Adv.Photon. | 光学微腔赋能黑磷光电二极管：实现超快响应与高偏振灵敏红外探测

Advanced Photonics 2026年第1期文章：

“Mengjia Xia, Qixiao Zhao, Runzhang Xie, Luyao Guo, Bingkun Ye, Xiaoyong Jiang, Fuxing Dai, Kun Zhang, Shikun Duan, Jialin Li, Fang Zhong, Ting He, Yi Zhou, Deep Jariwala, Jinshui Miao, Weida Hu, Engineering optical microcavities in black phosphorus photodiodes: a path to ultrafast polarization-sensitive infrared sensing” Adv. Photon. 8, 016004 (2026).

研究背景

偏振信息除了能够反映目标的光强信息，还能够提供目标表面纹理、形貌及材料等更多物理信息，因此偏振敏感红外探测在遥感探测、目标识别、红外成像以及伪装目标检测等领域具有重要应用价值。近年来，二维材料因具有优异的光电性能，广泛用于新型红外探测器研究；其中，黑磷（Black Phosphorus，BP）具有独特的层状晶体结构，其扶手椅（Armchair，AC）方向与锯齿（Zigzag，ZZ）方向在载流子有效质量、能带色散以及光吸收能力等方面明显存在各向异性，因此天然具有偏振敏感探测能力。同时，黑磷较低的面外载流子有效质量又使其具有较高的垂直输运效率，为高速光电探测提供了材料基础。

尽管如此，目前黑磷偏振探测器仍然面临偏振各向异性比不足、响应速度有限以及器件结构复杂等问题。已有二维材料偏振探测器的偏振各向异性比通常低于10，而实际偏振成像通常要求器件具有超过20的偏振对比度。此外，提高光吸收通常需要增加材料厚度，但又会增加载流子输运距离，降低响应速度，因此如何兼顾高偏振灵敏度与超快响应一直是黑磷红外探测器发展的关键挑战。

针对上述问题，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员、苗金水研究员与宾夕法尼亚大学Deep Jariwala副教授等提出了一种基于光学微腔增强的垂直黑磷光电二极管。研究人员通过构建ITO/BP/Au垂直器件结构，并结合Fabry–Pérot（F-P）光学微腔调控局域光场，在增强红外吸收的同时缩短载流子输运路径，最终实现了室温零偏压条件下高偏振灵敏度与超快响应兼具的红外探测器。相关成果以“Engineering optical microcavities in black phosphorus photodiodes: a path to ultrafast polarization-sensitive infrared sensing”为题，发表在Advanced Photonics 2026年第1期。

1. 光学微腔与垂直结构协同设计，实现红外光高效吸收

为了同时兼顾高速响应和高偏振灵敏度，作者首先设计了一种由ITO透明电极、黑磷吸收层和Au反射电极组成的垂直光电二极管结构，并利用ITO和Au分别作为Fabry–Pérot光学微腔的上、下反射镜，实现红外光在黑磷层内的多次干涉与共振增强（图1）。与传统平面器件相比，该垂直结构显著缩短了载流子的输运距离，减少了复合损失，同时非对称电极形成的内建电场能够在零偏压条件下实现光生载流子的快速分离与收集。结合黑磷自身的各向异性晶体结构，研究人员进一步分析了不同偏振方向下的光吸收特性。由于扶手椅方向具有更低的载流子有效质量和更高的跃迁概率，沿该方向偏振的入射光能够在黑磷中产生更强的吸收，而沿锯齿方向则吸收明显减弱。电磁场模拟结果进一步表明，在光学微腔作用下，大部分光场被限制在黑磷层内部，使扶手椅方向的吸收得到进一步增强，为后续实现高偏振响应奠定了基础。

