WO2017137646A1 - Dispositivo y método para medir el estado de polarización de un haz incidente - Google Patents
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Classifications
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J4/00—Measuring polarisation of light
- G01J4/04—Polarimeters using electric detection means
Definitions
- the present invention relates to the field of electromagnetic waves, and more specifically to the measurement of the state of polarization of electromagnetic waves, for example, of a beam of light. Background of the invention
- Polarization is a fundamental property of electromagnetic waves, including light.
- An electromagnetic wave consists of an electric and a magnetic field perpendicular to each other that oscillate in a plane perpendicular (called the polarization plane) to the direction of propagation of that wave.
- the polarization of said wave refers to the oscillation of the electric field vector in the plane perpendicular to the direction of propagation.
- the projection of the real part of the electric field vector on the polarization plane generally describes an ellipse with an associated direction of rotation (which may be left or right) that is called a polarization ellipse.
- Said ellipse defines the polarization of an electromagnetic wave. If the relationship between the axes of the ellipse is unity, the polarization is circular. If this relationship is infinite, then the polarization is linear.
- the polarization plane can be considered to be the xy plane while the wave propagates in parallel to the z axis.
- I H , I V , I45, I135, I R and I L correspond, respectively, to the power density of the incident electromagnetic wave measured by polarizers ideal for horizontal linear polarization, vertical linear polarization, oblique linear polarization at 45 °, linear polarization oblique at 135 °, circular polarization on the right and circular polarization on the left.
- the total response of the analyzer system is the polarimetric measurement matrix W, which is a 4xQ matrix that contains in its g-th row the vector A corresponding to the g-th analyzer response.
- the matrix W is expressed by the following equation (6):
- a device that meets the above requirements and that allows to fully determine the four Stokes parameters of an incident wave, and therefore its EDP, is called Stokes polarimeter.
- polarization analyzers some of which can be rotated mechanically.
- they can be arranged in series (each analyzer measures the polarization of the signal at the output of the previous analyzer) or in parallel (a splitter is used to obtain four light beams from the initial light beam and different analyzers are used, linearly independent, for each beam).
- US 3572938 can be mentioned.
- the power of each beam is extracted using diffraction networks and is measured externally, which allows the EDP to be recomposed.
- the size of the measurement region (where the light to be measured affects) and which would be defined the minimum size of the polarimeter in the xy plane is of the order of tens of ⁇ 2 .
- the present invention discloses a device for measuring the polarization state of an incident beam of electromagnetic radiation.
- He device comprises:
- Y a diffuser of the incident beam, the diffuser being located in the intersection zone of the waveguides and offset with respect to the origin of coordinates in different magnitudes with respect to each of the longitudinal axes of the waveguides;
- the device further comprises calculation means for determining the polarization state of the incident beam by calculating the Stokes vector S from the inverse of the polarimetric measurement matrix
- the device further comprises connection means with an external calculation device (for example, a computer) to send the power values detected by the sensors to said external calculation device, the latter being responsible for calculating the polarization state of the incident beam from the power values sent by the connection means.
- an external calculation device for example, a computer
- a method for measuring the polarization state of an incident beam of electromagnetic radiation comprises the steps of:
- Figure 1 is a top view of a device according to the preferred embodiment of the present invention.
- Figure 2 is a cross-sectional view of the device shown in Figure 1.
- Figures 1 and 2 show a top and cross-sectional view, respectively, of the structure of a device according to the preferred embodiment of the present invention for measuring EDP.
- the device comprises two waveguides (10, 20) located on the same plane, perpendicular to each other and perpendicular to the direction of propagation of the incident beam (50) to be measured.
- the waveguides (10, 20) are formed by dielectric or semiconductor materials, preferably transparent to the wavelength in consideration of the incident beam (50).
- the waveguides are of a material selected from the group comprising silicon and silicon nitride.
- the waveguides (10, 20) intersect in an intersection zone whose center represents an origin of coordinates on which the incident beam (50) strikes.
- Figure 1 shows the origin of coordinates such as the intersection between the x-axis and the y-axis, each of these axes corresponding to the longitudinal axis of one of the waveguides (10, 20).
- Figure 2 shows the origin of coordinates such as the intersection between the z axis and the x axis, the z axis corresponding to the axis of displacement of the incident beam (50).
- the waveguides (10, 20) represent a first medium (30). In order to be able to confine the electromagnetic radiation of the incident beam (50) in them, they are coated above and below with two means (32, 34) also dielectric or semiconductors such that their refractive indices (3 ⁇ 4, n 3 ) to the length Wave of interest are less than the refractive index (ni) of the waveguides (10, 20): 3 ⁇ 4> 3 ⁇ 4, n 3 .
- the waveguides (10, 20) have a rectangular section of width w and height t. If 3 ⁇ 4 is high enough, the dimensions of the waveguides (10, 20) w and t will be smaller than the wavelength of the radiation that they can confine and guide.
- the device further comprises a diffuser (40) of the incident beam (50) that preferably exhibits symmetry of revolution around an axis corresponding to the direction of propagation of the incident beam (50), that is, around the z axis according to the representation in the Figures 1 and 2.
- the diffuser (40) is of a dielectric, metallic or semiconductor material (not necessarily transparent to the wavelength under consideration). In the embodiment shown in Figures 1 and 2 it is specifically a cylinder of diameter D and height h, both dimensions being smaller than the wavelength of the incident beam (50).
