偏振计和确定入射光束的偏振态的方法

1.改进总体涉及偏振计(即光学偏振检测器)，更具体地涉及片上偏振计。


背景技术：

2.光束由振荡的电场和磁场构成，电场和磁场在沿着轴线传播时总是彼此垂直。
3.偏振通常是指场在朝向位于光束传播轴线上的观察者传播时所形成的形状。了解光束的偏振态(state of polarization，sop)在大量应用(例如量子和经典通信、遥感、天文学和生物医学诊断)中可能是重要的。按照惯例，偏振的类型由作为参考的电场确定。比如，线性类型的偏振指示电场从观察者的视点在单个取向内振荡。在圆或椭圆类型的偏振中，电场以相应的圆形或椭圆形旋转。旋转可具有使用右手定则可识别的两个可能方向。如果电场的旋转方向通过右手定则与光束的传播方向有关，则光束是右旋偏振的。如果电场的旋转方向相反地通过左手定则与光束的传播方向有关，则光束是左旋偏振的。
4.通常使用偏振计来量化入射光束的偏振态，该偏振计可以测量表现有任何给定类型的偏振的光束部分的相对重要性。换言之，偏振计将光束分成其主要偏振分量并分别测量它们。尽管现有的偏振计在一定程度上是令人满意的，但是仍然存在改进的空间。


技术实现要素：

5.发现工业中需要避免自由空间传播和分量的基片集成偏振计。在一个方面，描述了一种基于基片的偏振计，该偏振计具有偏振分束器、干涉测量电路和输出波导，该偏振分束器、干涉测量电路和输出波导全部容纳在基片上。这样的基于基片的偏振计可以显著地提高鲁棒性，同时最小化占地面积和成本。在接收到入射光束时，偏振分束器将入射光束偏振分成至少第一光束和第二光束，所述第一光束具有第一偏振分量和所述第二光束具有第二偏振分量。比如，第一光束可以是第一电场分量e
x
，而第二光束可以是与第一电场分量正交的第二电场分量ey。使用干涉测量电路，第一偏振分量和第二偏振分量彼此干涉，以形成第一偏振分量、第二偏振分量、第三偏振分量和第四偏振分量，这些偏振分量可以共同地完全限定入射光束的偏振态。为此，干涉测量电路具有：第一功分器，其将第一光束功分到第一相位延迟波导和第二相位延迟波导中；和第二功分器，其将第二光束功分到第三相位延迟波导和第四相位延迟波导中。干涉测量电路具有：第一偏振耦合器，其将第一相位延迟波导和第三相位延迟波导偏振耦合到彼此，形成第三偏振分量；以及第二偏振耦合器，其将第二相位延迟波导和第四相位延迟波导偏振耦合到彼此，形成第四偏振分量。由于第三相位延迟波导和第四相位延迟波导相对于第一相位延迟波导和第二相位延迟波导是不对称的，所以第三偏振分量和第四偏振分量彼此互补。由此可见，偏振计具有基于基片的输出波导，各个输出波导输出相应的一个如此分离的偏振分量。在测量偏振分量的强度并考虑干涉测量电路的干涉测量图案时，可以完全确定入射光束的偏振态。
6.根据本发明的第一方面，提供了一种偏振计，包括：基片；在所述基片上的偏振分束器，所述偏振分束器接收入射光束并将所述入射光束偏振分成至少第一光束和第二光
束，所述第一光束具有第一偏振分量和所述第二光束具有第二偏振分量；在所述基片上的干涉测量电路，其具有：第一功分器，其将所述第一光束功分到第一相位延迟波导和第二相位延迟波导中；第二功分器，其将所述第二光束功分到相对于所述第一相位延迟波导和所述第二相位延迟波导不对称的第三相位延迟波导和第四相位延迟波导中；第一偏振耦合器，其将所述第一相位延迟波导和所述第三相位延迟波导偏振耦合到彼此，形成第三偏振分量；以及第二偏振耦合器，其将所述第二相位延迟波导和所述第四相位延迟波导偏振耦合到彼此，形成第四偏振分量；以及多个输出波导，其输出所述偏振分量，其中，所述偏振分量的强度和所述干涉测量电路的干涉测量图案指示入射光束的偏振态。
