CN113358216B - 偏振光检测方法、光子集成芯片及探测器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种偏振光检测方法，包括：将入射偏振光处理为TE偏振光和TM偏振光；调控所述TE偏振光和TM偏振光之间的相位差并进行合成获得相位差连续改变的全相位调制偏振光；探测所述全相位调制偏振光作用于谷赝自旋材料时产生的谷霍尔电流，从而获得入射偏振光中TE偏振光分量和TM偏振光分量之间相位差；探测所述TE偏振光和TM偏振光的光强；以及根据所述TE偏振光和TM偏振光的光强，以及所述相位差获得初始入射偏振光的椭偏度。同时本公开还提供一种偏振光检测光子集成芯片及探测器。
Description
技术领域
本公开涉及半导体材料及光电子集成技术领域，尤其涉及一种偏振光检测方法、光子集成芯片及探测器。
背景技术
光子集成技术正处于迅速发展阶段。新型半导体光电子器件是集成光子技术发展的重要基础和保障。现有的偏振光学元件，如偏振片、波片、相位延迟器利用体积大且厚重的薄膜或晶体制成，已经不能满足光路系统微型化、集成化、多功能的发展需求。尤其大数据处理、高速通信、智能传感等信息技术的快速发展对新型光子器件及系统提出了迫切需求，微型化、集成化、高性能、低成本已经成为信息光子技术的主流发展趋势。现有的片上光子器件主要包括波导、耦合器、MMI分光器、干涉仪、微环谐振腔、波导阵列光栅(AWG)等无源器件及片上光源、相位调制器、光电探测器等有源器件。偏振器件是诸多光子器件的一种，用于偏振的产生、调制及检测。与强度、相位等一样，偏振是光信号的一个本征参量，可以用于信号传输、处理及检测等。片上偏振器件的匮乏严重制约了偏振光在大规模光子集成电路系统中的应用。
宏观光路利用块状偏振片、波片(λ/2，λ/4)产生并调制光的偏振。商用偏振片的材料包括二向色薄膜、纳米颗粒线性薄膜及其金属线栅等。二向色薄膜由高分子聚合物如聚乙烯醇偏光膜经拉伸并掺入碘或者染料分子制成，通过吸收某一方向的偏振，令垂直方向的偏振透过，适合低成本制造及低功率应用。纳米颗粒线性薄膜偏振片将长椭球形纳米颗粒嵌入硅酸钠玻璃中制备而成，通过吸收偏振方向垂直于透射轴的光产生高透射偏振光，具有高消光比、高损伤阈值等优势。线栅偏振片由金属线栅阵列夹在熔融石英或Eangle XG(-VIS)玻璃基底之间制成，通过反射(透射)平行(垂直)于线栅的光产生偏振，具有高透射率和最高工作温度。
商用光学波片由双折射材料构成，如石英和液晶聚合物，前者的损伤阈值高后者允许较大的入射角。双折射材料在快慢两个正交主轴的折射率不同，从而光沿两个主轴传播时因速度不同而产生相位差波片有半波片和四分之一波片两种典型延迟。半波片通常用于旋转偏振方向，四分之一波片用于产生圆偏振光。除了这两种特定相位的延迟，也有产生连续相位延迟的光学器件叫做补偿器。以Soleil-Babinet补偿器为例，它由一块可移动的石英双折射长光楔和一块固定光楔安装在补偿片上形成，通过精密控制长光楔的位移可以提供从0到2π连续可变的延迟量。这些偏振器件由于要在其上下表面贴上保护膜或者附加衬底而变的很厚，通常都要大于1毫米，主要用于宏观光路偏振光的产生和调制，与微型光路的兼容性非常低。
将不同偏振态的光区分出来就是偏振光的检测。宏观光路中，产生偏振光的元件同样用来检测偏振光。每种偏振光都有不同的性质，以线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光为例，利用一些偏振器件，辅以探测手段可以区分每一种偏振光：
(1)线偏振光的检测。需要在光路中插入一块偏振片并绕轴旋转偏振片，若在探测器端能观察到光强发生变化，且出现消光现象可判断入射光为线偏振光。
(2)圆偏振光的检测。在偏振片前放置快轴方向任意的四分之一波片，旋转线偏振片，如果看到光强发生变化且出现消光，则为圆偏振光。
