测器光电导模式增益低的问题。图1（d）中的拉曼光谱表明，本工作使用的是单层石墨烯。

器件在光伏模式（零偏压）的探测性能如图2所示，器件的整流比超过200，光谱响应范围覆盖紫外到近红外波段，在638 nm红光照射下的响应度可达125 mA/W，这是目前光伏模式下管状探测器的最高响应度，对应的归一化探测率为2.74×10¹¹ Jones。如图3所示，器件二向色比达到1.51，且实验证明期能清晰地进行自驱动线偏振成像，成功区分出掩模上的“B”字母图案。

图2 a)双模式线偏振光探测器在光伏模式下进行光电测试的光学显微镜图；b) 光伏模式下的暗场I-V曲线；c)器件在光伏模式（零偏压）下的的光谱响应曲线；d)光伏模式（零偏压）不同光强638 nm波长激光照射下的I-V曲线；e)光伏模式（零偏压）不同光强638 nm波长激光照射下的I-T曲线；f)光伏模式（零偏压）638 nm波长激光照射下光强-响应度曲线

图3 a) 在光伏模式下，双模式线偏振光探测器在不同偏振角度（θ）的638 nm线偏振光垂直入射时，偏振角度θ与归一化光电流的关系曲线；b) 线偏振成像测试系统示意图；c) 器件在垂直入射的638 nm线偏振光照射下偏振角度为0°和90°的线偏振灰度图像

图4首先展示了在光电导模式（在1V偏压）下的探测性能。如图4（b）所示，器件在此模式下同样具备线偏振探测能力，二向色比达到1.22，成功实现了管状探测器的光伏与光电导双模式线偏振探测。此外，器件在638 nm光照下的响应度达到288 A/W，增益可达数千倍，归一化探测率为1.5×10⁹ Jones，这使得探测器能捕捉到极其微弱的光信号。更令人兴奋的是，由于MoS₂内部缺陷态对载流子的俘获与释放，器件恢复速度降低至秒级乃至几十秒（如图4（c-f）所示），这种慢弛豫特性为模拟光电突触行为提供了物理基础。测试表明，器件具备光电突触功能，在连续光脉冲照射下，光电流逐渐增大，模拟了光电突触的“学习-记忆”过程，且存在双脉冲易化现象，即两个连续的光脉冲能产生更强的响应，这是突触可塑性的典型特征。

图4 a) 双模式线偏振光探测器在光电导模式下进行光电测试的光学显微镜图；b)在光电导模式下，双模式线偏振光探测器在不同偏振角度（θ）的638 nm线偏振光垂直入射时，偏振角度θ与归一化光电流的关系曲线；c) 光电导模式不同光强638 nm波长激光照射下的I-T曲线；d) 光电导模式下学习行为展示；e) 光电导模式638 nm波长激光下不同偏压下的I-T曲线；f) 光电导模式下双脉冲易化行为

现有管状线偏振光探测器无法同时实现双模式线偏振探测，只能二选一：光电导模式高增益、对弱光敏感（视力好），但响应慢、需偏压（慢吞吞）；光伏模式自驱动、响应快（反应快），但增益低、探测能力有限（视力一般）。而北邮团队这款管状器件，首次实现了双模式线偏振探测，两种模式下均具备优异的线偏振分辨能力，且光伏模式的响应度刷新同类型器件的纪录。该器件突破了传统管状线偏振探测器单一模式工作的局限，凭借双模式线偏振探测及全向探测能力，在目标偏振信息识别上具备明显优势。因不同材质对偏振光的调制差异，该器件可有效识别亮度、颜色相近的伪装目标，适用于复杂环境下的偏振成像与目标检测，在实际探测场景中具备较好的应用潜力。此外，器件能够模拟光电突触行为，有望为开发“感存算”一体器件提供新的思路。

北邮研发的石墨烯/MoS₂/III-V族半导体管状异质结构光探测器，攻克了管状器件双模式线偏振探测核心难题，以卓越偏振探测性能与多元应用价值，为光电子学开辟新路径，加速实验室技术落地，在军事、民用多领域展现广阔前景。

3、未来展望

未来将围绕双模式线偏振探测进一步推进器件阵列化、集成化与系统级应用，构建兼具高响应、高增益、全向偏振感知的新型光电子芯片。依托立体组装技术的材料兼容性，拓展至多波段、多维度偏振协同探测，实现光强、偏振、光谱信息的并行获取与实时处理。同时结合神经形态计算，发展双模式线偏振光电突触阵列，推动感算一体智能光电子系统的发展，为偏振成像、智能感知、空间光通信等前沿领域提供核心器件支撑。

作者简介

任晓敏，北京邮电大学教授（原副校长），北京邮电大学信息光子学与光通信全国重点实验室首席科学家，国家杰出青年基金获得者；中国光学学会会士、中国电子学会会士、英国工程技术协会（IET）会士。长期从事信息光子学与光通信、半导体光电子材料与器件等领域的创新研究，在单频可调协半导体激光器、半导体光探测器、光子晶体光纤及光纤光栅、半导体纳异质结构及器件、量子光电子学以及基础物理学方面取得了一系列重要科研成果。

王琦，北京邮电大学教授，教育部新世纪优秀人才计划入选者。主要从事信息光电子器件与集成方面研究工作，先后主持完成了国家973计划子课题、国家863计划课题、国家自然科学基金面上项目等多个国家级科研项目。先后在ACS Nano、Nano Lett.、Compos. Sci. Technol.、ACS Appl. Mater. Interfaces.、Adv. Opt. Mater.、Appl. Surf. Sci、APL Mater.、Appl. Phys. Lett、Opt. Lett 等国内外期刊和会议上发表论文一百五十余篇，授权发明专利三十余项。