7.进一步根据本发明的第一方面，偏振计可以例如还包括在所述基片上的第一检测器单元、第二检测器单元、第三检测器单元和第四检测器单元，各个检测器单元接收所述偏振分量中相应的一者，并且生成指示所述强度的第一信号、第二信号、第三信号和第四信号中相应的一者。
8.更进一步根据本发明的第一方面，所述第一检测器单元、所述第二检测器单元、所述第三检测器单元和所述第四检测器单元可以例如各自具有在基片上的光电检测器，光电检测器测量偏振分量的给定谱分量的强度。
9.更进一步根据本发明的第一方面，偏振计可以例如还包括控制器，其通信地耦合到所述第一检测器单元、所述第二检测器单元、所述第三检测器单元和所述第四检测器单元，所述控制器具有处理器和上面存储有指令的存储器，指令在由所述处理器执行时执行以下步骤：基于所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号和所述第四信号以及基于所述干涉测量图案来确定所述入射光束的偏振态。
10.更进一步根据本发明的第一方面，所述确定可以例如包括确定多个偏振态，各个偏振态与入射光束的多个谱分量中相应的一者相关联。
11.更进一步根据本发明的第一方面，所述第一检测器单元、所述第二检测器单元、所述第三检测器单元和所述第四检测器单元可以例如还具有测量偏振分量的多个谱分量的强度的光谱分析仪。
12.更进一步根据本发明的第一方面，所述光谱分析仪可以例如具有可调谐滤波器，其可调谐，以将所述谱分量中给定的一者朝向测量所述谱分量中选定的一者的强度的光电检测器引导。
13.更进一步根据本发明的第一方面，所述第一相位延迟波导、所述第二相位延迟波导、所述第三相位延迟波导和所述第四相位延迟波导可以例如具有对应的亚波长光栅。
14.更进一步根据本发明的第一方面，所述第一光束可以例如具有第一电场分量，并且所述第二光束具有与所述第一电场分量正交的第二电场分量，所述第一偏振分量、所述第二偏振分量、所述第三偏振分量和所述第四偏振分量是所述第一电场分量和所述第二电场分量的线性组合。
15.更进一步根据本发明的第一方面，所述干涉测量图案可以例如指示所述线性组合。
16.更进一步根据本发明的第一方面，所述第一相位延迟波导、所述第二相位延迟波导、所述第三相位延迟波导和所述第四相位延迟波导可以例如具有第一相位延迟θ1、第二相位延迟θ2、第三相位延迟θ3和第四相位延迟θ4中相应的一者，并且至少所述第一相位延迟
θ1和所述第四相位延迟θ4彼此不同。
17.更进一步根据本发明的第一方面，所述第一偏振分量的强度i1可以例如指示所述第一光束的强度，所述第二偏振分量的强度i2指示所述第二光束的强度，强度i3表示所述第三偏振分量的强度，并且强度i4表示所述第四偏振分量的强度。
18.更进一步根据本发明的第一方面，所述干涉测量图案可以例如由合成矩阵w1表示，其中，所述入射光束的所述偏振态s可使用与以下等式成比例的等式来确定：
19.s＝w1·
i，
20.其中，s是表示所述入射光束的所述偏振态(s0,s1,s2,s3)
t
的矢量，而i是表示所述强度(i1,i2,i3,i4)
t
的矢量。
21.更进一步根据本发明的第一方面，合成矩阵w1可以例如由与以下矩阵等同的矩阵给出：
[0022][0023]
更进一步根据本发明的第一方面，所述偏振分束器可以例如具有各自输出所述第一光束的第一分束器输出和第二分束器输出、以及各自输出所述第二光束的第三分束器输出和第四分束器输出，所述第一分束器输出和所述第二分束器输出中的一者光学耦合到所述第一功分器，第三分束器输出和第四分束器输出中的一者光学耦合到所述第二功分器。
[0024]
更进一步根据本发明的第一方面，所述干涉测量电路可以例如具有第一干涉测量电路，所述偏振计还包括在所述基片上的第二干涉测量电路，其形成所述第一偏振分量和所述第二偏振分量，作为所述第一光束和所述第二光束的线性组合。
[0025]
