可靠地测量光的偏振态对于从光通信到生物医学成像等各种技术应用至关重要。然而，传统的偏振计由笨重的部件组成，难以缩小体积，限制了其广泛应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，由中国科学院上海技术物理研究所（以下简称：上海技物所）、新加坡国立大学、电子科技大学、东南大学和新加坡南洋理工大学组成的研究团队开发出一种片上全斯托克斯偏振计，更易于大规模部署。该器件基于光电偏振本征矢量，即表示入射斯托克斯矢量与探测器光电流之间线性关系的数学方程。这项研究成果以“An on-chip full-Stokes polarimeter based on optoelectronic polarization eigenvectors”为题，发表在Nature Electronics期刊。
图1 片上全斯托克斯偏振计原理图的艺术再现，突出了光电偏振本征矢量
该论文通讯作者上海技物所周靖研究员表示：“光电子学领域对紧凑型、高性能偏振分析设备的需求日益增长，推动了这项工作的开展。传统的偏振计依赖于分立的笨重光学元件，给小型化带来了巨大挑战，限制了其更广泛的适用性。我们的主要目标是开发一种能够直接电读出的片上解决方案，以重建全斯托克斯偏振态。”
研究人员发现了一种测量光偏振的新策略。这一策略基于一个新的物理概念，即光电偏振本征矢量（OPEV），它在数学上表达了入射斯托克斯向量与探测器中流动的光电流之间的线性关系。周靖研究员表示：“然后，我们通过配置四个OPEV来构成一个优化的光电转换矩阵（OCM），从而建立了一种新颖的高精度全斯托克斯偏振检测方法。最终，我们基于这种方法开发出了片上全斯托克斯偏振计，并以紧凑的形式实现了高精度全斯托克斯重建，缩小了传统笨重装置与现代智能光电系统之间的差距。该器件的设计和优化基于光电偏振本征矢量的概念。”
图2 片上偏振计的器件结构和设计原理
图3 亚像元的光电流与偏振有关
周靖研究员表示：“在重建过程中，还采用了机器学习算法（高斯过程回归），核心创新在于通过斯托克斯参数空间框架内的超构表面操纵这些特征矢量，解决对称性要求、几何形状及其排列问题。这种方法无需传统偏振系统通常需要的外部光学元件。此外，超构表面还能通过局部光场增强红外探测材料的光响应。”
与传统的偏振计相比，这项研究开发的器件具有各种优势。最明显的是，它可以实现小型化，同时还能达到高精度水平和快速操作速度。此外，它还与焦平面阵列兼容，可为红外光谱中更有趣的偏振应用铺平道路。
周靖研究员表示：“我们最显著的发现之一是在入射光的斯托克斯矢量和光电探测器的光电流之间建立了清晰简明的线性映射关系。我们将这种关系称为光电偏振本征矢量，它是探索与光偏振有关的各种光电转换的重要框架。这种关系通常适用于所有平方律探测器，其光电响应与接收光功率成正比。”
在初步测试中，研究人员开发的器件取得了显著的成果，在任意光强度下重建了整个偏振态范围，均方根误差小于1%。这种新型偏振计可用于实时收集精确的偏振测量结果，在光通信、遥感、宇宙学和生物医学诊断等各种应用中都具有优势。
图4 高精度全斯托克斯偏振重构
周靖研究员补充道：“我们未来的研究将继续专注于提高该器件的效率和稳健性，将其应用扩展到更主流的红外探测材料，如MCT、QWIP、InGaAs 和T2SL，并探索其在量子通信和自主传感系统等新兴领域的潜力。此外，我们还计划进一步推动光谱测量技术的发展，强调多维光信息和光物质相互作用的光电转换和电子读出。”
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41928-024-01287-w
《汽车红外摄像头技术及市场-2024版》
