【国内论文】LPR丨中科院东莞材料科学与技术研究所梅增霞研究员联合山东理工大学：利用β-Ga₂O₃ 巨大本征二色性实现无需滤波器的偏振解复用

        由中国科学院东莞材料科学与技术研究所梅增霞研究员联合山东理工大学的研究团队在学术期刊 Laser & Photonics Reviews 上发布了一篇名为Giant Intrinsic Dichroism in β-Ga₂O₃ Enables Filter-Free, High-Fidelity Polarization Division Multiplexing（β-Ga₂O₃ 巨大本征二色性实现无需滤波器的高保真偏振分复用）的文章。

        《Laser & Photonics Reviews》是 Wiley-VCH 出版的国际知名光学与光子学期刊，创刊于 2007 年，主要发表激光物理、光子学、纳米光学、超快光学及光电器件等领域的高水平研究成果。该期刊以高影响力综述和具有突破性的原创研究为核心特色，强调工作对领域发展趋势的引领性与概念创新性，而不仅限于性能优化。在光学与光子学领域中，它通常被视为顶级期刊之一，发表的论文往往具有较强的跨领域影响力和方法论意义。

        随着数据中心、人工智能和高速光通信系统的发展，信息传输容量持续逼近传统通信架构的物理极限。偏振分复用（Polarization Division Multiplexing，PDM）作为提升通信容量的重要技术，通过利用两种正交偏振态同时传输独立信息流，可在不增加频谱资源的情况下实现信道容量倍增。然而，传统 PDM 系统通常依赖复杂的偏振分束器、偏振滤波器以及后续数字信号处理模块来实现信号解复用。这种方案不仅增加了系统体积、功耗和成本，同时也限制了器件的小型化与集成化发展。为了实现更加紧凑、高效的偏振信息处理系统，研究人员一直在寻找能够直接区分不同偏振光的本征材料平台。

        β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体，具有约 4.8–4.9 eV 的禁带宽度、优异的热稳定性以及高击穿场强等优势，近年来在功率电子器件、紫外探测器和光电子器件领域受到广泛关注。与传统立方晶体不同，β-Ga₂O₃ 具有单斜晶体结构，其天然晶格各向异性能够产生显著的偏振依赖吸收特性，即线性二色性（Linear Dichroism）。

        虽然此前已有研究观察到 β-Ga₂O₃ 的偏振响应现象，但其是否能够支持高保真偏振分复用通信，以及能否实现无需额外滤波器的偏振信号解复用机制，仍缺乏系统研究。针对这一问题，该团队结合第一性原理计算、偏振光谱分析以及器件实验，系统研究了 β-Ga₂O₃ 的本征二色性来源及其在偏振信息处理中的应用潜力，并成功实现了无需滤波器的高保真偏振分复用通信验证，为新一代集成光通信和偏振信息处理器件提供了新的材料平台。

        该团队发现，单斜结构 β-Ga₂O₃ 表现出异常强烈的本征线性二色性，其根源来自价带顶电子态的高度各向异性分布以及不同晶向下光学跃迁矩阵元的显著差异。理论计算表明，在特定紫外波段，不同偏振方向对应的吸收系数差异可达到数个数量级。基于这一特性，该团队构建了无需偏振滤波器的偏振分复用方案。实验结果表明，不同偏振态承载的信息能够被 β-Ga₂O₃ 器件直接识别和分离，实现高保真度的数据恢复。该方法显著降低了系统复杂度，并展示出优异的偏振选择性和信息解调能力。

        研究结果表明，β-Ga₂O₃ 不仅是重要的超宽禁带电子材料，同时也是具有独特偏振操控能力的新型光电子材料，为未来高密度光通信、偏振编码和集成光子学应用提供了新的解决方案。

        ·通过第一性原理计算与实验验证相结合，该团队证明 β-Ga₂O₃ 的线性二色性来源于单斜晶体结构诱导的电子态各向异性分布。

        ·利用材料自身的偏振选择吸收特性，实现了传统偏振滤波器功能的替代，大幅简化系统架构。

        ·实验验证了不同偏振通道信息的独立传输与高精度恢复能力。

        ·突破 β-Ga₂O₃ 传统功率电子与紫外探测应用边界，拓展至偏振信息处理与集成光子学领域。

        该团队系统揭示了 β-Ga₂O₃ 中巨大本征线性二色性的形成机制，并证明其能够直接实现高保真偏振分复用与解复用功能。研究表明，材料本身即可承担偏振选择和信息分离任务，无需额外偏振滤波器，从而显著降低系统复杂度并提升集成潜力。该成果不仅深化了对 β-Ga₂O₃ 光学各向异性本质的理解，也为构建高密度、低功耗、集成化光通信系统提供了新的技术路线。