更进一步根据本发明的第一方面，偏振计可以例如还包括：第一非对称功分器，其将所述第一光束朝向所述第一干涉测量电路的所述第一功分器和所述第二干涉测量电路的第一功分器进行功分；和第二非对称功分器，其将第二光束朝向所述第一干涉测量电路的所述第二功分器和所述第二干涉测量电路的所述第二功分器进行功分，第一非对称功分器和第二非对称功分器以耦合因子pr朝向第二干涉测量电路进行耦合，并且以互补耦合因子pr’＝1-pr朝向第一干涉测量电路进行耦合。
[0026]
更进一步根据本发明的第一方面，所述干涉测量图案可以例如由与以下矩阵等同的合成矩阵w2表示：
[0027][0028]
其中，τ表示pr/(1-pr)。
[0029]
更进一步根据本发明的第一方面，所述第一功分器和所述第二功分器可以例如具有大约50％的分光比。
[0030]
更进一步根据本发明的第一方面，所述输出波导可以例如沿着所述基片朝向其公
共区域延伸。
[0031]
更进一步根据本发明的第一方面，所述偏振分束器可以例如是表面光栅。
[0032]
根据本发明的第二方面，提供了一种确定入射光束的偏振态的方法，方法包括：所述入射光束撞击在具有偏振分束器的基片上；所述偏振分束器将所述入射光束偏振分成至少第一光束和第二光束，所述第一光束具有第一偏振分量和所述第二光束具有第二偏振分量；使所述第一光束和所述第二光束传播穿过具有在所述基片上延伸的波导的干涉测量电路；所述干涉测量电路根据干涉测量图案使所述第一光束和所述第二光束彼此干涉，这包括使所述第一光束和所述第二光束相对于彼此不对称地相位延迟，以形成第三偏振分量和第四偏振分量，所述偏振分量完全确定所述入射光束的所述偏振态；同时测量所述偏振分量的强度；以及使用控制器，基于所述测量的强度和所述干涉测量图案来确定所述偏振态。
[0033]
进一步根据本发明的第二方面，所述第一光束可以例如具有第一电场分量，并且所述第二光束具有与所述第一电场分量正交的第二电场分量，所述第一偏振分量、所述第二偏振分量、所述第三偏振分量和所述第四偏振分量是所述第一电场分量和所述第二电场分量的线性组合。
[0034]
根据本发明的第三方面，提供了一种偏振成像器，包括：基片；多个偏振分束器，其在基片上彼此隔开，用于接收对应的隔开的入射光束，偏振分束器将所述多个隔开的入射光束中相应的一者偏振分成至少第一光束和第二光束，所述第一光束具有第一偏振分量和所述第二光束具有第二偏振分量；多个干涉测量电路，其光学耦合到一个或多个偏振分束器，所述干涉测量电路使第一光束和第二光束彼此干涉，以形成至少第三偏振分量和第四偏振分量，偏振分量完全限定各个所述隔开的入射光束的偏振态；多个输出波导，其输出所述入射光束的所述偏振分量，其中，所述偏振分量的强度和所述干涉测量电路的干涉测量图案指示所述入射光束的所述偏振态。
[0035]
进一步根据本发明的第三方面，各个干涉测量电路可以例如具有在所述基片上的干涉测量电路，该干涉测量电路具有：第一功分器，其将所述第一光束功分到第一相位延迟波导和第二相位延迟波导中；第二功分器，其将所述第二光束功分到相对于所述第一相位延迟波导和所述第二相位延迟波导不对称的第三相位延迟波导和第四相位延迟波导中；第一偏振耦合器，其将所述第一相位延迟波导和所述第三相位延迟波导偏振耦合到彼此，形成第三偏振分量；以及第二偏振耦合器，其将所述第二相位延迟波导和所述第四相位延迟波导偏振耦合到彼此，形成第四偏振分量。
[0036]
更进一步根据本发明的第三方面，偏振成像器可以例如还包括在所述基片上的检测器单元，各个检测器单元接收所述入射光束的所述偏振分量中相应的一者，并且生成指示所述强度的第一信号、第二信号、第三信号和第四信号中相应的一者。
[0037]