(3)椭圆偏振光的检测。需要用到四分之一波片和检偏器。首先旋转检偏器，使透射光强达到最大，然后把四分之一波片置于偏振片前，使其快轴方向与偏振片透射光轴的方向一致。此时椭圆偏振光的长短轴与波片的快慢轴分别平行，经过四分之一波片的出射光变成线偏振光，再经过旋转线偏振片将看到光强发生变化且出现消光现象。
上述方法使用波片和偏振片可以定性的区分不同偏振光的偏振态，对于更细致的偏振参数测量，需要用到斯托克斯矢量测量的方法获得1。
伴随着纳米科学与技术的进步，人工纳米结构超材料得到了快速发展。利用微纳结构与光的相互作用来调制光场的各向异性也可以实现偏振光的产生与检测。超材料偏振器件厚度和尺寸远小于被调控光波长的周期，可以通过纳米制备技术直接与光源、调制器、探测器集成，提高了集成度，为微观光路的偏振应用提供了解决方案。目前基于人工超材料的偏振器件多是分立器件2，3，性能较宏观器件差距较大难以实现系统级应用。适合片上光路系统的片上偏振光子器件正在发展中。2019年，北京大学周治平教授课题组设计了硅基片上混合等离子体光栅，可用作高消光比的TE通过型起偏器，是目前硅基片上起偏器的代表4，但是小型化、集成化、高性能的偏振检测元件依然缺少。
因此，设计一种用于偏振光检测的光子集成芯片是一个亟需解决的技术课题。
1.B.Schaefer，E.Collett，R.Smyth，D.Barrett，and B.Fraher，Measuring theStokes polarization parameters，American Journal of Physics，75，163(2007).
2.C.Han and W.Y.Tam，Plasmonic ultra-broadband polarizers based onAgnano wire-slit arrays，Appl.Phys.Lett.106，081102(2015).
3.C.Han，E.P.J.Parrott and E.Pickwell-MacPherson，Tailoringmetamaterialmicrostructures to realize broadband polarization modulation of terahertzwaves，IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.23(4)，4700806(2017).
4.Bowen Bai，Fenghe Yang，Zhiping Zhou，Demonstration of an on-chipTE-pass polarizer using a silicon hybrid plasmonic grating，Photonics Research，7(3)，03000289(2019).
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种偏振光检测方法、光子集成芯片及探测器，以缓解现有技术中偏振检测元件由于体积、重量、工艺兼容性等问题已经不能满足微型光路系统对小型化、集成化光学元件的迫切需求等技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面，提供一种偏振光检测方法，包括：将入射偏振光处理为TE偏振光和TM偏振光；调控所述TE偏振光和TM偏振光之间的相位差并进行合成获得相位差连续改变的全相位调制偏振光；探测所述全相位调制偏振光作用于谷赝自旋材料时产生的谷霍尔电流，从而获得入射偏振光中TE偏振光分量和TM偏振光分量之间相位差；探测所述TE偏振光和TM偏振光的光强；以及根据所述TE偏振光和TM偏振光的光强，以及所述相位差获得初始入射偏振光的椭偏度。
根据本公开实施例，所述调控所述TE偏振光和TM偏振光之间的相位差并进行合成获得相位差连续改变的全相位调制偏振光，包括：对所述TE偏振光和TM偏振光中之一进行全相位调控的同时与所述TE偏振光和TM偏振光中另一进行合成获得相位差连续改变的全相位调制偏振光。
