光场是具有振幅，频率和相位（几何相位和传输相位）等多个自由度信息的振荡电磁场。光的偏振态(对应几何相位)表征了光在垂直于传播方向的平面上的电场振荡。目前的标准的光电探测器通常仅实现了光的强度探测。而监测光的其他自由度(相位和频率)在天文学、遥感、量子光学、医学和生物学等领域都发挥着重要作用。然而目前大部分的商用偏振探测仪通常体积庞大。这是由于目前标准的偏振仪通常包含两个部分:光学分光系统和探测器。常用的策略是利用光学系统将待测光的不同偏振分量在空间上分开，然后用探测器分别读出每一个独立分量对应的光电流，经过计算处理得到入射光的偏振态信息（常用Stokes参数表示）。这一冗杂的光学系统是导致体积庞大的主要原因（如图1所示）。

图1 商用偏振探测仪。图片来源https://jascoinc.com/products/spectroscopy/digital-polarimeter/。

在一些非民用应用领域，设备的小型化需求并不是十分迫切，而更多的被关注的是其测试性能，比如航天，远程传感等。然而对于民用的电子仪器而言，小型化、便捷化、高集成度、柔性化的需求反而比对其探测性能的需求更为迫切。此外光芯片技术的发展也迫切需要小型化和片上集成的光电或全光功能器件单元。因此小型化和片上集成的光偏振探测仪是目前的一大研究热点。此外小型化，片上集成的光偏振探测仪不但实现了制备工艺的简化和成本的降低，还使得更多之前传统偏振仪器无法涉足的领域有望得以发展。

 2.  四像素无光学部件的片上偏振探测仪。

3. 偏振探测仪的偏振探测结果。

在浙江大学微纳电子学院俞滨教授带领和指导下，以小型化和高集成度为主要目标，南京大学电子科学与工程学院王肖沐教授、王军转副教授同浙江大学微纳电子学院徐杨教授合作报道了一个基于手性等离激元超构表面与石墨烯-硅光电探测器集成的红外偏振探测仪。这一探测仪由四个像素组成，每一个像素都由石墨烯/手性等离激元纳米结构/硅组成。四个像素仅手性等离激元纳米结构的手性和取向有所区别。利用等离激元纳米结构的几何手性和排布取向的区别使得其对光的圆偏振信息和线偏振信息分别实现提取。通过对四个像素的光电流的提取，可以得到光的强度、取向、椭偏度、手性等信息（图2）。由于SPR难以实现宽波段，这里选取了1550 nm的红外波段作为展示，这一方法同样可以拓展到别的波段。用这一探测器尝试了不同角度入射光的偏振测定（图3），可以看到，该器件展示出了偏振态的测定功能（虽然目前由于工艺设计和算法有待优化，测定结果还存在一定的误差）。值得一提的是，这里不需要像传统的偏振探测仪一样需要使用复杂的分光系统，光的偏振分辨和探测都在光电探测器上实现。也就是说这一四像素的光电探测器同时实现了光的两个自由度的提取（强度和几何相位）。这种可集成、小型化的实验方案为探索大型仪器装备的芯片化、便携化提供了新的启发思路。

近日，该成果以“Monolithic Full-Stokes Near-Infrared Polarimetry with Chiral Plasmonic Metasurface Integrated Graphene–Silicon Photodetector”为题发表在知名期刊ACS Nano上。

    文献链接：Monolithic Full-Stokes Near-Infrared Polarimetry with Chiral Plasmonic Metasurface Integrated Graphene–Silicon Photodetector (ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c00724)