更进一步根据本发明的第三方面，偏振成像器可以例如还包括控制器，其通信地耦合到所述第一检测器单元、所述第二检测器单元、所述第三检测器单元和所述第四检测器单元，所述控制器具有处理器和上面存储有指令的存储器，指令在由所述处理器执行时执行以下步骤：基于所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号和所述第四信号以及基于所述干涉测量图案来确定所述入射光束的偏振态；以及基于所述偏振态生成偏振图像。
[0038]
根据本发明的第四方面，提供了一种偏振计，包括：基片；在所述基片上的偏振分束器，其接收具有给定偏振态的入射光束，并将所述入射光束偏振分成至少第一光束和第
二光束，所述第一光束具有第一偏振分量和所述第二光束具有第二偏振分量；在所述基片上的干涉测量电路，其具有接收所述第一偏振分量和所述第二偏振分量中相应的一者的第一相位延迟波导和第二相位延迟波导；多模干涉耦合器，其将第一偏振分量和第二偏振分量彼此耦合，并且将偏振分量朝向第三相位延迟波导和第四相位延迟波导分离；以及多模耦合器，其将第三相位延迟波导和第四相位延迟波导彼此耦合，从而基于第一偏振分量和第二偏振分量的干涉形成第三偏振分量和第四偏振分量，其中，至少第一相位延迟波导和第三相位延迟波导相对于彼此不对称；输出波导，其输出偏振分量，其中，所述偏振分量的强度和所述干涉测量电路的干涉测量图案指示入射光束的谱分辨偏振态。
[0039]
进一步根据本发明的第四方面，偏振计可以例如还包括光谱分析仪，其光学耦合到输出波导，并且在多个谱分量处测量偏振分量的强度。
[0040]
更进一步根据本发明的第四方面，偏振计可以例如还包括控制器，其通信地耦合到所述光谱分析仪，所述控制器具有处理器和上面存储有指令的存储器，指令在由所述处理器执行时执行以下步骤：基于测量的强度以及基于所述干涉测量图案来确定所述入射光束的谱分辨偏振态。
[0041]
根据本发明的第五方面，提供了一种执行光谱偏振测定测量的方法，方法包括：接收具有谱变化偏振态的入射光束；将入射光束偏振分成具有相应偏振分量的多个光束；根据干涉测量图案使多个光束彼此干涉，在干涉测量图案中，所述相应偏振分量经历相应时间延迟；测量多个光束的光谱，光谱具有谱上隔开的强度值；以及基于干涉测量图案和测量的光谱确定入射光束的谱变化偏振态。
[0042]
进一步根据本发明的第五方面，方法可以例如还包括将光谱从谱域表示变换成时域表示，从而获得示出在对应时间延迟的偏振分量的时间上隔开的强度值。
[0043]
更进一步根据本发明的第五方面，方法可以例如还包括将偏振分量彼此隔离，并且将如此隔离的偏振分量从时域变换到谱域，从而获得与偏振分量相关联的离散光谱。
[0044]
更进一步根据本发明的第五方面，所述将光谱从谱域表示变换成时域表示可以例如包括执行光谱的傅里叶逆变换。
[0045]
更进一步根据本发明的第五方面，所述将如此隔离的偏振分量从时域变换到谱域可以例如包括执行如此隔离的偏振分量的傅里叶变换。
[0046]
根据本发明的第六方面，提供了一种偏振计，包括：基片；在所述基片上的偏振分束器，所述偏振分束器接收入射光束并将所述入射光束偏振分成至少第一光束和第二光束，所述第一光束具有第一偏振分量和所述第二光束具有第二偏振分量；所述基片上的干涉测量电路，其使第一光束和第二光束彼此干涉，从而形成第三偏振分量和第四偏振分量，偏振分量完全限定入射光束的偏振态；多个输出波导，其输出所述偏振分量；以及在所述基片上的光谱分析仪，光谱分析仪光学耦合到多个输出波导，并且测量偏振分量的多个谱分量的强度，所测量的强度指示入射光束的谱分辨偏振态。
[0047]
在阅读本发明之后，本领域技术人员将清楚关于本改进的许多另外特征及其组合。
附图说明
[0048]
在附图中，
[0049]
图1是根据一个或多个实施例的安装在基片上的偏振计的第一示例的示意图，示出了偏振分束器、干涉测量电路、检测器单元和控制器；