- the diffuser (40) is located at the level of the intersection zone of the waveguides (10, 20) and offset with respect to the origin of coordinates in different magnitudes with respect to each of the longitudinal axes of the waveguides ( 10, 20).
- the center of the diffuser (40) is at a point defined by the coordinates dx and dy, such that dx ⁇ dy and dx, dy ⁇ 0.
- Such asymmetry in the positioning of the diffuser (40) is fundamental in the operation of the device as will be shown below.
- the diffuser (40) is positioned on the waveguides (10, 20). Throughout memory the term “envelope” may be interpreted both by “above” and “below.” It is also envisioned that in an alternative embodiment the diffuser (40) can be located within the intersection zone between the two waveguides (10, 20), penetrating partially or totally, for example creating a circular section hole that completely crosses the waveguides (10, 20) in the required position.
- the diffuser (40) In the event that the diffuser (40) is located within the intersection zone between the two waveguides (10, 20), partially or totally penetrating, the diffuser material must be different than that of the waveguides . In this way there is the necessary discontinuity so that the diffuser can develop its function properly.
- the diffuser (40) In the event that the diffuser (40) is placed on the waveguides (10, 20), the surrounding air itself causes the necessary discontinuity (air-material of the diffuser), so that the diffuser in this case, it can be of any material, conductor, semiconductor, dielectric, etc., being able to be of the same material as that of the waveguides (10, 20).
- the device also comprises a sensor for measuring the power of an output beam disposed in each of the four output ports of the waveguides.
- Said sensor may be any known and commonly used sensor in the technique for this purpose and therefore will not be described further herein.
- the device of the present invention may further comprise, in a preferred embodiment thereof, calculation means for determining the polarization state of the incident beam (50) as described hereinbefore. .
- the polarization state is determined by calculating the Stokes vector S from the inverse of the polarimetric measurement matrix
- the device further comprises connection means with an external calculation device to send the power values detected by the sensors to said external calculation device.
- said external calculation device for example a computer, performs the final calculations for determining the polarization state of the incident beam (50) as described hereinbefore.
- the diffuser response (40) will depend on the polarization of the incident electromagnetic radiation. This is due to the spin quantum Hall effect, especially, present in the evanescent fields of the proposed structure.
- the power guided to each output port will be different depending on whether the polarization of the incident monochromatic electromagnetic radiation is linear horizontal (H), linear vertical (V), linear oblique at 45 ° (45), linear oblique at 135 ° (135), drive right (R) or drive left (L).
- the coefficients £> q , i that allow the construction of the matrix W are obtained in a very simple way (mainly because it is only necessary to measure power, not the phase) for the illumination wavelength £> q , i as the ratio between the power measured at the qth output port (from 1 to 4) when an ideal polarization electromagnetic radiation beam i (again, i can be H, V, 45, 135, R and L, following the nomenclature of Stokes parameters definition) and the power density of the incident wave.
- W for the wavelength ⁇ is equivalent to calibrating the Stokes polarimeter. Once calibrated, it would allow immediate EDP to be obtained from any incident electromagnetic radiation beam by applying equation (8) above. As mentioned earlier, the asymmetry of the device is what makes W invertible.
- the EDP is measured for a given wavelength of the incident beam (50), which is the wavelength for which the matrix W is determined.
- the device of the present invention can easily extend to the determination of EDP at multiple wavelengths, since as long as the waveguides are not cut, the device will work.
- the optical spectrum is measured at the four output ports, it will be easy to determine the matrix W for a certain spectral range, which would allow the device to work as a spectrum polarimeter.
- the medium (32) above the waveguides (10, 20) is air and the medium (34) below them is silica dioxide.
- the incident beam (50) can be any electromagnetic radiation whose polarization state must be determined. According to a preferred embodiment of the present invention, the incident beam (50) is a beam of light.
- the present invention discloses a method for measuring the polarization state of an incident beam of electromagnetic radiation comprising the steps of:
- the method disclosed by the present invention can be carried out by using a device according to the present invention, as described hereinbefore. Therefore, all the limitations and preferences described above related to the device of the present invention are also applicable to the method according to the second aspect of the present invention.
- a beam of light was struck on the diffuser, which spread the incident beam to the four outputs defined by the waveguides.
- the power at each of the outputs mentioned was measured when the device is illuminated with light of a wavelength of 1550 nm, a power density of 1 mW / ⁇ 2 and six different PDEs corresponding to horizontal linear polarization, linear polarization vertical, linear polarization oblique at 45 °, linear polarization oblique at 135 °, circular polarization to the right and circular polarization to the left.
- the power at each of the outputs was measured for an incident beam with any polarization state, from which, and together with the inverse of the polarimetric measurement matrix W, could calculate the Stokes vector representative of the polarization state of the incident beam.
- the Stokes vector representative of the polarization state of the incident beam could be calculated (in mW / ⁇ 2)
- the present invention provides a number of advantages over the devices known in the prior art, such as for example:
- the device is of universal application: in spite of the great interest of the EDP measurement of light, the device of the present invention can be applied to any frequency of the electromagnetic radiation under consideration.
- the size of the active region in which polarization is measured is smaller than the incident wavelength (miniaturization of the measuring device).
Abstract
La invención describe un dispositivo para medir el estado de polarización de un haz que comprende dos guías de onda perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación del haz, intersecándose en una zona de intersección cuyo centro representa un origen de coordenadas sobre el que incide el haz; dos medios que recubren por arriba y por abajo dichas guías siendo sus índices de refracción a la longitud de onda del haz menores que el de las guías; un difusor en la zona de intersección de las guías y descentrado con respecto al origen de coordenadas en magnitudes diferentes con respecto a cada uno de los ejes longitudinales de las guías; y un sensor de potencia en cada uno de los cuatro puertos de salida de las guías. También se describe un método correspondiente.
