近日，复旦大学未来信息创新学院张荣君教授团队取得重要进展，研发出基于扭转 Ta₂NiSe₅/MoSe₂/Ta₂NiSe₅范德华异质结的高性能偏振光电探测器。该原型器件通过构建具有相对扭转角的双结结构，并利用偏压调控界面载流子输运，实现了超高偏振选择性、偏振角（AoLP）直接识别与极性反转等功能。同时，器件进一步实现了偏振-光谱复用成像、多通道光通信以及神经网络辅助信息识别，为面向光芯片、光互联和片上集成的新型多维光信息处理提供了新的器件方案。相关研究成果以“Ultrahigh Polarization Sensitivity via Bias-Modulable Twisted Heterojunction Photodetectors With AoLP Detection and Polarity Reversal”为题，发表于《Laser & Photonics Reviews》。

传统偏振探测通常需要结合偏振片、光电探测器及信号处理电路，不仅增加系统体积和复杂度，也限制了偏振信息在微型化、集成化光电系统中的应用。针对这一问题，研究团队利用具有显著面内各向异性的准一维 Ta₂NiSe₅ 作为光吸收层，并引入 MoSe₂ 作为界面载流子调控层，构建了 Ta₂NiSe₅/MoSe₂/Ta₂NiSe₅ 三层扭转范德华异质结。器件内部形成两个异质结堆叠的界面，通过外加偏压调控两个界面的载流子输运竞争，使其中一个界面受到抑制、另一个界面占据主导，从而显著增强器件的偏振选择性。

得益于双结界面的偏压调控机制，器件在 405、638 和 808 nm 波长下分别实现了 23.1、21.0 和 12.5 的高偏振比（PR），显著提升了偏振探测能力，响应时间最快达到 11 μs。更重要的是，通过对上下两层 Ta₂NiSe₅ 引入受控扭转角，器件能够利用两个光电通道建立偏振状态与电学响应之间的直接映射关系，从而在无需外部偏振片等光学元件的情况下，实现入射光线偏振角（AoLP）的直接提取与成像。

图1  Ta₂NiSe₅/MoSe₂/Ta₂NiSe₅扭转范德华异质结器件的偏振比实现和偏振角直接识别

研究团队进一步利用器件独特的偏振响应特性，实现了偏振-光谱复用成像和多通道光通信。器件还表现出明显的波长依赖偏振反转特性：在可见光和近红外波段，不同偏振方向对应的光电流响应发生反转。基于这一特性，团队实现了“双次曝光”偏振成像，有效提升低对比度图像的辨识能力；同时结合双通道卷积神经网络，对编码光信号进行识别，信息解码准确率达到约 99%。

该工作通过扭转角设计与偏压调控相结合的范德华异质结策略，在单一器件中实现了高灵敏偏振探测、偏振角直接识别和多维光信息处理，突破了传统偏振探测对外部光学元件的依赖，为构建小型化、可重构的偏振光电器件提供了新思路。相关器件有望进一步面向片上偏振成像、光芯片、光互联以及集成光信息处理系统等应用拓展。

图2 Ta₂NiSe₅/MoSe₂/Ta₂NiSe₅扭转范德华异质结器件的双色波长偏振翻转、混合光通信和增强双通道CNN

复旦大学2022级直博生周红为本文第一作者，张荣君教授为通讯作者。研究工作受国家自然科学基金、上海市基础研究计划“集成电路专项”、集成芯片与系统全国重点实验室及复旦大学-中科院长春光机所联合基金等项目资助。

文章链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71833