[0050]
图2是根据一个或多个实施例的用于确定入射光束的偏振态的方法的示例的流程图；
[0051]
图3是根据一个或多个实施例的图1的控制器的计算设备的示例的示意图；
[0052]
图4是根据一个或多个实施例的安装在基片上的偏振计的第二示例的示意图，其中，θ1、θ2、θ3和θ4表示各个相位延迟波导的相位延迟，并且i1、i2、i3和i4表示各个波导输出处的强度；
[0053]
图5a示出了根据一个或多个实施例的与其自由空间对应物对比示出的基于基片的偏振分束器的示例的斜视图；
[0054]
图5b示出了根据一个或多个实施例的与其自由空间对应物对比示出的基于基片的偏振耦合器分束器的示例的斜视图；
[0055]
图5c示出了根据一个或多个实施例的与其自由空间对应物对比示出的基于基片的相位延迟波导的示例的斜视图；
[0056]
图6是示出了根据一个或多个实施例的图4的偏振计的条件数作为(θ
1-θ3))和(θ
4-θ2)的函数的曲线图；
[0057]
图7是示出了根据一个或多个实施例的图4的偏振计的噪声方差偏移作为(θ
1-θ3))和(θ
4-θ2)的函数的曲线图；
[0058]
图8a是根据一个或多个实施例的图4的偏振计的扫描电子显微镜图像，其中插图示出了偏振分束器的放大图；
[0059]
图8b是示出了根据一个或多个实施例的图8a的偏振分束器的效率作为波长的函数的曲线图；
[0060]
图9是根据一个或多个实施例的测试图4的偏振计的实验装置的示例的示意图；
[0061]
图10是示出了根据一个或多个实施例的使用图9的实验装置和商业自由空间偏振计两者测量的不同光束的偏振分量的曲线图；
[0062]
图11是示出了根据一个或多个实施例的使用图4的偏振计测量的入射光束的偏振分量作为入射光束的谱分量的函数的曲线图；
[0063]
图12是根据一个或多个实施例的偏振计的第三示例的示意图，示出有通向第一干涉测量电路和第二干涉测量电路的非对称功分器；
[0064]
图13是根据一个或多个实施例的图12的非对称功分器的示例的示意图；
[0065]
图14是示出了根据一个或多个实施例的图12的偏振计的条件数作为(θ
′
1-θ
′3))和(θ
′
4-θ
′2)的函数的曲线图；
[0066]
图15是示出了根据一个或多个实施例的使用图12的偏振计和商业自由空间偏振计两者测量的不同光束的偏振分量的曲线图；
[0067]
图16是根据一个或多个实施例的偏振计的第四示例的俯视图，示出有偏振分束器，该偏振分束器设置成光学耦合到偏振分束器旋转器的边缘耦合器的形式；
[0068]
图17是根据一个或多个实施例的偏振计的第五示例的示意图，示出有作为各个相位延迟波导的一部分的非对称亚波长光栅；
[0069]
图18是根据一个或多个实施例的图17的偏振计的两个非对称亚波长光栅的放大
图；
[0070]
图19是示出了根据一个或多个实施例的由图18的非对称亚波长光栅赋予的相位差作为入射光束的谱分量的函数的曲线图；
[0071]
图20是示出了根据一个或多个实施例的图17的偏振计的非对称功分器的耦合系数的谱和由图17的偏振计赋予的相位差的谱的曲线图；
[0072]
图21是示出了根据一个或多个实施例的在补偿之后由图17的偏振计赋予的相位差的谱的曲线图；
[0073]
图22是根据一个或多个实施例的偏振计的第六示例的示意图，示出有设置成光谱分析仪的形式的检测器单元，各个光谱分析仪具有可调谐滤波器和光电检测器组件；
[0074]
图23是根据一个或多个实施例的用于操作图22的可调谐滤波器的加热功率的谱的曲线图；
[0075]
图24是示出了根据一个或多个实施例的光电流谱的曲线图，该光电流谱表示图22的可调谐滤波器的分出(drop)端口的另一透射谱；
[0076]