Description
DISPOSITIVO Y MÉTODO PARA MEDIR EL ESTADO DE POLARIZACIÓN
DE UN HAZ INCIDENTE
Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo de las ondas electromagnéticas, y más concretamente a la medición del estado de polarización de ondas electromagnéticas, por ejemplo, de un haz de luz. Antecedentes de la invención
La polarización es una propiedad fundamental de las ondas electromagnéticas, incluyendo la luz. Una onda electromagnética consiste en un campo eléctrico y otro magnético perpendiculares entre si que oscilan en un plano perpendicular (llamado plano de polarización) a la dirección de propagación de dicha onda. La polarización de dicha onda se refiere a la oscilación del vector campo eléctrico en el plano perpendicular a la dirección de propagación. La proyección de la parte real del vector campo eléctrico sobre el plano de polarización describe en general una elipse con un sentido de rotación asociado (que puede ser a izquierdas o a derechas) que se denomina elipse de polarización. Dicha elipse define la polarización de una onda electromagnética. Si la relación entre los ejes de la elipse es la unidad, la polarización es circular. Si dicha relación es infinito, entonces la polarización es lineal. En general, puede considerarse que el plano de polarización es el plano xy mientras que la onda se propaga en paralelo al eje z .
En numerosas aplicaciones (química, astronomía, comunicaciones ópticas) es absolutamente necesario conocer el estado de polarización (EDP) de una onda electromagnética. Para ello, una forma habitual de
representación paramétrica que no requiere ninguna descripción gráfica (como el caso de la elipse de polarización) es el uso del vector de Stokes S , compuesto por cuatro elementos, que se obtiene a partir de seis parámetros definidos en unidades de unidad de potencia (W/m2) según la ecuación (1) a continuación:
Para medir el EDP de una onda electromagnética monocromática se utiliza habitualmente un conjunto de Q analizadores de polarización cuya respuesta es una cierta potencia óptica Pq (g = 1,..., Q) , que puede expresarse mediante un vector P . Dicha respuesta puede caracterizarse mediante un vector de cuatro componentes, A = [aq,i,
<3q,3, <3q, ] definidos por las siguientes ecuaciones (2) a
(5) :
donde los coeficientes £>q, i se definen como el cociente entre la potencia medida por el analizador g-ésimo Pq cuando se incide con una polarización ideal i (i puede ser H, V, 45, 135, R y L, siguiendo la nomenclatura de la definición de los parámetros de Stokes) y la densidad de potencia de la onda incidente.
La respuesta total del sistema de analizadores es la matriz de medida polarimétrica W , que es una matriz 4xQ que contiene en su fila g-ésima el vector A correspondiente a la respuesta del analizador g-ésimo. La matriz W se expresa mediante la siguiente ecuación (6) :
A, (6)
Asi se obtiene la siguiente relación matricial, definida por la ecuación (7) :
P = w · s (?) donde es el vector de Stokes de una señal de entrada cualquiera. Si Q=4 y las salidas de cada analizador son linealmente independientes, entonces W es invertible, y el vector de Stokes de la señal incidente, que proporciona la información completa sobre el EDP, se obtiene según la siguiente ecuación (8) :
5 = W'1?
Un dispositivo que cumple los requisitos anteriores y que permite determinar completamente los cuatro parámetros de Stokes de una onda incidente, y por tanto su EDP, se denomina polarimetro de Stokes.
Para el caso concreto de medida del EDP de luz que se propaga en espacio libre se usan generalmente como analizadores de polarización una combinación de platos de cuarto de onda y polarizadores lineales, pudiéndose rotar algunos de ellos mecánicamente. Además, pueden estar dispuestos en serie (cada analizador mide la polarización de la señal a la salida del analizador anterior) o en paralelo (se usa un divisor para obtener cuatro haces de luz a partir del haz de luz inicial y se usan distintos analizadores, linealmente independientes, para cada haz) . Como ejemplo de este último caso se puede mencionar el documento US 3572938. Dichos componentes, tanto platos de cuarto de onda como polarizadores lineales, son voluminosos (tamaño de varios órdenes de magnitud mayor a la longitud de onda que se quiere medir) y caros de fabricar. Además, si hay que rotar los platos mecánicamente para obtener medidas en distintos instantes temporales (por ejemplo, normalmente se rota el plato en cuatro posiciones angulares distintas, luego la luz pasa por un polarizador lineal fijo y se mide la potencia a la salida) , no es posible medir el EDP en tiempo real.
Para medir el EDP de luz que se propaga en fibra óptica se usan componentes similares a los anteriormente mencionados, pero integrados en fibra. Por ejemplo, en la patente US 6211957 se describe un polarimetro en fibra que usa, además de un plato de cuarto de onda inscrito en la fibra, una red de difracción para muestrear la potencia de la luz guiada. Este tipo de polarimetros se denomina en linea ya que sólo se extrae una porción de la onda guiada para medir su EDP y el resto continúa viajando por la fibra, por lo que es muy útil en redes de comunicaciones ópticas. No obstante, también en este caso se trata de componentes con un tamaño superior al de la longitud de
onda, que no pueden integrarse ni extenderse a otros rangos de longitud de onda. Además, su coste es muy elevado.
