基于介质超表面的单片集成偏振态探测器

Information such as polarization degree, polarization ellipsometry, polarization azimuth angle and polarization rotation can be obtained by detecting the state of polarization (SOP). Polarimeter is widely used in optical fiber communication, polarization imaging, polarized-light navigation, biomedical enginering and other fields. The traditional SOP detecting system is oversized and its optical path is too long while the devices used in the system are discrete. With the development of miniaturization of devices in various applications, it is urgent to develop ultra-compact polarimeter. As the Stokes matrix, which determines the target SOP, can be calculated by the intensities of the three pairs of orthogonal polarization components (0° and 90° linear polarization; 45° and 135° linear polarization; left and right circular polarization), a monolithically integrated polarimeter is proposed. The main idea is to apply the dielectric metasurface’s three substructures to separate the orthogonal polarization components to different spatial positions at the same time. This metasurface has a transmission configuration which enables the integrating of detector on the side of the metasurface’s substrate. All parameters of the Stokes matrix can be obtained simultaneously, so that a real-time, precise, in-line, and anti-interference detection of SOP is achieved. This research provides a new idea for the design of ultra-compact polarimeter, which achieves the requirement of miniaturization of equipments in various application fields and expands the application of metasurface in optical function device. This design has important academic value and broad application prospects.

偏振态探测可以获得光的偏振度、偏振椭率、偏振方位角和偏振旋向等多个维度的信息，广泛应用于光通信、偏振成像、偏振导航、生物医学等领域。基于分立器件的传统偏振态测量系统体积过大、光路过长，随着各种应用设备向微型化发展，迫切需要研发超紧凑的偏振态探测器。根据三对垂直偏振分量（0°和90°线偏振；45°和135°线偏振；左旋和右旋圆偏振）的强度可以确定唯一偏振态的斯托克斯矩阵，据此，本项目提出一种单片集成偏振态探测器，其核心是利用介质超表面的三个子结构分别将上述各垂直偏振分量同时分光到不同空间位置，采用透射式光路结构将探测器集成在超表面基底侧，实现全部斯托克斯参量的同步测量，从而确定唯一的偏振态，具有实时、精准、抗干扰、可在线原位检测等优势。本项目为超紧凑偏振态探测器的设计提供了新的思路，可满足各领域应用设备微型化的需求，同时拓展了超表面在光学功能器件上的应用，具有重要学术价值和广阔应用前景。

偏振态探测可以获得频率与振幅之外的光学信息，在新型材料、生物医学、高速光通信等众多领域有着重要的应用。为了解决传统偏振态探测方案难以实时同步测量、光路复杂、体积庞大、易受干扰，以及分立式元件导致的难以集成化、微型化等问题，本项目提出并优化了一种基于介质超表面的偏振态探测器，其利用透射式介质超表面将待测光的三对垂直偏振分量分离到空间中的不同方位上进行探测，从而同步、快速获得其斯托克斯参量，具备高效率、宽光谱、高集成度和易加工的优势。.本项目采用高对比度（HC）超表面实现垂直线偏光分束元件的设计，采用几何相位（PB）超表面实现左右旋圆偏光分束元件的设计，然后利用孔径复用的方式将四个偏振分束元件集成在一个超表面内构成最终的偏振态探测器。针对传统HC超表面采用离散纳米柱阵列导致的分离角度较小、器件效率较低、适用波段较窄、加工难度较大等问题，提出采用连续梯形纳米柱替代离散纳米柱阵列，由此构成的垂直线偏光分束元件将1550nm的垂直线偏振分量分离到0°和42°方向，仿真偏转率为76%和80%。从器件整体加工和使用的方面考虑，采用与上述HC超表面一致的纳米柱高度，设计并优化了基于PB超表面的左右旋圆偏光分束元件，仿真结果显示该分束元件将1550nm的垂直圆偏光分离到正负15°方向，仿真偏转率为79%和74%。.根据优化后的设计方案，完成了原型器件的加工并测试了其性能，结果显示：在1550nm波段，垂直线偏光分束元件对垂直线偏振分量的偏转率为71%和35%，偏转角为0°和41°；左右旋圆偏光分束元件对垂直圆偏振分量的偏转率为43%和42%，偏转角为正负15°；集成式偏振态探测器实现了各个偏振分量的分离出射，探测效率为40%，偏振态探测误差小于5%。.本项目提出的设计方案可以通过优化工艺进一步提高其探测效率和准确度，适用于1350-1650nm的宽光谱波段，设计思路可推广至其他波段。本项目研究结果为超紧凑、集成且固态化的高效率偏振态探测器的设计提出了新的思路，透射式光路更加适合集成，大尺寸的纳米柱易于加工，拥有巨大应用潜力。