图25是示出了根据一个或多个实施例的光电流谱的曲线图，该光电流谱表示图34e的串联耦合的双微环谐振器的分出端口的透射谱；
[0077]
图26是根据一个或多个实施例的基于基片的偏振成像器的示例的示意图，该偏振成像器结合了多个偏振计，各个偏振计用作对应的像素元件；
[0078]
图26a是根据一个或多个实施例的图26的偏振成像器的放大图，示出了图26的插图26a；
[0079]
图26b是根据一个或多个实施例的图26的偏振成像器的放大图，示出了图26的插图26b；
[0080]
图27是根据一个或多个实施例的分光偏振计的另一示例的示意图，示出有结合了多模干涉仪和光谱分析仪的干涉测量电路；
[0081]
图28a是根据一个或多个实施例的图27的光谱分析仪的示例的示意性局部视图；
[0082]
图28b是示出了根据一个或多个实施例的强度作为波长的函数的曲线图，示出了图27的分光偏振计的分辨率；
[0083]
图29是根据一个或多个实施例的执行光谱偏振测定测量的方法的示例的流程图；
[0084]
图30a是根据一个或多个实施例的光谱的示例，示出了谱上隔开的强度值；
[0085]
图30b是根据一个或多个实施例的图30a的光谱的时域表示的示例；以及
[0086]
图30c是示出了根据一个或多个实施例的与不同偏振分量相关联的示例性离散光谱的曲线图。
具体实施方式
[0087]
图1示出了根据本发明的偏振计100的第一示例。如所描述的，偏振计100是基于基片的。换言之，偏振计100具有在基片102上彼此光学耦合的不同光学组件。比如，光学组件可以永久地固定、集成、堆叠、沉积或以其他方式支撑在基片102上。基片102可以由各种材料(例如通常用于光子集成电路(photonic-integrated circuit，pic)中的材料)形成。这样的材料的示例包括但不限于磷化铟、硅、氮化硅和锗，其中波导引导从电磁谱的可见区到长波红外区的光。更具体地，在该具体实施例中，光学组件可以包括但不限于偏振分束器
104、干涉测量电路106、检测器单元108和控制器110。如以下将描述的，偏振计1000接收具有未知偏振态[s0*,s1*,s2*,s3*]的入射光束10，然后处理入射光束10，以便确定其给定偏振态[s0,s1,s2,s3]。
[0088]
如图例示，偏振计100具有在基片102上的偏振分束器104。偏振分束器104接收入射光束10，并将其偏振分成至少第一光束12和第二光束14，所述第一光束12具有第一偏振分量和所述第二光束14具有第二偏振分量。
[0089]
偏振计100具有光学耦合到偏振分束器104的干涉测量电路106。干涉测量电路106从偏振分束器104接收第一光束12和第二光束14。一旦接收到，干涉测量电路106就根据干涉测量图案112执行第一光束12与第二光束14之间的干涉，从而产生四个分离的偏振分量，这些偏振分量完全限定了入射光束10的偏振态[s0,s1,s2,s3]。
[0090]
更具体地，干涉测量电路106具有：第一功分器114a，其将第一光束12功分到第一相位延迟波导116a和第二相位延迟波导116b中；以及第二功分器114b，其将第二光束14功分到第三相位延迟波导116c和第四相位延迟波导116d中。在该示例中，第一功分器114a和第二功分器114b可以具有大约50％的分光比。干涉测量电路106具有：第一偏振耦合器118a，其将第一相位延迟波导116a和第三相位延迟波导116c偏振耦合到彼此，形成第三偏振分量；以及第二偏振耦合器118b，其将第二相位延迟波导116b和第四相位延迟波导116d偏振耦合到彼此，形成第四偏振分量。如图所示，第三相位延迟波导116c和第四相位延迟波导116d相对于第一相位延迟波导116a和第二相位延迟波导116b是不对称的。由于这两对相位延迟波导之间的不对称性，第三偏振分量和第四偏振分量是第一偏振分量和第二偏振分量的两个不同的线性组合，从而完全限定入射光束10的偏振态[s0,s1,s2,s3]。