Para conseguir la miniaturización de un polarimetro (en principio se podría pensar en reducir su tamaño incluso por debajo de la longitud de onda de la luz de la que se quiere medir su EDP) y, en consecuencia, una reducción en su coste, recientemente han surgido diferentes trabajos de investigación proponiendo nuevas aproximaciones basadas en la respuesta óptica de metales estructurados en la micro y nanoescala. Podemos clasificar estos trabajos en polarizadores basados en resonadores plasmónicos y polarizadores basados en metasuperficies .
A la primera clase pertenecen los siguientes trabajos: F. Afshinmanesh, J. S. White, W. Cai, M.L. Brongersma ( "Measurement of the polarization state of light using an integrated plasmonic polarimeter" . Nanophotonics 1, 125-129 (2012) ) e Y. B. Xie, Z.-Y. Liu, Q.-J. Wang, Y. -Y. Zhu, X.-J Zhan, X.-J. ("Miniature polarization analyzer based on surface plasmon polaritons". Appl. Phys . Lett. 105, 101017 (2014) ), que demuestran la medición completa de EDP usando nanoestructuras metálicas que actúan como analizadores de polarización en paralelo linealmente independientes. En estos artículos se obtienen todos los parámetros de Stokes de la onda electromagnética incidente usando una estructura de medida con un tamaño muy reducido, por debajo de las 10 μπι2, pero las estructuras empleadas presentan muchos inconvenientes: para fabricarlas hay que perforar el metal con resolución nanométrica, lo que no permite su producción a bajo coste; producen muchas pérdidas en la señal que miden, por lo que no se pueden usar como polarímetros en línea; no son de banda ancha, ya que la respuesta se produce en un pequeño margen espectral; el concepto no es exportable a otros regímenes de frecuencia de la señal
electromagnética. A la segunda pertenecen los siguientes artículos :
D. Wen et al. ( "Metasurface for characterization of the polarization state of light". Opt . Express 23, 10272- 10281 (2015) ) demuestran la medición del EDP no completa usando una metasuperficie formada por nanoestructuras metálicas. Este trabajo es mejorado en A. Pors et al., ("Plasmonic metagratings for simultaneous determination of Stokes parameters, " Optica 2, 716-723 (2015) ) donde el uso de tres metasuperficies puestas en proximidad sí que permiten extraer la EDP completa a partir de mediciones de intensidad de haces difractados en direcciones diferentes a la normal (eje z) no contenidas en el plano de polarización xy, y cuya dirección de propagación variaría según la longitud de onda. Para medir la intensidad de dichos haces de forma sencilla sería más práctico que los haces se propagasen sobre el plano de polarización, donde se ha creado la metasuperficie, de forma que sea sencillo una interconexión a fibras ópticas externas (para realizar la medida de intensidad) . Esta es la novedad introducida en el artículo J. P. Balthasar Mueller, Kristjan Leosson, and Federico Capasso, "Ultracompact metasurface in-line polarimeter, " Optica 3, 42-47 (2016) donde la metasuperficie diseñada y situada en el plano xy permite generar cuatro haces de luz propagándose en distintas direcciones sobre un medio dieléctrico situado en dicho plano, siendo la potencia de cada uno de estos cuatro haces proporcional a estados de polarización elípticos de la onda incidente. Tras ello, la potencia de cada haz se extrae usando redes de difracción y es medida externamente, lo que permite recomponer el EDP. En todos los polarímetros basados en metasuperficies el tamaño de la región de medida (donde incide la luz que se quiere medir) y que definiría
el tamaño mínimo del polarimetro en el plano xy es del orden de decenas de μπι2. Además todos ellos emplean metales nanoestructurados , lo que dificulta la fabricación (sobre todo a gran escala) e introduce pérdidas de absorción que reducirían las prestaciones del medidor de EDP.
Por tanto, sigue existiendo en la técnica la necesidad de dispositivos y métodos que permitan medir el estado de polarización de un haz de radiación electromagnética que superen las desventajas de la técnica anterior. En concreto, sería deseable disponer de un dispositivo de este tipo que reduzca los costes de producción, por ejemplo, evitando la inclusión de metales nanoestructurados. En ese sentido, sería muy adecuado que el dispositivo pudiese ser fabricado completamente usando tecnología microelectrónica de silicio, que permite la fabricación a gran escala y bajo coste (por dispositivo) . También sería deseable disponer de un dispositivo de este tipo cuyo tamaño sea reducido con respecto a los de la técnica anterior, ya que la nanofotónica está permitiendo obtener dispositivos con tamaños incluso por debajo de la longitud de onda de la radiación incidente, lo cual ayudaría adicionalmente a reducir sus costes de producción (posibilidad de fabricar más chips en una misma oblea) . También sería deseable disponer de un dispositivo que permita medir el estado de polarización de un haz de radiación electromagnética de manera sencilla, rápida, en tiempo real y tanto de haces que se propagan en espacio libre como de haces que se propagan por fibra. Sumario de la invención
En un primer aspecto la presente invención da a conocer un dispositivo para medir el estado de polarización de un haz incidente de radiación electromagnética. El
dispositivo comprende:
- dos guias de onda situadas sobre un mismo plano, perpendiculares entre si y perpendiculares a la dirección de propagación del haz incidente, formadas por materiales dieléctricos o semiconductores que se intersecan en una zona de intersección cuyo centro representa un origen de coordenadas sobre el que incide el haz incidente;
- dos medios, también dieléctricos o semiconductores, que recubren por arriba y por abajo dichas guias de onda de tal manera que sus índices de refracción a la longitud de onda del haz incidente son menores que el índice de refracción de las guías de onda;
- un difusor del haz incidente, estando el difusor situado en la zona de intersección de las guías de onda y descentrado con respecto al origen de coordenadas en magnitudes diferentes con respecto a cada uno de los ejes longitudinales de las guías de onda; y
- un sensor para medir la potencia de un haz de salida dispuesto en cada uno de los cuatro puertos de salida de las guías de onda.