图1 集成到垂直BP光电二极管的光学微腔设计示意图

2. 光学结构优化，显著提升偏振吸收能力

为了进一步优化器件性能，研究人员采用传输矩阵法结合电磁仿真，对黑磷厚度及光学微腔参数进行了系统优化（图2）。研究发现，黑磷厚度不仅影响载流子输运距离，同时决定了光学微腔的共振条件，因此需要在光吸收效率与器件噪声之间寻找最佳平衡。模拟结果表明，当黑磷厚度约为110 nm时，器件在2 μm波长附近形成最佳共振状态。与没有光学微腔的结构相比，微腔可使扶手椅方向的吸收增强近4倍，使约90%的入射光能够被黑磷吸收；同时，光学微腔进一步放大了黑磷固有的线性二色性，使偏振吸收差异提高约3倍。研究还发现，ITO厚度在一定范围内变化对器件吸收影响较小，这为器件实际加工提供了更大的工艺容差。

图2 BP红外光学各向异性的理论计算

3. 实现超快、高灵敏度偏振红外探测

在完成结构优化后，研究人员对器件进行了系统光电性能测试（图3）。实验结果表明，该器件具有典型光伏二极管特性，在零偏压下即可产生明显的光电流响应，并随着入射光功率增加保持良好的线性关系。器件在2 μm波长处获得最高0.37 A/W的响应度和1.27×10¹⁰ cm·Hz^1/2 W^-1的比探测率，同时保持较低噪声水平。偏振响应测试进一步验证了光学微腔对偏振选择性的增强作用。随着入射偏振方向由扶手椅方向旋转至锯齿方向，器件响应由143 mA/W下降至4.65 mA/W，对应偏振各向异性比达到30.6。研究人员进一步测量了不同波长下的偏振响应，发现器件在2 μm附近获得最高偏振各向异性比，并且随着黑磷厚度增加，共振波长逐渐向长波方向移动。对于厚度约150 nm的器件，其截止响应波长进一步扩展至约3.6 μm，说明该光学微腔设计具有良好的可调性和普适性。

图3 光响应和偏振特性的表征

4. 垂直输运实现纳秒级高速响应

响应速度是评价光探测器的重要指标。研究人员利用1.5 μm脉冲激光对器件进行了高速响应测试（图4）。实验结果显示，在连续317次调制循环过程中，器件输出保持稳定，没有出现明显漂移，展现出良好的工作稳定性。进一步测试表明，器件的上升时间仅为31.95 ns，下降时间为42.81 ns，对应约40 ns量级的响应速度；频率响应的−3 dB截止频率达到7.082 MHz。文章指出，这种高速响应主要来源于垂直器件结构带来的超短载流子输运路径，以及光学微腔增强后的局域光场共同作用。相比于传统平面黑磷器件通常达到微秒量级的响应时间，该垂直结构显著提升了器件响应速度，同时仍保持较高的偏振灵敏度，实现了速度与性能之间的兼顾。

图4 频率响应和性能比较

5. 偏振成像验证器件应用能力

为了验证器件在实际偏振成像中的应用潜力，研究人员进一步开展了偏振成像实验（图5）。实验中，以尺寸约90 μm×90 μm的“SITP”金属图案作为成像目标，通过控制压电位移平台实现逐点扫描，并分别采集0°、45°、90°和135°四个偏振方向下的图像信息。基于不同偏振角对应的探测结果，进一步计算得到Stokes参数以及线偏振度（degree of linear polarization, DoLP）图像，实现了不同波长下的偏振信息重建。实验结果表明，仅利用单个垂直黑磷光电二极管即可完成偏振信息提取，验证了该器件具备偏振分辨红外成像能力，为未来偏振成像系统的发展提供了新的器件基础。

图5 BP器件的偏振成像应用

本文提出了一种基于光学微腔增强的垂直黑磷红外光电二极管。通过构建ITO/BP/Au Fabry–Pérot光学微腔，在增强红外吸收的同时充分发挥黑磷材料天然各向异性和垂直输运优势，实现了室温零偏压条件下超快响应、高偏振灵敏度和高探测率兼具的红外探测器。其中，器件偏振各向异性比达到30.6，响应时间约40 ns，比探测率达到1.27×10¹⁰ cm·Hz^1/2 W^-1，响应波段可扩展至3.6 μm，并进一步完成了偏振成像验证。该工作为高性能偏振敏感红外探测器及偏振红外成像的发展提供了一种新的器件设计方案。

编辑 | 徐睿