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柔性集成偏振敏感放大系统

2021-12-16

光的偏振态携带着大量无法通过光强、波长、频率和相位来获得的有效信息。利用偏振光敏感光电探测器实现对偏振光的有效检测,可以增强被检测物体的信息,显著提高目标对比度。目前,偏振敏感光电探测器广泛应用于工业、国家安全、生物诊断和天文学等多个领域,具有重要的应用价值和研究意义。然而,传统的偏振光检测系统结构复杂,需要前置偏振片阵列外加滤波器、放大电路以及复杂的解码算法来输出数字信息。这使得偏振系统体积庞大,限制了其小型化应用的需求。近年来,低维半导体材料的兴起为高性能光探测开辟了另一条道路,采用具有面内各向异性结构的低维半导体材料在没有偏振片的情况下也能有效的探测偏振光。然而,令人遗憾的是目前基于低维半导体的偏振光探测器仍存在一些限制因素,如在环境条件下的不稳定性、光学响应范围窄、各向异性光电流比不足等,这些不利因素直接导致目前无法有效的实现数字输出。

图1. 柔性集成偏振敏感放大系统与传统偏振系统的比较。

有鉴于此,中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室沈国震研究员课题组与魏钟鸣研究员课题组合作,设计了一种简单而通用的柔性偏振敏感放大系统(PSAS)来提高低维半导体材料的各向异性光电流比。采用CVD方法首先制备了具有非对称结构的Bi2Se2S纳米线,并在柔性PET衬底上构建了偏振敏感放大系统,其核心元件包含C8-BTBT/ PS型有机场效应晶体管(OFET)和偏敏Bi2Se2S纳米线光电探测器,实现了偏振灵敏度达几个数量级的有效提升。特别是在532 nm光照射下,该系统能将器件的各向异性光电流比从1.24增加到375。此外作为概念验证,研究人员设计了相应的转换编码电路并集成于系统上,实现了对0°、30°、60°、90°偏振光信息的稳定编码输出,从而能够准确的完成偏振光信息的数字输出和信息伪装。

图2. 系统性能测试图。

该成果以“Integrated polarization-sensitive amplification system for digital information transmission”为题于2021年11月9日发表在Nature Communications (2021,12, 6476)上。该项成果是在国家自然科学基金委基础科学中心和国家杰出青年科学基金等项目的支持下完成的,论文第一作者为博士生冉文浩,沈国震研究员、魏钟鸣研究员和娄正副研究员为共同通讯作者。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26919-z#Sec16



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