[0091]
由此可见，偏振计110具有输出波导120，其光学耦合到干涉测量电路106，从而输出偏振分量。如以下将讨论的，当利用干涉测量电路106的干涉测量图案112的知识处理时，偏振分量的强度指示入射光束10的偏振态。
[0092]
在该具体示例中，偏振计100具有在基片102上的第一检测器单元、第二检测器单元、第三检测器单元和第四检测器单元122。各个检测器单元122接收由输出波导120输出的偏振分量中相应的一者，并且生成指示偏振分量的强度的第一信号、第二信号、第三信号和第四信号中相应的一者。注意，尽管检测器单元122在该示例中被示出在基片102上，但是检测器单元122不必在基片102上。在一些实施例中，检测器单元122光学耦合到输出波导120而不在基片102上。比如，输出波导120可以通向检测器单元122光学耦合到的边缘耦合器。在这些实施例中，输出波导120可以沿着基片朝向其公共区域(例如朝向边缘耦合器或任何其他类型的输出组件)延伸。然而，在另一些实施例中，检测器单元122可不共享基片102的公共区域。由此可见，在至少一些实施例中，检测器单元122可远离基片102。
[0093]
仍然参考图1，偏振计100具有基于基片的控制器110，其通信地耦合到检测器单元122。控制器110具有处理器和非瞬态存储器，非瞬态存储器上存储有指令，当由处理器执行时，指令可基于第一信号、第二信号、第三信号和第四信号以及基于干涉测量电路106的干涉测量图案112来确定入射光束10的偏振态[s0,s1,s2,s3]。如在该示例中示意性地示出的，与干涉测量图案112有关的信息124可以存储在控制器110的存储器上，用于基于测量的强度确定入射光束10的偏振态[s0,s1,s2,s3]。控制器110不必在基片102上。在一些实施例中，控制器110远离基片102。
[0094]
现在参考图2，其示出了确定入射光束的偏振态的方法200的流程图。
[0095]
在步骤202，在基于基片的偏振分束器上接收具有给定偏振态的入射光束。
[0096]
在一些实施例中，偏振分束器设置成具有两个、四个或更多个分束器输出的表面光栅的形式。在这些实施例中，入射光束通常相对于基片倾斜或竖直地撞击。在另一些实施例中，偏振分束器设置成包括边缘耦合器和偏振分束器旋转器的组件的形式。在这样的实施例中，当入射光束撞击在边缘耦合器上时，入射光束大致平行于基片的表面。偏振分束器旋转器可以具有不同的波导结构。例如，在一些实施例中，偏振分束器旋转器具有接收入射光的输入波导，该入射光被分解成基本准横向电(te0)模和基本准横向磁(tm0)模。偏振分束器旋转器然后通过支持混合偏振模的非对称光耦合器传播这些模。非对称光耦合器将tm0模耦合到另一波导，并同时将其转换成te0模。在另一些实施例中，te0模和tm0模通过后面是非对称光耦合器的多模混合偏振波导传播。多模混合偏振波导将tm0模转换成二阶准横向电模(te1)，而非对称光耦合器将te1模耦合到另一波导中的te0模，从而偏振分离入射光束。也可以使用其它类型的偏振分束器，例如使用具有偏振相关响应的纳米颗粒或电介质结构。
[0097]
在步骤204，基于基片的偏振分束器将入射光束偏振分成至少第一光束和第二光束，所述第一光束具有第一偏振分量和所述第二光束具有第二偏振分量。
[0098]
在一些实施例中，第一偏振分量和第二偏振分量可以彼此正交。在这些实施例中，第一偏振分量可以以0
°
或水平线偏振来偏振，而第二偏振分量可以以90
°
或竖直线偏振来偏振。类似地，第一偏振分量可以由第一电场分量e
x
构成，而第二偏振分量可以由与第一电场分量ey正交的第二电场分量ey构成。
