一种超材料基集成式偏振功率计及其测试方法技术

本发明专利技术涉及一种超材料基集成式偏振功率计及其测试方法，该偏振功率计包括：衬底；探测器件，衬底上设置有至少一组探测器件，每一组探测器件包括三个探测基元，三个探测基元在衬底平面内满足三重旋转对称，其中：每一探测基元均包括超材料结构和光电转换模块，超材料结构用于对入射光束产生响应，光电转换模块处于超材料结构产生的动态局域电场和动态局域磁场之中，用于实现光信号到直流电压信号的转换。本发明专利技术能够同时测量线偏振角度和功率密度信息，无需额外的偏振分辨器件和光电测量器件，极大缩小检测器件尺寸，便于集成，对于工程应用和科学研究都具有重要意义。应用和科学研究都具有重要意义。应用和科学研究都具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种超材料基集成式偏振功率计及其测试方法


[0001]本专利技术是关于一种超材料基集成式偏振功率计及其测试方法，涉及光学测量


技术介绍

[0002]偏振状态和功率密度是光的重要属性。一方面，光的偏振信息在成像、光通讯和光谱分析方面有着广泛应用；另一方面，光的偏振信息在科学研究中也是常需的测试量。
[0003]现有测量中通常采用一个偏振分辨器件和一个放置其后的光电测量器件结合起来，通过多次旋转偏振分辨器件的角度，从而获得光学的线偏振角度信息。这种方法不仅操作繁琐，同时测量设备所需空间较大，偏振分辨器件和光电测量器件分离，极大限制了集成光子学的发展。另外，在不同波段也需要利用不同的光电测量手段，比如微波需要利用整流天线，可见光需要利用PN结等。
[0004]因此，需要发展一种集成式的片上器件，能够同时测量偏振信息和功率信息，且适用波段范围广。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种超材料基集成式偏振功率计及其测试方法，能够在亚波长尺寸内实现线偏振角度和功率密度的同时检测。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案为：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种超材料基集成式偏振功率计，该偏振功率计包括：
[0008]衬底；
[0009]探测器件，所述衬底上设置有至少一组所述探测器件，每一组所述探测器件均包括三个探测基元，三个所述探测基元在衬底平面内满足三重旋转对称，其中：
[0010]每一所述探测基元均包括超材料结构和光电转换模块，所述超材料结构用于对入射光束产生响应，所述光电转换模块处于所述超材料结构产生的动态局域电场和动态局域磁场之中，用于实现光信号与直流电压信号的转换。
[0011]进一步地，超材料基集成式偏振功率计的工作原理为：当待检测光束照射超材料基集成式偏振功率计，超材料结构对待检测光束发生谐振响应，产生增强的局域动态电场和局域动态磁场，局域动态电场会驱动置于其中的光电转换模块中的载流子发生漂移运动，该运动由于同时还受到局域动态磁场的作用，因此在洛伦兹力的驱动下，该运动发生定向偏转，实现了正负载流子的分离，在光电转换模块的两端形成不同性质的电荷聚集，产生了直流电势差，实现光到直流电压的转换。
[0012]进一步地，三个所述探测基元分别为第一探测基元、第二探测基元和第三探测基元，所述第一探测基元的放置位置定义为对入射光束的最大响应发生在电场与x轴平行的位置，所述第二探测基元的放置位置定义为所述第一探测基元逆时针旋转120度，所述第三
探测基元的放置位置定义为所述第一探测基元顺时针旋转度120度，其中，x轴定义为水平方向，y轴定义为竖直方向。
[0013]进一步地，所述偏振功率计的工作模式包括：
[0014]当包括一组所述探测器件时，用于检测入射光束中单个频点的偏振功率信息；
[0015]当包括多组不同频率响应的所述探测器件时，用于同时检测入射光束中多个频点的偏振功率信息，其中，所述偏振功率信息包括功率密度和/或线偏振角度。
[0016]进一步地，所述衬底采用低损耗衬底，所述低损耗衬底材料采用Teflon、FR
‑
4、高纯GaAs、高纯Si、高纯Ge、玻璃或石英。
[0017]进一步地，所述超材料结构具有亚波长尺寸，所述超材料结构的材料采用良导体金属材料、介质材料、重掺杂或不掺杂的半导体材料或高分子材料。
[0018]进一步地，所述光电转换模块是提供载流子的结构，完成光信号到直流电压信号的转换，其具体形状没有具体要求，采用方形、圆形或三角形等常见形状；所述光电转换模块的材料采用n型或p型掺杂的Si、Ge、GaAs、InP等半导体材料；或所述光电转换模块采用MoS2、BN、WS2、MoSe2、WSe2、MXene、石墨烯等二维材料。
[0019]第二方面，本专利技术还提供一种超材料基集成式偏振功率计的测试方法，包括：
