光在传播过程中，其波前面可像螺旋阶梯般绕着传播轴扭转，这种螺旋所携带的信息，正是光的轨道角动量 (OAM)。作为光的独立自由度之一，携带着螺旋相位结构的涡旋光束理论上拥有无限多正交模式，是提升光通信与光计算容量的关键技术路径。然而长期以来，OAM 检测大多依赖体积庞大的干涉与衍射光学系统，难以与片上光子芯片兼容，成为制约结构光技术集成化的核心瓶颈。传统方案通过空间光调制器搭配傅里叶光学系统，或是分析干涉、衍射图案，普遍系统复杂、体积庞大，无法适配片上集成需求。近年来出现的超表面、表面等离激元方案虽缩小了器件尺寸，但大多仍需成像系统完成读出；已报道的片上OAM光电探测器仅能分辨 4 阶以内的低阶模式，且多依赖难以大规模制备的新型二维材料，距离实际应用仍有明显差距。

针对这一难题，北京大学研究团队研发出一款硅基集成光电探测器，可将光轨道角动量直接转换为电信号，实现了 ±9 阶涡旋模式的精准分辨，最优器件单次测量分类准确率达 99.92%，为集成化 OAM 检测提供了紧凑、稳健的技术方案。研究团队提出基于表面等离激元光栅的探测器架构，把 OAM 模式信息编码进等离激元的传播特性中。当涡旋光束垂直入射到器件表面的光栅时，会耦合激发金属表面的表面等离激元；不同阶数的 OAM 模式对应不同的面内波矢，使等离激元以不同角度分束。阶数越高，分束角度越大，传播到肖特基节区的路径越长、损耗越高，最终产生的光电流幅值越小。通过读取光电流大小，即可直接反推入射涡旋光的 OAM 阶数，实现 “光入电出” 的直接检测。

图 1 探测器结构示意图(a); 随OAM阶数增大，分束角增大，光电流减小(b)。

为提升高阶模式的分辨能力，团队在光栅与电极间集成了平面介质透镜，显著拉大了相邻高阶模式的响应差异；通过分裂式电极设计，利用两路等离激元的强度不对称性实现 OAM 手性（正负阶）的区分，最终完成从 - 9 到 + 9 阶全范围模式的完整识别。实验结果显示，该器件平均每阶 OAM 可产生 226 nA·W^-1的响应度差异，为模式分辨提供了清晰的电学对比度；最优性能器件单次测量的 OAM 分类准确率可达 99.92%，较此前同类研究提升了 25.8 个百分点。针对高速场景优化的器件工作带宽约 198 kHz，无需偏振调制即可实现高速读出。

图 2 分裂电极器件结构示意图(a)，SEM照片(b)与测试结果(c)

这项研究将传统上依赖庞大干涉与衍射光学系统的 OAM 检测功能，压缩到一枚与 CMOS 工艺兼容的硅基芯片之上，完成了从 -9 到 +9 阶的涡旋光场识别，并将单次测量分类准确率提升至 99.92%。未来，此类硅基 OAM 探测器有望与片上激光器、调制器等器件深度集成，为大容量光通信、片上光计算和高维光场信息处理提供关键器件支撑。 相关研究成果以“Electrical Detection of High-Order Optical Orbital Angular Momentum”为题，发表于《ACS Nano》(https://doi.org/10.1021/acsnano.6c02700)。北京大学物理学院博士生张冠宇、孟祥瀚为共同第一作者，吕国伟研究员为通讯作者。研究工作得到了人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。