实现多维光信息感知的二维计算光电探测器

看见超出肉眼的信息

到达我们眼睛的每一道光束传递的不仅仅是亮度和颜色。光还携带着时间、波长和偏振等独特“签名”，这些信息能够揭示物体的成分、运动状态，甚至判断信号是否被篡改。本文回顾了一类由二维（2D）材料制成的超薄光传感器，它们能够同时读取这些隐藏的信息层，并在芯片上执行部分数据处理。这样的能力有望改变环境监测、医学成像和安全光通信等领域。

由原子级薄材料构成的新型“眼睛”

作者聚焦于二维范德华材料——厚度仅为几原子层、层间由弱相互作用结合的晶体。由于表面极薄且洁净，这些材料与光的相互作用强烈，同时产生较少的电子噪声。不同的二维材料可以像乐高积木一样进行叠层而无需考虑晶格匹配，使工程师能够构建对特定色彩或偏振敏感的定制“夹心”结构。综述解释了如何对这些叠层进行布线，以便光不仅被检测到，而且在探测器内被编码、滤波并部分解析，从而减少对笨重透镜、光栅和外部处理器的依赖。

借鉴视网膜的工作方式

一个重要主题是类脑视觉——这种传感器的行为更像视网膜而非传统相机。传统图像芯片以固定速率捕获完整帧并将大量原始数据传送到计算机。相比之下，二维类脑传感器可以根据近期的光照历史增强或减弱响应，模仿生物突触的学习行为。这使得它们能够滤除噪声、强化边缘、适应极暗或极亮的场景，甚至将运动编码为电信号的脉冲而非连续图像。不同的工作模式应对静态场景、运动目标或突发事件，实现实时检测时功耗更低、数据流量更小。

将光谱仪缩小到单像素

另一部分描述了由单个二维光电探测器构成的“计算光谱仪”，取代了通常的光栅和探测器阵列。在这种方案中，探测器的色谱响应可以通过电调节来改变：通过改变电压或偏置，同一个微小像素在可见光到中红外的不同波长上产生不同响应。在校准阶段，器件学习其电信号与已知输入光谱之间的对应关系。随后，当测量未知光源时，软件可以从少量电流读数重建完整光谱。在某些设计中，采用深度学习模型来处理高度非线性的响应，使器件在尺寸不大的情况下达到亚纳米级的分辨率。

读取光的扭转——偏振信息

光还以偏振来表征——即其电场在传播时的摆动方式，这可以用称为斯托克斯参数的四个数值来描述。综述考察了使用扭转的二维材料叠层或二维-超表面组合来在芯片上提取这些参数的小型偏振仪。通过仔细安排层的取向或纳米图案化的金属结构，设备能将不同偏振态转换为不同的电信号。一些系统只需少数输出通道便能恢复完整的偏振态，且有若干方案将这些测量与机器学习结合起来，同时解码强度、颜色和偏振信息，面积仅在数十微米量级。

迈向智能的一体化光学芯片

作者总结认为，二维计算光电探测器有望成为“智能像素”的构建模块，这类像素不仅感知光，还能在现场记忆、分析和分类光信号。未来工作旨在扩展其可用亮度范围、将光谱覆盖推进到更深的紫外和红外波段，并增加对诸如涡旋光束等更复杂光学结构的敏感度。与此同时，研究者正在开发大面积生长与集成方法，以便将这些微小智能探测器拼接成实用的相机和传感器阵列。对于非专业读者，关键的信息是：相机、光谱仪和偏振仪正逐步融合为紧凑且可编程的芯片，使机器能以远超人眼的细节去“看”世界。

引用: Wang, F., Fang, S., Zhang, Y. et al. 2D computational photodetectors enabling multidimensional optical information perception. Nat Commun 16, 6791 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61924-6

关键词: 二维光电探测器, 类脑视觉, 计算光谱仪, 偏振成像, 多维光学