根据本公开实施例，所述探测所述全相位调制偏振光作用于谷赝自旋材料时产生的谷霍尔电流，从而获得入射偏振光中TE偏振光分量和TM偏振光分量之间相位差，包括：通过谷赝自旋材料接收相位差连续改变的全相位调制偏振光获得强度连续变化的谷霍尔电流；以及拟合全相位的谷霍尔电流与相位差之间的对应关系曲线，得到入射偏振光中TM偏振光分量和TE偏振光分量之间的相位差。
根据本公开实施例，所述谷霍尔电流与相位差之间的对应关系，如下：
I＝sinΔΦ：
其中，I为谷霍尔电流值，ΔΦ为TM偏振光和TE偏振光之间相位差。
根据本公开实施例，偏振光的椭偏度与TE偏振光和TM偏振光的光强，以及所述相位差遵循的关系如下：
sin2χ＝(2|tx||ty|sinΔΦ)/(|tx|2+|ty|2)；
其中，χ为椭偏度，tx、ty分别为TE偏振光和TM偏振光的光强。
根据本公开实施例，最大谷霍尔电流对应相位差为±90°的圆偏振光，零谷霍尔电流对应相位差为0°或180°的线偏振光。
本公开的另一方面，提供一种偏振光检测光子集成芯片，沿光路走向依次包括：入射端，用于将入射偏振光处理为TE偏振光和TM偏振光；相位调控端，用于调控所述TE偏振光和TM偏振光之间的相位差并进行合成获得全相位调制偏振光；以及探测端，用于探测所述TE偏振光和TM偏振光的光强，以及探测所述全相位调制偏振光作用于谷赝自旋材料时产生的谷霍尔电流，从而获得入射偏振光中TE偏振光分量和TM偏振光分量之间相位差。
本公开的又一方面，提供一种偏振敏感探测器，包括：感光材料层，采用谷赝自旋材料制成，能够在偏振光的激发下产生电子和空穴；源电极和漏电极，用于施加源漏电压以驱动电子和空穴，使得所述电子和空穴能够对应偏振光的偏转方向产生偏转的谷霍尔电流；以及检测电极对，用于检测所述谷霍尔电流的大小。
根据本公开实施例，所述谷赝自旋材料单层的厚度为0-0.7纳米；所述谷赝自旋材料包括过渡金属硫族化物单层及其异质结，所述过渡金属硫族化物单层表示为MX2，其中M＝Mo或W；X＝S、Se或Te。
根据本公开实施例，所述源电极和漏电极用来产生源漏电场，所述检测电极对在所述源漏电场垂直方向检测谷霍尔电流。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开偏振光检测方法、光子集成芯片及探测器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能够满足光学元件的微型化与集成化设计及应用需求；
宏观光路利用偏振片、波片、相位补偿器组合起来检测各种偏振光，偏振元件体积大，检测过程需要搭建光路，不适合在微纳光路系统中使用或者集成。本公开利用波导光路构成的芯片检测偏振光，有利于偏振光在集成光子系统中的应用，为微型光路的偏振操控提供技术手段。
(2)能够实现高速度、高精度、高灵敏度、高效灵活的光偏振检测；
通过控制探测器和移相器获得偏振光的强度与相位信息，比传统的用手转动偏振片调光强和相位的方法速度快、自动化程度高。通过测定移相器0-2π全相位延迟过程中谷霍尔电流与相位差的对应关系，拟合出移相器零电压时偏振光的相位差，测量精度高、灵敏度高。利用光电子芯片进行偏振检测，不再需要搭建光路系统，节省了空间，适用于更多的应用场景，测量方式灵活多变，可以随时随地进行测量。
(3)使偏振检测系统更小型化、更便携；
偏振检测芯片可以构造便携式偏振检测模块不但支持微观光路的偏振检测，也支持宏观光路的偏振分析。该模块可以与各种光电子器件及微系统集成，增加器件功能，降低成本，拓展了偏振应用。
(4)能够适用于更宽的温度范围和光功率范围；
制作光子芯片的材料是硅、氮化硅、二氧化硅、化合物半导体等无机材料，相比有机薄膜、液晶等传统偏振器件的加工材料，适用温度范围广，器件损伤阈值高。
附图说明
图1为本公开实施例的偏振光检测方法的流程示意图。
图2为本公开实施例的偏振光检测光子集成芯片的框架原理示意图。
图3为本公开实施例的一种偏振光检测光子集成芯片的剖面结构示意图。
图4为本公开实施例的一种偏振光检测光子集成芯片的俯视结构示意图。