        本研究得到中国国家自然科学基金（项目号：12504060、12574218、52572167）和山东省自然科学基金（项目号：ZR2025MS1030）的资助。

图1 不同材料体系的偏振敏感光电探测器中偏振比（PR）的统计数据。

图2 β-Ga₂O₃ 偏振敏感光电探测器的作用机制与设计原理。(a) β-Ga₂O₃ 晶体结构，展示 b 轴二重旋转轴与(010)镜面。(b) Γ 点能带结构以及来自六个分裂价带子能级的选择性光学跃迁。(c) β-Ga₂O₃ 的 DFT 计算轨道投影能带结构；插图为 Γ 点价带放大图。(d) 对应 cb、vb₁、vb₂、vb₄ 和 vb₆ 投影能带的电子波函数分布。(e) 不同偏振方向（E//a、b、c）下的吸收示意图。(f) 相应光响应谱，突出 245–258 nm 范围内 E//c 的峰值响应。(g, h) (100)晶面法向入射条件下的晶内电场分布：(g) E//c 偏振；(h) E//b 偏振。(i) 考虑双折射效应时 β-Ga₂O₃ 中的电场分解情况。

图3 β-Ga₂O₃ 光电探测器在自然光条件下的器件结构与光电性能表征。(a) MSM（金属-半导体-金属）光电探测器示意图。(b) 所制备器件的光学显微图像。(c) β-Ga₂O₃ 微带的原子力显微镜（AFM）图像，显示其厚度信息。(d) 暗态与深紫外光照条件下的 I–V 曲线，表明超低暗电流特性。(e) 在 10 V 偏压下，对周期性 254 nm 光照的时间分辨光响应，展示器件的稳定性与开关速度。(f) 光谱响应度曲线，显示多个明显的响应峰。

图4 β-Ga₂O₃ 光电探测器的偏振依赖光响应特性。 (a) 不同线偏振角度下 β-Ga₂O₃ 的吸收光谱，插图定义了偏振角 θ 。 (b) 在 θ = 0° 至 90° 范围内偏振光照射下的光电流谱。(c) 同样条件下的响应度谱；插图展示偏振比（PR）随波长的变化关系。(d) 233 nm、245 nm 与 258 nm 处的响应度极坐标图，展示其明显的偏振各向异性；为便于观察，233 nm 与 245 nm 的数据放大了 2 倍。

图5 偏振依赖的光响应测试。(a, b) 分别在 233 nm 与 258 nm 偏振光照射下的 I–V 特性。(c, e) 258 nm (c) 与 233 nm (e) 的时间分辨光响应。(d, f) 不同偏振方向下，258 nm (d) 与 233 nm (f) 的跃迁过程示意图。(g, h) 在 θ 从 0° 到 90° 范围内，258 nm (g) 与 233 nm (h) 单个响应周期的放大图。(i, j) 对应的归一化瞬态响应曲线；插图为下降沿放大图。(k) 不同偏振角下，两种波长对应的上升时间与下降时间极坐标统计图。

图6 基于 β-Ga₂O₃ 偏振计的偏振分复用与斯托克斯矢量重建示意图。 (a) 偏振分复用（PDM）光通信过程示意图；插图为信号编码真值表。 (b, c) 分析器在 0° (b) 与 90° (c) 时的光响应。 (d) DoFP 像素中四个子像素光电流的理论表达式，包含主信号与偏振串扰项，并给出 Stokes 参数、偏振度（DoP）与偏振角（AoP）的计算方法。 (e) 四个子像素（0°、45°、90°、135°）的光电流谱。 (f) 由光电流转换得到的有效光强谱。 (g) 计算得到的 Stokes 参数（S₀、S₁、S₂）。 (h) 偏振度（DoP）与偏振角（AoP）随波长变化曲线。

DOI：

10.1002/lpor.71464