超構表面由亞波長人工結構單元組成，可精準調控光的振幅、相位與偏振態，是實現片上偏振濾波的理想方案。III-V族半導體納米線為解決紅外波段的片上偏振探測提供了新的材料平臺。以GaAsSb為代表的三元合金納米線具有直接帶隙、吸收系數高、暗電流低的優勢，且可通過調控Sb組分連續調節截止波長（最高可達1760 nm），能夠覆蓋近紅外至短波紅外的廣闊波段。與此同時，垂直排列的納米線陣列可通過波導泄漏模共振增強光捕獲，在極小的材料體積下實現高效吸收。然而，圓柱對稱的納米線陣列本征上具有各向同性的吸收特性，不具備偏振分辨能力。如何在保持納米線探測器高吸收、高探測率優勢的前提下，賦予其片上偏振探測功能，同時避免傳統金屬偏振結構帶來的巨大插入損耗，是該領域亟待解決的核心科學問題。
據麥姆斯咨詢報道，近日，澳大利亞國立大學（Australian National University）、北京理工大學、英國諾丁漢特倫特大學（Nottingham Trent University）和澳大利亞西澳大學（University of Western Australia）組成的研究團隊提出一種超構表面偏振濾波陣列與GaAsSb納米線陣列探測器垂直集成的片上偏振探測新架構。該工作創新性地利用L形銀納米孔超構表面的非輻射安納波（anapole）共振態，在亞波長尺度下同時實現了高偏振選擇性與高效光耦合，突破了小型化偏振探測器中“光吸收效率與偏振消光比不可兼得”的固有權衡。器件在835 nm近紅外波段實現3.5 的線偏振消光比，峰值響應度達1.5 A/W，并成功驗證了高對比度單像素偏振成像功能。該集成策略可通過組分調控拓展至短波、中波紅外波段，為下一代超緊湊、高性能偏振紅外成像芯片提供了全新的技術路徑。研究成果以“Chip-Integrated Metasurface-GaAsSb Nanowire Array Photodetectors for Single-Pixel Polarimetric Imaging”為題發表在Advanced Optical Materials期刊上。
研究團隊設計的集成器件采用2×2子像素架構，每個子像素對應一個GaAsSb納米線探測單元，頂部覆蓋不同取向的L形超構表面偏振濾波陣列，四個超構表面的取向依次相差45°。這種設計可通過單次采集獲取四個偏振方向的響應信號，進而解算出入射光的線偏振斯托克斯參數，無需任何運動部件。圖1展示了集成超構表面-納米線陣列光電探測器的器件設計與工作原理。
圖1 集成超構表面-納米線陣列光電探測器的器件設計與工作原理
器件制備
研究團隊采用“先探測器制備、后超構表面集成”的垂直工藝路線，既保證了納米線探測器的電學性能，又實現了超構表面與有源層的精準對準。圖2展示了2×2多像素超構表面-納米線陣列集成光電探測器的生長與制備。這種后道集成的工藝方案具有很強的通用性，可直接移植到其他III-V族納米線紅外探測器上，無需改變前端的材料生長與器件制備流程，為該技術的規模化應用奠定了工藝基礎。
圖2 2×2多像素超構表面-納米線陣列集成光電探測器的生長與制備
器件光電性能表征
研究團隊對該超構表面-納米線陣列集成偏振敏感光電探測器進行了詳盡的測試，相關結果如圖3所示。結果顯示，純GaAsSb納米線陣列探測器室溫下在500~900 nm范圍內具有寬光譜響應，集成L形超構表面后，器件的光譜響應發生顯著的偏振依賴變化。響應度與探測率的下降主要源于銀基超構表面引入的光學損耗，包括金屬吸收與界面反射。從系統層面看，單片集成方案省去了外部偏振光學元件帶來的額外損耗與裝配誤差，整體性能收益遠高于單片器件的小幅下降。
圖3 超構表面-納米線陣列集成偏振敏感光電探測器的特性表征
單像素偏振成像應用
基于該超構表面-納米線陣列集成偏振敏感光電探測器優異的偏振探測性能，研究團隊進一步搭建了單像素偏振成像系統，驗證了器件的實際成像應用潛力，相關實驗設置及結果如圖4所示。單像素成像方案與片上偏振探測的結合具有獨特的應用優勢：無需昂貴的紅外面陣探測器，僅通過單點掃描即可實現偏振成像，大幅降低了紅外偏振成像系統的成本與體積。
圖4 基于超構表面-GaAsSb納米線集成光電探測器的偏振敏感性能及成像驗證
綜上所述，這項研究首次實現了超構表面與III-V族GaAsSb納米線陣列探測器的單片集成，為片上紅外偏振探測提供了全新的技術范式。其核心創新體現在三個層面：一是物理機制創新，利用anapole非輻射態的獨特性質，打破了小型化偏振器件中吸收效率與消光比的固有權衡；二是架構創新，提出2×2子像素的垂直集成方案，實現了無運動部件的全固態線偏振探測；三是工藝創新，發展了后道超構表面集成工藝，保證了有源器件電學性能的無損性與工藝的可移植性。總體而言，該研究為超緊湊、高性能的紅外偏振探測芯片開辟了新的技術路線，有望在工業檢測、航天遙感、安防監控、生物醫學等領域發揮重要作用。
https://doi.org/10.1002/adom.71359
延伸閱讀：
《銦鎵砷（InGaAs）光電探測器專利態勢分析-2025版》
《蘋果在量子點光電傳感器領域的發明專利與產業布局分析》
《量子點光電傳感器專利態勢分析-2024版》
《紅外熱成像與傳感技術及市場-2025版》
《短波紅外、中波紅外和制冷型紅外成像-2025版》
《汽車級長波紅外攝像頭產品對比分析-2025版》
《汽車紅外攝像頭技術及市場-2024版》
《邁來芯MEMS遠紅外熱電堆傳感器MLX90632產品分析》
《自動駕駛及艙內感知應用的紅外相機技術及市場-2025版》
《高光譜和多光譜成像技術、應用和市場趨勢-2025版》