图5a为本公开实施例的入射端采用端面耦合方式的结构示意图。
图5b为本公开实施例的入射端采用垂直耦合方式的结构示意图。
图6a为本公开实施例的移相器与波导结构处于同一平面的结构示意图。
图6b为本公开实施例的移相器处于波导结构之上的结构示意图。
图7a为本公开实施例的偏振敏感探测器与耦合器的俯视结构示意图。
图7b为本公开实施例的偏振敏感探测器与耦合器的剖视结构示意图。
图8a为本公开实施例的偏振敏感探测器的结构及在左旋偏振光激发下的原理示意图。
图8b为本公开实施例的偏振敏感探测器的结构及在右旋偏振光激发下的原理示意图。
图8c为本公开实施例的谷霍尔电流与椭圆偏振光正交线偏振分量相位差之间的关系曲线示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种偏振光检测方法、光子集成芯片及探测器，相比传统的偏振检测工具，具有微型化、集成化、自动化、高效率、高精度、高速度、高灵敏度等优势。它利用波导光路与片上探测器相结合实现偏振光强度和相位的测量，可以解决微型光路偏振光分解、合成与检测问题，有利于推动偏振光在大规模光子集成电路中的广泛应用。
在实现本公开的过程中发明人发现，现有的偏振检测将各种偏振元件组合成宏观光路并通过探测器采集光强信号才能获得光的偏振信息。如果偏振检测可以不依赖宏观光路，检测过程中探测器不但能够采集光强且能获得光的相位信息，将为偏振光检测带来极大灵活性并有效拓展偏振光的应用范围。为此，本公开提出一种能够检测偏振光偏振态的光子芯片。芯片由波导光路、移相器和探测器构成。波导光路将偏振光的正交分量分解出来，可以获得正交分量的强度信息。同时波导光路可以控制两正交分量的相位，获得两正交分量的相位差。上述探测器包含两种，其中一种是传统探测器，能够获得光强信息。另一种是偏振敏感探测器，其核心感光元件是谷赝自旋材料，能够产生与入射光的偏振态(相位)有一一对应关系的谷霍尔电流，从而实现对入射光相位的检测。本公开公布的偏振检测芯片可以直接用于微型光路，也可以构造便携式偏振检测模块支持宏观光路系统的偏振检测，推动了偏振技术的发展和应用。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种偏振光检测方法，如图1所示，所述偏振光检测方法包括以下操作：
操作S1：将入射偏振光处理为TE偏振光和TM偏振光；
操作S2：调控所述TE偏振光和TM偏振光之间的相位差并进行合成获得相位差连续改变的全相位调制偏振光；
操作S3：探测所述全相位调制偏振光作用于谷赝自旋材料时产生的谷霍尔电流，从而获得入射偏振光中TE偏振光分量和TM偏振光分量之间相位差；
操作S4：探测所述TE偏振光和TM偏振光的光强；以及
操作S5：根据所述TE偏振光和TM偏振光的光强，以及所述相位差获得偏振光的椭偏度。
根据本公开实施例，所述操作S2，包括：
对所述TE偏振光和TM偏振光中之一进行全相位调控的同时与所述TE偏振光和TM偏振光中另一进行合成获得相位差连续改变的全相位调制偏振光。例如，对TE偏振光进行全相位调控，此过程中与TM偏振光合成得到相位差连续改变的全相位调制偏振光；或对对TM偏振光进行全相位调控，此过程中与TE偏振光合成得到相位差连续改变的全相位调制偏振光。
根据本公开实施例，所述操作S3，包括如下子操作：
操作S31：先通过谷赝自旋材料接收相位差连续改变的全相位调制偏振光获得强度连续变化的谷霍尔电流。
在对TE偏振光和TM偏振光中之一进行全相位调控的过程中，一直检测谷霍尔电流，从而获得连续变化的谷霍尔电流。
操作S32：拟合全相位的谷霍尔电流与相位差之间的对应关系曲线，得到入射偏振光中TM偏振光分量和TE偏振光分量之间的相位差。
所述谷霍尔电流与相位差之间的对应关系，如下：
I＝sinΔΦ；(1)
其中，I为谷霍尔电流值，ΔΦ为TM偏振光和TE偏振光之间相位差。