Adicionalmente, según una realización preferida de la presente invención, el dispositivo comprende además medios de cálculo para determinar el estado de polarización del haz incidente mediante el cálculo del vector de Stokes S a partir de la inversa de la matriz de medida polarimétrica
W y el vector de potencia P , determinadas a su vez por los sensores, según la ecuación:
S = W→P
Alternativamente, según otra realización preferida de
la presente invención, el dispositivo comprende además medios de conexión con un dispositivo de cálculo externo (por ejemplo, un ordenador) para enviar los valores de potencia detectados por los sensores a dicho dispositivo de cálculo externo, encargándose este último de calcular el estado de polarización del haz incidente a partir de los valores de potencia enviados por los medios de conexión.
Según un segundo aspecto de la presente invención, se da a conocer un método para medir el estado de polarización de un haz incidente de radiación electromagnética. El método comprende las etapas de:
a) hacer incidir un haz de radiación electromagnética sobre un difusor;
b) difundir el haz incidente, mediante dicho difusor, a lo largo de cuatro direcciones definidas por dos guias de onda perpendiculares;
c) medir la potencia de un haz de salida en cada una de las cuatro salidas de dichas dos guias de onda; d) calcular la matriz de medida polarimétrica W y el vector de potencia P correspondientes al haz incidente a partir de la potencia medida en la salida de las guias de onda; y
e) calcular el vector de Stokes S a partir de la inversa de la matriz de medida polarimétrica W y el vector de potencia P calculadas en la etapa d) , siendo el vector de Stokes S representativo del estado de polarización del haz incidente.
Breve descripción de las figuras
La presente invención se entenderá mejor con referencia a las siguientes figuras que ilustran una realización preferida de la invención, proporcionada a modo
de ejemplo, y que no debe interpretarse como limitativa de la invención de ninguna manera.
La figura 1 es una vista desde arriba de un dispositivo según la realización preferida de la presente invención.
La figura 2 es una vista en sección transversal del dispositivo mostrado en la figura 1.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
A continuación se proporciona una descripción detallada de una realización preferida de la presente invención .
Las figuras 1 y 2 muestran una vista desde arriba y en sección transversal, respectivamente, de la estructura de un dispositivo según la realización preferida de la presente invención para medir el EDP.
Tal como puede apreciarse en la figura 1, el dispositivo comprende dos guias de onda (10, 20) situadas sobre un mismo plano, perpendiculares entre si y perpendiculares a la dirección de propagación del haz incidente (50) que va a medirse. Las guias de onda (10, 20) están formadas por materiales dieléctricos o semiconductores, preferiblemente transparentes a la longitud de onda en consideración del haz incidente (50) . Preferiblemente las guias de onda son de un material seleccionado del grupo que comprende silicio y nitruro de silicio. Además, las guias de onda (10, 20) se intersecan en una zona de intersección cuyo centro representa un origen de coordenadas sobre el que incide el haz incidente (50) . En la figura 1 se muestra el origen de coordenadas como la intersección entre el eje x y el eje y, correspondiendo cada uno de estos ejes con el eje longitudinal de una de las guias de onda (10, 20) . En la
figura 2 se muestra el origen de coordenadas como la intersección entre el eje z y el eje x, correspondiendo el eje z al eje de desplazamiento del haz incidente (50) .
Las guias de onda (10, 20) representan un primer medio (30) . Para conseguir confinar la radiación electromagnética del haz incidente (50) en las mismas, se recubren por arriba y por abajo con dos medios (32, 34) también dieléctricos o semiconductores tales que sus índices de refracción (¾, n3) a la longitud de onda de interés son menores que el índice de refracción (ni) de las guías de onda (10, 20) : ¾ > ¾, n3.
Las guías de onda (10, 20) presentan una sección rectangular de anchura w y altura t. Si ¾ es suficientemente alto, las dimensiones de las guías de onda (10, 20) w y t serán menores que la longitud de onda de la radiación que pueden confinar y guiar.
El dispositivo comprende además un difusor (40) del haz incidente (50) que presenta preferiblemente simetría de revolución alrededor de un eje correspondiente a la dirección de propagación del haz incidente (50), es decir, alrededor del eje z según la representación en las figuras 1 y 2. El difusor (40) es de un material dieléctrico, metálico o semiconductor (no necesariamente transparente a la longitud de onda en consideración) . En la realización mostrada en las figuras 1 y 2 se trata concretamente de un cilindro de diámetro D y altura h, siendo ambas dimensiones menores que la longitud de onda del haz incidente (50) .
El difusor (40) se sitúa a nivel de la zona de intersección de las guías de onda (10, 20) y descentrado con respecto al origen de coordenadas en magnitudes diferentes con respecto a cada uno de los ejes longitudinales de las guías de onda (10, 20) . Dicho de otro modo, el centro del difusor (40) se encuentra en un punto
definido por las coordenadas dx y dy, de tal manera que dx≠dy y dx,dy ≠ 0. Dicha asimetría en el posicionamiento del difusor (40) es fundamental en el funcionamiento del dispositivo como se mostrará a continuación.
