拓扑绝缘体是近年来发现的一种新的材料体系。2009年,拓扑绝缘体材料体系在理论上被预言。随后,科学家们使用角分辨光电子能谱在实验上证实了拓扑绝缘体。经过10年的发展,拓扑绝缘体的理论体系逐渐完善,各种基于拓扑绝缘体的器件也已经被制备出来,包括光探测器、自旋电子器件和晶体管等。同时,拓扑绝缘体也是最有潜力实现量子信息处理的材料体系之一。拓扑绝缘体具有强的自旋轨道耦合作用,并且具有金属性的表面态和绝缘性的体态。其表面态受到时间反演对称性保护,呈现出自旋分辨的狄拉克锥结构。表面态上不同自旋方向的电子的运动方向相反,即自旋动量锁定效应。拓扑绝缘体可以产生圆偏振光电流效应（CPGE）。携带自旋角动量的圆偏振光选择性地激发拓扑绝缘体表面态上相应自旋方向的电子,由于自旋动量锁定效应,拓扑绝缘体表面上会产生自旋极化的电流。本论文基于Bi₂Se₃制备了光探测器,对拓扑绝缘体表面态与光偏振态或光子自旋角动量之间的相互作用进行了研究。并在集成波导的光探测器上,实现了圆偏振光电流效应。所有的器件制备及测量均在室温下完成。首先,研究了自由空间中Bi₂Se₃的光电流效应。在斜入射的情况下,Bi₂Se₃中的电流随入射光偏振态的变化而变化。使用了四分之一波片来改变入射光的偏振态,根据偏振态变化的周期性关系,对结果进行了较好的拟合。由于Seebeck效应,电极上不平衡的光照会导致热电流。通过改变偏振态和光斑位置,用数学的方法分离出光电流和热电流,并测量了他们的幅频响应。由于光电流和热电流具有不同的截止频率,可以在测量上将两者区分。其次,研究了Bi₂Se₃光电流效应的各向异性。研究发现,不同的器件,其体态贡献的电流不同,这是晶体的各向异性造成的。在多电极的器件中,观测到了各向异性的光电流。光电流随晶体取向周期性地变化,与Bi₂Se₃晶格的三轴对称结构对应。通过拟合可以分离出光电流的不同组成成分,其中,表面态电流与晶体取向无关,体态电流与晶体取向有关。因此,晶体取向的校准可以降低体态的贡献。最后,基于Bi₂Se₃制备了集成波导的光探测器,并对波导中光子与拓扑绝缘体表面态电子间的相互作用进行了研究。工艺方面,在SOI衬底上制备并优化了TE和TM光栅耦合器和定向耦合器。定向耦合器将不同模式的光耦合进同一光路与同一样品相互作用。实现了厚度50nm以下的Bi₂Se₃薄片的机械剥离和特定位置的转移。通过离子束刻蚀和电击,实现了样品上下表面与电极的欧姆接触。本论文对制备工艺和测试方法进行了详细的研究。波导或光纤中的光子携带有自旋角动量。对矩形波导中TM和TE模的自旋角动量分别进行了分析计算,TM模具有较大横向自旋角动量,而TE模的横向自旋角动量非常小。交换光的传输方向,自旋角动量方向反向。将Bi₂Se₃薄片置于波导上方,在不同的光传输模式下,测量样品中不同方向的光电流。在集成波导的光探测器中,携带横向自旋角动量的光子激发了样品中纵向的自旋极化的电流,与自由空间中的圆偏振光电流效应类似。交换光传输方向,光子自旋角动量反向,由于自旋动量锁定效应,电流方向反向。对于TM和TE模,由于其光子自旋角动量分布不同,结果亦不同。该集成光探测器具有无外置电压,可识别传输方向和传输模式,产生自旋电流信号的特点。在基于Bi₂Se₃的集成波导光探测器中,实现了光子和表面态电子的自旋动量锁定的相互作用,直接将光的传输信息转化为电流信息。提供了一种新的光子与电子的耦合方式,有望应用于自旋光电器件、量子计算和量子通信等领域。