根据检测的谷霍尔电流的值和对应的相位差得到全相位的谷霍尔电流与相位差之间的对应关系曲线，从而能够得到任意一谷霍尔电流的值所对应的偏振光中TM偏振光分量和TE偏振光分量之间的相位差，例如未对所述TE偏振光和TM偏振光中之一进行全相位调控时，即原始的入射偏振光中TM偏振光分量和TE偏振光分量之间的相位差。
而入射偏振光的椭偏度与TE偏振光和TM偏振光的光强，以及所述相位差遵循的关系如下：
sin2χ＝(2|tx||ty|sinΔΦ)/(|tx|2+|ty|2)； (2)
其中，χ为椭偏度，tx、ty分别为TE偏振光和TM偏振光的光强。
因此，通过普通的强度探测器探测得到TM偏振光和TE偏振光的光强，即得到了入射偏振光中TM偏振光分量和TE偏振光分量的强度信息；再结合通过检测谷霍尔电流，能够得到入射偏振光中TM偏振光分量和TE偏振光分量之间的相位差；进一步地，再结合公式(2)，能够得到入射偏振光的椭偏度，从而实现对入射偏振光的检测。
本公开还提供一种偏振光检测的光子集成芯片，基于上述偏振光检测方法对偏振光进行检测，结合图2至图4所示，所述偏振光检测的光子集成芯片，沿光路走向依次包括：
入射端，用于将入射偏振光处理为TE偏振光和TM偏振光；
相位调控端，用于调控所述TE偏振光和TM偏振光之间的相位差并进行合成获得全相位调制偏振光；以及
探测端，用于探测所述TE偏振光和TM偏振光的光强；以及探测所述全相位调制偏振光作用于谷赝自旋材料时产生的谷霍尔电流，从而获得入射偏振光中TE偏振光分量和TM偏振光分量之间相位差。
根据本公开实施例，通过拟合全相位的谷霍尔电流与相位差之间的对应关系曲线，能够得到未进行相位调制时入射偏振光中TM偏振光分量和TE偏振光分量之间的相位差，从而得到初始入射偏振光的偏振态。
根据所述TE偏振光和TM偏振光的光强，以及所述相位差获得全相位调制下偏振光的椭偏度；
根据所述TE偏振光和TM偏振光的光强，以及所述全相位调制相位差，精准获得移相器电压为零时对应的相位差，从而检测到初始入射偏振光的椭偏度。
在本公开一实施例中，所述偏振光检测的光子集成芯片的结构可以如图3和图4所示，如图3所示，该偏振检测芯片包括：衬底层；第一介质层，位于衬底层上；第二介质层，位于第一介质层上；波导层，位于第一介质层上，被所述第二介质层包覆；移相器，与波导同层或者位于第二介质层上；探测器层，包括传统的强度探测器I和探测器III，以及偏振敏感探测器II，位于第二介质层上。如图4所示，偏振光检测的光子集成芯片的结构由左到右划分为入射端、相位调控端及探测端三部分。下面以椭圆偏振光的检测为例介绍该光子集成芯片的检测原理和方法。首先，椭圆偏振光从入射端耦合输入，即从图4中最左侧的耦合器进入波导，继续进入偏振不敏感的1X2MMI分光器，分成两路偏振相同、强度相同的偏振光分别传输至第一波导光路1和和第二波导光路2。进一步地，波导光路1中的偏振光经过只允许TE模式通过的1X2MMI复合分光器分成两路强度相同的TE偏振光A和TE偏振光B。波导光路2中的偏振光经过只允许TM模式通过的1X2MMI复合分光器分成两路强度相同的TM偏振光C和TM偏振光D。相位调控端中TE偏振光B与TM偏振光C的波导光路接2X1MMI合束器合成与入射光相同的椭圆偏振光，其中TM偏正光C在移相器电压控制下与TE偏振光B形成0-2π的相位差ΔΦ，从而实现全相位(0-2π)调制的椭圆偏振光的合成，获得全相位调制偏振光。在探测端，TE偏振光A与TM偏振光D的波导光路末端接垂直耦合器，光经耦合器垂直出射被传统探测器接收，探测到的光强代表入射光TE与TM偏振光分量的光强，即椭圆偏振光的长轴与短轴。在探测端所述全相位调制偏振光通过垂直耦合器照射到偏振敏感探测器上，即能得到霍尔电流I与相位差ΔΦ的对应关系。移相器电压为零时的相位差为椭圆偏振光的实际相位。椭圆偏振光的椭偏度χ与正交线偏振分量的相位差ΔΦ遵循以下关系：
sin2χ＝(2|tx||ty|sinΔΦ)/(|tx|2+|ty|2)；
其中，tx，ty是两正交线偏振分量的透过率，在这里就是传统探测器I和II探测到的对应的TE偏振光的光强和TM偏振光的光强。综上，通过偏振检测芯片不但能测量到入射偏振光的两正交线偏振分量TM偏振光分量和TE偏振光分量的光强(代表椭圆的长轴与短轴)，且能获得TM偏振光分量和TE偏振光分量的相位差(椭偏度)，因此够确定椭圆偏振光的偏振态信息。