Según la realización preferida de la presente invención mostrada en las figuras 1 y 2, el difusor (40) se sitúa sobre las guías de onda (10, 20) . A lo largo de la memoria el término "sobre" podrá interpretarse tanto por "encima" como por "debajo". También se prevé que en una realización alternativa el difusor (40) puede situarse dentro de la zona de intersección entre las dos guías de onda (10, 20), penetrando parcial o totalmente, por ejemplo creando un agujero de sección circular que atraviesa completamente las guías de onda (10, 20) en la posición requerida.
En el caso de que el difusor (40) se sitúe dentro de la zona de intersección entre las dos guías de onda (10, 20), penetrando parcial o totalmente, el material del difusor ha de ser distinto que el de las guías de onda. De este modo existe la discontinuidad necesaria para que el difusor pueda desarrollar su función adecuadamente.
En el caso de que el difusor (40) se sitúe sobre las guías de onda (10, 20), el propio aire que lo rodea provoca la discontinuidad necesaria (aire-material del difusor) , por lo que el difusor en este caso, puede ser de cualquier material, conductor, semiconductor, dieléctrico, etc., pudiendo ser del mismo material que el de las guías de onda (10, 20) .
Aunque no se muestra en las figuras, el dispositivo también comprende un sensor para medir la potencia de un haz de salida dispuesto en cada uno de los cuatro puertos de salida de las guías de onda. Dicho sensor puede ser cualquier sensor conocido y usado habitualmente en la
técnica con este fin y por tanto no se describirá adicionalmente en el presente documento.
Aunque no se muestra en las figuras adjuntas, el dispositivo de la presente invención puede comprender además, en una realización preferida del mismo, medios de cálculo para determinar el estado de polarización del haz incidente (50) tal como se describió anteriormente en el presente documento. En concreto, el estado de polarización se determina mediante el cálculo del vector de Stokes S a partir de la inversa de la matriz de medida polarimétrica
W y el vector de potencia P , determinadas a su vez por los sensores, según la siguiente ecuación:
5 = W→P
Según otra realización alternativa no mostrada en las figuras adjuntas, el dispositivo comprende además medios de conexión con un dispositivo de cálculo externo para enviar los valores de potencia detectados por los sensores a dicho dispositivo de cálculo externo. En este caso, dicho dispositivo de cálculo externo, por ejemplo un ordenador, realiza los cálculos finales para la determinación del estado de polarización del haz incidente (50) tal como se describió anteriormente en el presente documento.
En concreto, al incidir una onda electromagnética monocromática (con una longitud de onda λ) con dirección -z sobre la intersección que contiene el difusor (40), éste actuará como tal, difundiendo parte de la radiación electromagnética que le incide en todas las direcciones. Parte de la radiación electromagnética que difunde se acoplará a modos de las guias de onda (10, 20) (nótese que las guias pueden ser multimodales ) situadas bajo el difusor (40) . Dicha radiación electromagnética se detecta a la
salida de las guias de onda (10, 20), en cada uno de los cuatro puertos de salida (1, 2, 3, 4) a los que se dirige la radiación electromagnética tal como se muestra mediante las flechas de la figura 1. Por ejemplo, la radiación electromagnética total que se guia hacia la dirección +x podrá detectarse como potencia P± en el puerto 1 (figura 1), y asi sucesivamente para los puertos 2, 3 y 4.
Resulta clave que al colocar el difusor (40) de forma asimétrica con respecto de los principales ejes de simetría del plano z=0, la respuesta del difusor (40) dependerá de la polarización de la radiación electromagnética incidente. Esto es debido al efecto Hall cuántico de espín de la luz, en especial, presente en los campos evanescentes de la estructura propuesta. En particular, la potencia guiada hacia cada puerto de salida será diferente dependiendo de si la polarización de la radiación electromagnética monocromática incidente es lineal horizontal (H) , lineal vertical (V), lineal oblicua a 45° (45), lineal oblicua a 135° (135), circular a derechas (R) o circular a izquierdas (L) . Esto se debe a que al poner de forma asimétrica el difusor, la interacción entre la radiación electromagnética incidente y las guías de onda (10, 20) viene mediada por el solapamiento de la radiación electromagnética difundida con los componentes de campo eléctrico de las ondas guiadas en las direcciones x e y en la región de campo evanescente por encima de las guías de onda (10, 20) . Por tanto, la potencia guiada dependerá de la polarización de la onda incidente (se mapea la polarización en potencia) . Además, por la disposición asimétrica del difusor (40) también resulta que la potencia guiada hacia cada puerto de salida será diferente y no estarán relacionadas linealmente entre sí (esto no sucedería, por ejemplo, en el caso dx=dy) . Por tanto, se obtienen cuatro mediciones de potencia
dependientes de la polarización de entrada independientes entre si, lo cual es equivalente a disponer de cuatro analizadores de polarización funcionando simultáneamente y en tiempo real. Es decir, se obtiene un polarimetro de Stokes cuya región activa tiene un tamaño mucho menor que la longitud de onda (w, h, t, D < λ) .