[0020]某入射频率的待检测光束入射到超材料基集成式偏振功率计的第一探测基元、第二探测基元和第三探测基元，第一探测基元、第二探测基元和第三探测基元产生的直流电压为V1，V2和V3；
[0021]基于直流电压V1，V2和V3计算得到待检测光束单频点的偏振功率信息，其中，偏振功率信息包括功率密度P0和/或线偏振角度θ。
[0022]进一步地，当测量待检测光束的功率密度P0时，还包括通过已知偏振和功率密度信息的校准光束预先照射超材料基集成式偏振功率计，通过测量第一探测基元、第二探测基元和第三探测基元实际产生的直流电压V1，V2和V3，得到校准的光电转换系数η1，η2和η3的步骤。
[0023]进一步地，第一探测基元、第二探测基元和第三探测基元产生的电压和待检测光束的偏振功率信息满足以下关系：
[0024]θ∈[0,π][0025][0026]其中，当三个探测基元结构参数完全相同时，三个光电转换系数相等，当三个探测基元结构参数不同时，三个光电转换系数不相等。
[0027]进一步地，基于直流电压V1，V2和V3计算得到待检测光束单频点的偏振功率信息的计算公式为：
[0028][0029][0030][0031][0032]进一步地，当需要测量待检测光束中多频点的偏振功率信息时，过程为：包括不同频率的待检测光束同时入射到工作在不同波段的多组探测器件，重复单频点偏振功率信息的测试过程，获得待检测光束中多频点的功率密度P0和/或线偏振角度θ。
[0033]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下特点：
[0034]1、本专利技术提供的超材料基集成式偏振功率计利用超材料结构优异的光学响应特性，可同时测量线偏振角度和功率密度，无需额外的偏振分辨器件和光电测量器件，平面尺度处于亚波长尺寸，极大缩小检测器件尺寸，便于集成，对于工程应用和科学研究都具有重要意义。
[0035]2、本专利技术提供的超材料基集成式偏振功率计整体结构兼容于当前半导体工艺，结构简单，便于制备。
[0036]3、本专利技术提供的超材料基集成式偏振功率计工作波段可以调节，工作原理适用于从射频波段到可见光波段，波长范围可包括400nm～4m。
[0037]综上，本专利技术操作方便、体积小、便于集成、响应波段使用范围广，可以广泛应用于光学测量中。
附图说明
[0038]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0039]图1为本专利技术实施例的超材料基集成式偏振功率计的探测基元结构及光谱响应示意图，其中，图1(a)为本专利技术实施例的超材料基集成式偏振功率计的探测基元示意图，其中，E为电场方向，H为磁场方向，k为波矢传播方向；图1(b)为本专利技术实施例的超材料基集成
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超材料基集成式偏振功率计，其特征在于，该偏振功率计包括：衬底；探测器件，所述衬底上设置有至少一组所述探测器件，每一组所述探测器件均包括三个探测基元，三个所述探测基元在衬底平面内满足三重旋转对称，其中：每一所述探测基元均包括超材料结构和光电转换模块，所述超材料结构用于对入射光束产生响应，所述光电转换模块处于所述超材料结构产生的动态局域电场和动态局域磁场之中，用于实现光信号与直流电压信号的转换。2.根据权利要求1所述的超材料基集成式偏振功率计，其特征在于，三个所述探测基元分别为第一探测基元、第二探测基元和第三探测基元，所述第一探测基元的放置位置定义为对入射光束的最大响应发生在电场与x轴平行的位置，所述第二探测基元的放置位置定义为所述第一探测基元逆时针旋转120度，所述第三探测基元的放置位置定义为所述第一探测基元顺时针旋转度120度，其中，x轴定义为水平方向，y轴定义为竖直方向。3.根据权利要求1或2所述的超材料基集成式偏振功率计，其特征在于，所述偏振功率计的工作模式包括：当包括一组所述探测器件时，用于检测入射光束中单个频点的偏振功率信息；当包括多组不同频率响应的所述探测器件时，用于同时检测入射光束中多个频点的偏振功率信息，其中，所述偏振功率信息包括功率密度和/或线偏振角度。4.根据权利要求1或2所述的超材料基集成式偏振功率计，其特征在于，所述衬底采用低损耗衬底，所述低损耗衬底的材料采用Teflon、FR
‑
4、高纯GaAs、高纯Si、高纯Ge、玻璃或石英。5.根据权利要求1或2所述的超材料基集成式偏振功率计，其特征在于，所述超材料结构具有亚波长尺寸，所述超材料结构的材料采用良导体金属材料、介质材料、重掺杂或不掺杂的半导体材料或高分子材料；所述光电转换模块的材料采用n...

【专利技术属性】
技术研发人员：文永正，赵世强，罗伟嘉，赵润妮，周济，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：