根据本公开实施例，如图5a和图5b所示，所述入射端的光耦合方式包括两种：一种是端面耦合，如图5a所示，光通过端面耦合器进入光波导。一种是垂直耦合，光垂直照射到光栅耦合器上，经90°转弯后进入光波导，如图5b所示。
根据本公开实施例，如图6a和图6b所示，针对不同的制备加工方法，可以采用两种移相器结构，如图6a所示，移相器与波导位于同一层，移相器位于波导的一测，通过控制移相器的温度，改变波导的折射率，从而改变光在波导中的传播速度，达到调控相位的目的。图6b表示移相器位于波导的上层，同样通过正负电极控制移相器的温度，高温传导到波导处，改变波导的折射率，进一步改变光在波导中的传播速度，即可与另一路波导光形成相位差。图6a和图6b清晰的展示了移相器与波导的相对位置。不同的位置将对加工工艺及功能效果产生不同影响。
本公开同时还提供一种偏振光检测探测器，为偏振敏感探测器，基于该探测器能够构成上述偏振光检测光子集成芯片，根据本公开实施例，所述偏振敏感探测器，包括：
感光材料层，采用谷赝自旋材料制成，能够在偏振光的激发下产生电子和空穴；
源电极和漏电极，用于施加源漏电压以驱动电子和空穴，使得所述电子和空穴能够对应偏振光的偏转方向产生偏转的谷霍尔电流；以及
检测电极对，用于检测所述谷霍尔电流的大小。
从而可以通过不同谷霍尔电流获得对应的TM偏振光和TE偏振光之间相位差。
根据本公开实施例，如图7a和图7b所示，图7a是偏振敏感探测器与垂直耦合器集成结构俯视图。偏振敏感探测器位于垂直耦合器光栅发射端的上层，中间有第二介质层作为缓冲层。偏振敏感探测器采用两对电极，其中一对(正极1和负极1)施加在谷赝自旋材料上形成源漏电场，另一对(正极2和负极2)测量谷霍尔电流或电压。图7b是谷赝自旋材料探测器与垂直耦合器集成结构抛面图(沿图7a虚线处抛开看截面)。图7b显示谷赝自旋材料位于第二介质层上，构成偏振敏感探测器的核心光电转换材料，作为感光材料层。而传统探测器位于垂直耦合器光栅发射端的上层，中间有第二介质层作为缓冲层(波导包覆层)。通过一对电极测量光电流，获得光强(光功率)信息。
根据本公开实施例，如图8所示，偏振敏感探测器由谷赝自旋材料作为核心感光材料。理论与实验证实这种材料可以产生谷霍尔效应，即在吸收左、右旋圆偏振光子后，激发态电子和空穴会在赝磁场的作用下发生偏转，产生与源漏电场方向垂直的谷霍尔电流(电压)。如图8a和8b所示，所述偏振敏感探测器采用两对电极。其中电极S和D用于施加源漏电压，产生源漏电场(粗箭头)，驱动电子空穴沿电场运动。电极H1和H2用于测量谷霍尔流或电压。更具体地，谷赝自旋材料在左旋圆偏振光(图8a中逆时针旋转的圆环)的激发下产生电子和空穴，空穴(加号)从源(S)向漏(D)极运动过程中形成向左偏转的谷霍尔电流，如图8a虚线箭头所示。当受右旋圆偏振光激发时(顺时针旋转的圆环)，空穴从源(S)向漏(D)极运动过程中形成向右偏转的谷霍尔电流，如图8b虚线箭头所示。当受线偏振光激发时，不能产生电流偏转，因为线偏振光是等量左右旋圆偏振光的叠加，产生的偏转电流相互抵消。线偏振与圆偏振是椭圆偏振光的两种特殊形态，分别对应两正交线偏振分量的相位差为mπ和(2m+1)π，(m＝0，1，2...)。在这两种形态下谷霍尔电流强度分别为零和最大。当相位差在mπ和(2m+1)π之间时，椭圆偏振光的椭偏度χ从0到45°逐渐增加，对应的谷霍尔电流强度介于零和最大值之间，利用这一关系，可以对椭圆偏振光的椭偏度进行检测。图8c展示的是谷霍尔电流随椭圆偏振光的两路正交线偏振分量相位差的变化关系。在0-2π一个全相位变化过程中，相位差ΔΦ＝0、π、2π时，谷霍尔电流强度为零；当ΔΦ＝π/2时，谷霍尔电流为正的最大值；当ΔΦ＝3π/2时，谷霍尔电流为负的最大值；其余的相位差对应谷霍尔电流强度介于零和正负最大值之间。相位差与移相器的控制电压之间也有一一对应的关系，经过一个全相位变化测量，即能找到控制电压为零时对应的相位差，从而根据公式(2)得到椭偏度。