Los coeficientes £>q, i que posibilitan la construcción de la matriz W se obtienen de forma muy sencilla (principalmente porque solo hay que medir potencia, no la fase) para la longitud de onda de iluminación £>q, i como el cociente entre la potencia medida en el puerto de salida q- ésimo (de 1 a 4) cuando incide un haz de radiación electromagnética polarización ideal i (de nuevo, i puede ser H, V, 45, 135, R y L, siguiendo la nomenclatura de la definición de los parámetros de Stokes) y la densidad de potencia de la onda incidente. La obtención de la matriz
W para la longitud de onda λ equivale a calibrar el polarimetro de Stokes. Una vez calibrado permitiría la obtención inmediata del EDP de cualquier haz de radiación electromagnética incidente aplicando la ecuación (8) anterior. Tal como se mencionó anteriormente, la asimetría del dispositivo es la que hace que W sea invertible.
A lo largo de la descripción anterior se ha considerado que el EDP se mide para una determinada longitud de onda del haz incidente (50), que es la longitud de onda para la que se determina la matriz W . Sin embargo, el dispositivo de la presente invención puede extenderse fácilmente a la determinación del EDP en múltiples longitudes de onda, ya que mientras las guías de onda no estén al corte, el dispositivo funcionará. De ese modo, si se mide el espectro óptico en los cuatro puertos de salida, será sencillo determinar la matriz W para un
cierto rango espectral, lo que posibilitaría que el dispositivo funcione a modo de un espectropolarímetro .
En un ejemplo práctico de realización para la medición con un haz incidente (50) a una longitud de onda de 1550 nm (correspondiente a la banda de tercera ventana de comunicaciones ópticas), se usarán guías de onda (10, 20) de silicio de dimensiones w = 400 nm, t = 250 nm. Debe indicarse que la longitud de las guías de onda (10, 20) no supone ninguna limitación en la implementación del dispositivo. El medio (32) por encima de las guías de onda (10, 20) es aire y el medio (34) por debajo de las mismas es dióxido de sílice. El difusor es un disco de oro de dimensiones D = 200 nm y h = 40 nm cuyo centro se sitúa en el punto definido por las coordenadas dx = -50 nm y dy = 100 nm.
El haz incidente (50) puede ser cualquier radiación electromagnética cuyo estado de polarización deba determinarse. Según una realización preferida de la presente invención, el haz incidente (50) es un haz de luz.
Según un segundo aspecto, la presente invención da a conocer un método para medir el estado de polarización de un haz incidente de radiación electromagnética que comprende las etapas de:
a) hacer incidir un haz de radiación electromagnética sobre un difusor que presenta preferiblemente simetría de revolución alrededor de un eje correspondiente a la dirección de propagación del haz ;
b) difundir el haz incidente, mediante dicho difusor, a lo largo de cuatro direcciones definidas por dos guías de onda perpendiculares;
c) medir la potencia de un haz de salida en cada una de las cuatro salidas de dichas dos guías de onda;
d) calcular la matriz de medida polarimétrica W y el vector de potencia P correspondientes al haz incidente a partir de la potencia medida en la salida de las guias de onda; y
e) calcular el vector de Stokes S a partir de la inversa de la matriz de medida polarimétrica W y el vector de potencia P calculadas en la etapa d) , siendo el vector de Stokes S representativo del estado de polarización del haz incidente.
El método dado a conocer por la presente invención puede llevarse a cabo mediante el uso de un dispositivo según la presente invención, tal como se describió anteriormente en el presente documento. Por tanto, todas las limitaciones y preferencias anteriormente descritas relacionadas con el dispositivo de la presente invención también son aplicables al método según el segundo aspecto de la presente invención.
En el ejemplo práctico de realización descrito, se hizo incidir un haz de luz sobre el difusor, el cual difundió el haz incidente hacia las cuatro salidas definidas por las guias de onda. Se midió la potencia en cada una de las salidas mencionadas cuando el dispositivo se iluminó con luz de una longitud de onda de 1550 nm, una densidad de potencia de 1 mW/μπι2 y seis EDPs diferentes, correspondientes a polarización lineal horizontal, polarización lineal vertical, polarización lineal oblicua a 45°, polarización lineal oblicua a 135°, polarización circular a derechas y polarización circular a izquierdas. Se determinaron los coeficientes bq, i en cada puerto de salida (q) para los seis estados de polarización (i) y se configuró la matriz de medida polarimétrica W mediante la
combinación apropiada de dichos coeficientes, tal y como se detalla al principio del presente documento, quedando la matriz de me ida polarimétrica de la siguiente manera
'>!.·< - *¾.ιΛ
W &2,R
'hA.;< " ¿3,1
El resultado de las combinaciones, representados en magnitudes de área efectiva πι2) , fue el siguiente:
Una vez calculada la matriz de medida polarimétrica, se midió la potencia en cada una de las salidas para un haz incidente con un estado de polarización cualquiera, a partir de la cual, y junto con la inversa de la matriz de medida polarimétrica W , se pudo calcular el vector de Stokes representativo del estado de polarización del haz incidente .
Por ejemplo, consideramos incidencia con polarización lineal a 50° respecto del eje de coordenadas x. Para este haz incidente y la configuración descrita, el resultado de la potencia recibida en las salidas tomando dos decimales fue (en mW) :
A partir de la potencia medida en las cuatro salidas para el haz de luz con polarización lineal a 50° ( ¾o ) y la inversa de la matriz de medida polarimétrica W , se pudo calcular el vector de Stokes representativo del estado de polarización del haz incidente (en mW/μπι2)
que se ajusta muy bien al vector de Stokes representativo de un haz de luz con un estado de polarización lineal ideal con una inclinación de 50 grados, con mínimas diferencias por el hecho de truncar los cálculos a dos decimales así como a pequeñas inestabilidades en la reconstrucción del vector de Stokes S mediante la matriz de medida polarimétrica W . Estas inestabilidades pueden corregirse mediante el condicionamiento de la matriz de medida polarimétrica. En la configuración preferente estudiada como ejemplo tenemos un número de condicionamiento de la matriz de κ = 41.5, siendo el número de condicionamiento óptimo ^pt = x/20.