根据本公开实施例，对偏振光检测光子集成芯片各层的材料及器件选择进行说明：不同的片上光路系统可以采用不同的材料，各种可能用到的材料在权利要求书中已经进行了说明。针对最具商业化前景的硅基光子工艺，可以按照如下方案选择材料：
衬底层是硅；第一介质层是二氧化硅；波导层材料可以选择硅、氮化硅、聚合物、化合物半导体；第二介质层的材料可以是二氧化硅或介电常数与第一介质层接近的聚合物；所述谷赝自旋材料主要指过渡金属硫族化物单层MX2，其中M＝Mo或W，X＝S、Se、Te，或者任意两种或以上单层材料垂直叠加构成的异质结；电极材料是金、银、铜、铝中的一种或它们与钛、铬等的组合。
探测器I、II、III为片上集成光电探测器。探测器I和III的核心感光元件与传统探测器材料相同，针对不同的探测波长范围，可以选择锗、硅、铟镓砷、碲镉汞、锑化物等；偏振敏感探测器II的核心感光材料为谷赝自旋材料，目前只有这种材料具有谷霍尔效应。
移相器可以是热光移相器也可以是电光移相器。根据实际需求和现有工艺水平来决定。
本公开提出的基于波导光路的偏振检测的光子集成芯片，能够实现任意偏振光偏振态的检测。以检测椭圆偏振光的偏振态为例。首先通过设计波导光路将待测椭圆偏振光分为相同的两路偏振光，其中一路偏振经过只允许TE(横电波)模式通过的1X2MMI复合分光器分成两路TE模式传输光，另一路经过只允许TM(横磁波)模式通过的1X2MMI复合分光器分成两路TM模式传输光。测量其中一路TE和一路TM偏振光的强度，即得到了椭圆偏振光两正交线偏振分量的强度值。剩余的一路TE和一路TM偏振光经过2X1MMI合成与入射光相同的椭圆偏振光。通过控制设置于TE光路或TM光路的移相器，可以得到TE和TM偏振光分量之间0-2π相位延迟，通过后接的偏振敏感探测器得到谷霍尔电流随相位延迟的变化关系，从而得到移相器电压为零时待测偏振光的相位，强度与相位相结合得到椭圆偏振光的偏振态。
偏振敏感探测器的原理：本公开中所述偏振敏感探测器与传统探测器不同，因为传统探测器只能探测强度信息，而偏振敏感探测器能够探测偏振光的椭偏度。所述偏振敏感探测器采用新型谷赝自旋材料作为探测器的感光材料，以过渡金属硫族化物为代表的半导体谷赝自旋材料具有特殊的能谷性质，因结构的空间反演对称性破缺在动量空间形成了两个贝利曲率相反的谷，每种谷只响应特定手性的圆偏振光。K(K’)谷电子受到左(右)旋圆偏振光激发将形成电子和空穴载流子，施加源漏电场后K(K’)谷电子和空穴分别被赝磁场偏转至与电场垂直的方向，产生正(负)霍尔电压(电流)，这被称为谷霍尔效应。如果左旋光激发的谷霍尔电流向源漏电场的左侧偏转则右旋光激发的谷霍尔电流将向源漏电场的右侧偏转。而线偏振光不能使谷霍尔电流产生任何偏转。随着椭偏度的增加，谷霍尔电流的强度增加。故根据谷霍尔电流大小可以检测椭偏度，根据电流偏转方向可以确定偏振光的手性。本公开基于这一物理效应，提出一种偏振敏感探测器，通过测量谷霍尔电流与椭圆偏振度的对应关系，获得待测偏振光中两正交线偏振分量的相位差。基于偏振敏感探测器与波导光路组合构成偏振光检测光子集成芯片可进一步实现任意偏振光偏振态的检测。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开用于偏振检测的光子集成芯片有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种偏振光检测方法、光子集成芯片及探测器，利用波导光路和探测器构成的芯片检测偏振光，有利于偏振光在集成光子系统中的应用，为微型光路的偏振操控提供技术手段。而宏观光路利用偏振片、波片、相位补偿器组合起来检测各种偏振光，偏振元件体积大，检测过程需要搭建光路，不适合在微纳光路系统中使用或者集成。本公开通过控制探测器和移相器获得偏振光的强度与相位信息，比传统的用手转动偏振片调光强和相位的方法速度快、自动化程度高。通过控制移相器扫描0-2π相位延迟过程中谷霍尔电流与相位的对应关系，从而确定偏振光的相位，测量灵敏度高、精度高。利用光电子芯片进行偏振检测，不再需要搭建光路系统，节省了空间，适用于更多的应用场景，测量方式灵活多变，可以随时随地进行测量。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种偏振光检测方法，包括：
将入射偏振光处理为TE偏振光和TM偏振光；
调控所述TE偏振光和TM偏振光之间的相位差并进行合成获得相位差连续改变的全相位调制偏振光；
探测所述全相位调制偏振光作用于谷赝自旋材料时产生的谷霍尔电流，从而获得入射偏振光中TE偏振光分量和TM偏振光分量之间相位差；
探测所述TE偏振光和TM偏振光的光强；以及
根据所述TE偏振光和TM偏振光的光强，以及所述相位差获得初始入射偏振光的椭偏度。
2.根据权利要求1所述的偏振光检测方法，所述调控所述TE偏振光和TM偏振光之间的相位差并进行合成获得相位差连续改变的全相位调制偏振光，包括：
对所述TE偏振光和TM偏振光中之一进行全相位调控的同时与所述TE偏振光和TM偏振光中另一进行合成获得相位差连续改变的全相位调制偏振光。
3.根据权利要求1所述的偏振光检测方法，所述探测所述全相位调制偏振光作用于谷赝自旋材料时产生的谷霍尔电流，从而获得入射偏振光中TE偏振光分量和TM偏振光分量之间相位差，包括：
通过谷赝自旋材料接收相位差连续改变的全相位调制偏振光获得强度连续变化的谷霍尔电流；以及
拟合全相位的谷霍尔电流与相位差之间的对应关系曲线，得到入射偏振光中TM偏振光分量和TE偏振光分量之间的相位差。
4.根据权利要求3所述的偏振光检测方法，所述谷霍尔电流与相位差之间的对应关系，如下：
I＝sinΔΦ；
其中，I为谷霍尔电流值，ΔΦ为TM偏振光和TE偏振光之间相位差。
5.根据权利要求4所述的偏振光检测方法，偏振光的椭偏度与TE偏振光和TM偏振光的光强，以及所述相位差遵循的关系如下：
sin2χ＝(2|tx||ty|sinΔΦ)/(|tx|2+|ty|2)；
其中，χ为椭偏度，tx、ty分别为TE偏振光和TM偏振光的光强。
6.根据权利要求4所述的偏振光检测方法，最大谷霍尔电流对应相位差为±90°的圆偏振光，零谷霍尔电流对应相位差为0°或180°的线偏振光。
7.一种偏振光检测光子集成芯片，沿光路走向依次包括：
入射端，用于将入射偏振光处理为TE偏振光和TM偏振光；
相位调控端，用于调控所述TE偏振光和TM偏振光之间的相位差并进行合成获得全相位调制偏振光；以及
探测端，用于探测所述TE偏振光和TM偏振光的光强，以及探测所述全相位调制偏振光作用于谷赝自旋材料时产生的谷霍尔电流，从而获得入射偏振光中TE偏振光分量和TM偏振光分量之间相位差。
8.一种偏振敏感探测器，包括：
感光材料层，采用谷赝自旋材料制成，能够在偏振光的激发下产生电子和空穴；
源电极和漏电极，用于施加源漏电压以驱动电子和空穴，使得所述电子和空穴能够对应偏振光的偏转方向产生偏转的谷霍尔电流；以及
检测电极对，用于检测所述谷霍尔电流的大小；
从而通过不同谷霍尔电流获得对应的TM偏振光和TE偏振光之间相位差。
9.根据权利要求8所述的探测器，所述谷赝自旋材料单层的厚度为0-0.7纳米；所述谷赝自旋材料包括过渡金属硫族化物单层及其异质结，所述过渡金属硫族化物单层表示为MX2，其中M＝Mo或W；X＝S、Se或Te。
10.根据权利要求8所述的探测器，所述源电极和漏电极用来产生源漏电场，所述检测电极对在所述源漏电场垂直方向检测谷霍尔电流。
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| CN113358216A (zh) | 2021-09-07 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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