Tal como puede apreciarse a partir de la descripción anterior, la presente invención, y en concreto la realización preferida de la misma, proporciona una serie de ventajas con respecto a los dispositivos conocidos de la técnica anterior, tales como por ejemplo:
- Permite obtener los cuatro parámetros de Stokes. - El dispositivo es de aplicación universal: a pesar del gran interés de la medición del EDP de la luz, el dispositivo de la presente invención puede aplicarse a cualquier frecuencia de la radiación electromagnética en consideración .
- El tamaño de la región activa en la que se mide la polarización es menor que la longitud de onda incidente (miniaturización del dispositivo de medición) .
- Puede usarse para medir el EDP en un enorme rango espectral, siendo por tanto factible su uso en espectropolarimetría .
Puede fabricarse usando tecnología estándar de micro-fabricación en silicio, evitando así la inclusión de metales nanoestructurados , lo que repercutirá en un bajo coste de fabricación a gran escala.
- No necesita componentes mecánicos, y permite por tanto la medición del EDP en tiempo real.
- Permite la medición del EDP de luz que se propaga en espacio libre así como de luz dentro de una fibra óptica en configuración en línea.
Claims
RE IVINDICACIONES
Dispositivo para medir el estado de polarización de un haz incidente (50) de radiación electromagnética que comprende :
- dos guias de onda (10, 20) perpendiculares entre si y perpendiculares a la dirección de propagación del haz incidente (50), formadas por materiales dieléctricos o semiconductores que se intersecan en una zona de intersección cuyo centro representa un origen de coordenadas sobre el que incide el haz incidente ( 50 ) ;
- dos medios (32, 34), también dieléctricos o semiconductores, que recubren por arriba y por abajo dichas guias de onda (10, 20) de tal manera que sus índices de refracción a la longitud de onda del haz incidente (50) son menores que el índice de refracción de las guías de onda (10, 20);
- un difusor (40) del haz incidente (50) situado en la zona de intersección de las guías de onda (10, 20) y descentrado con respecto al origen de coordenadas en magnitudes diferentes con respecto a cada uno de los ejes longitudinales de las guías de onda (10, 20); y
- un sensor para medir la potencia de un haz de salida dispuesto en cada uno de los cuatro puertos de salida (1, 2, 3, 4) de las guías de onda (10, 20) .
Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que el difusor (40) se sitúa sobre las guías de onda (10, 20) .
Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que el difusor (40) se sitúa dentro de la zona de intersección entre las dos guías de onda (10, 20) .
Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por que el difusor (40) es de un material distinto al de las guias de onda (10, 20) .
Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el difusor (40) del haz incidente (50) presenta simetría de revolución alrededor de un eje correspondiente a la dirección de propagación del haz incidente (50) .
Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además medios de cálculo para determinar el estado de polarización del haz incidente (50) mediante el cálculo del vector de Stokes S a partir de la inversa de la matriz de medida polarimétrica W y el vector de potencia P , determinadas a su vez por los sensores, según la siguiente ecuación:
§ = W→P
Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que comprende además medios de conexión con un dispositivo de cálculo externo para enviar los valores de potencia detectados por los sensores a dicho dispositivo de cálculo externo.
Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el difusor (40) es de un material seleccionado del grupo que comprende oro y aluminio.
Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las guías de onda (10, 20) son de un material transparente a la longitud de onda del haz incidente (50) .
Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado por que las guias de onda (10, 20) son de un material seleccionado del grupo que comprende silicio y nitruro de silicio.
11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el medio (32) que recubre por arriba las guias de onda (10, 20) es aire.
12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el medio (34) que recubre por abajo las guias de onda (10, 20) es dióxido de sílice.
13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el difusor (40) es un cilindro cuyo diámetro D y altura h son menores que la longitud de onda del haz incidente (50) .
14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las guías de onda (10, 20) presentan una sección rectangular cuya anchura w y altura t son menores que la longitud de onda del haz incidente (50) .
15. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el haz incidente (50) es un haz de luz.
16. Método para medir el estado de polarización de un haz incidente de radiación electromagnética que comprende las etapas de:
a) hacer incidir un haz de radiación electromagnética sobre un difusor;
b) difundir el haz incidente, mediante dicho difusor, a lo largo de cuatro direcciones definidas por dos guías de onda perpendiculares;
c) medir la potencia de un haz de salida en cada una de las cuatro salidas de dichas dos guías de onda; d) calcular la matriz de medida polarimétrica W y el
vector de potencia P correspondientes al haz incidente a partir de la potencia medida en la salida de las guias de onda; y
e) calcular el vector de Stokes S a partir de la inversa de la matriz de medida polarimétrica W y el vector de potencia P calculadas en la etapa d) , siendo el vector de Stokes S representativo del estado de polarización del haz incidente.
Método según la reivindicación 16, caracterizado por que el haz incidente es un haz de luz.
Método según cualquiera de las reivindicaciones 16 y 17, caracterizado por que se lleva a cabo mediante el uso de un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.
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