[0099]
如上所述，偏振分束器可以具有多个分束器输出，其输出从入射光束分离的第一光束和第二光束。在一些实施例中，偏振分束器具有四个分束器输出，其中两个分束器输出输出第一光束，另两个分束器输出输出第二光束。在一些实施例中，偏振分束器具有两个分束器输出，各个分束器输出输出第一光束和第二光束中相应的一者。下面描述具有这样的二路或四路偏振分束器的偏振计的示例。
[0100]
在步骤206，将第一光束和第二光束传播穿过具有在基片上延伸的波导的基于基片的干涉测量电路。
[0101]
在具有四路偏振分束器的实施例中，传播第一光束和第二光束的两个分束器输出可以直接通向各自的输出波导而没有太多干扰。在这些实施例中，第一偏振分量和第二偏振分量分别由第一光束和第二光束构成。另外两个分束器输出通向干涉测量电路，在干涉测量电路中，第一光束和第二光束彼此干涉，以形成第三偏振分量和第四偏振分量。在具有二路偏振分束器的实施例中，第一光束和第二光束可以使用多于一个干涉测量电路来干涉，以提供完全限定入射光束的偏振态的四个不同的偏振分量。
[0102]
在步骤208，使第一光束和第二光束根据干涉测量图案彼此干涉，这包括使第一光束和第二光束相对于彼此不对称地相位延迟，从而形成额外的偏振分量。
[0103]
在该步骤中，如果第一光束和第二光束根据对称干涉测量图案彼此干涉，则第三偏振分量和第四偏振分量将彼此等同，这将仅部分地限定入射光束的偏振态。通过结合非对称干涉测量图案，步骤208确保了第一光束和第二光束以第三偏振分量和第四偏振分量具有入射光束的偏振态的不同方面的方式彼此干涉。因此，入射光束的偏振态可以完全由
第一偏振分量、第二偏振分量、第三偏振分量和第四偏振分量确定。
[0104]
在步骤210，测量偏振分量的强度。在一些实施例中，测量的强度可以是对应信号的峰值强度，而在另一些实施例中，测量的强度可以是对应信号的曲线下的区域。强度可以使用与对应的波导输出光学耦合的相应光电检测器(例如光电二极管(photodiode，pd))并且测量对应偏振分量的强度来测量。在这些实施例中，光电检测器可测量给定单色谱带内的强度。由此可见，入射光束的偏振态可以仅与一个谱分量或谱带相关联。然而，在另一些实施例中，检测器单元可以具有测量各个偏振分量的多个谱分量的强度的光谱分析仪。在这些实施例中，入射光束的偏振态可以包括多个偏振态，各个偏振态与入射光束的谱分量中相应的一者相关联。换言之，根据检测器单元的构造，偏振计可以是确定入射光束的谱分辨偏振态的分光偏振计。
[0105]
在步骤212，基于测量的强度和步骤208的干涉测量图案来确定入射光束的偏振态。
[0106]
如上所述，第一光束可以具有第一电场分量，而第二光束可以具有与第一电场分量正交的第二电场分量。在这些实施例中，第一偏振分量、第二偏振分量、第三偏振分量和第四偏振分量可以是第一电场分量和第二电场分量的线性组合。干涉测量图案从而指示这些线性组合。比如，令s表示入射光束的偏振态(s0,s1,s2,s3)
t
，其中s0、s1、s2和s3表示斯托克斯参数(即量化任何给定偏振态的典型方式)，i表示使用检测器单元测量的第一偏振分量、第二偏振分量、第三偏振分量和第四偏振分量的强度(i1,i2,i3,i4)
t
，w表示代表干涉测量图案的矩阵。入射光束的偏振态s可以使用与以下等式等同的等式来确定：
[0107]s∝w·iꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0108]
因此，在了解由矩阵w表示的干涉测量电路的干涉测量图案的情况下，可以基于测量的强度(i1,i2,i3,i4)
t
来找回入射光束的偏振态。下面描述矩阵w的其他示例。
[0109]
确定入射光束偏振态所执行的计算可以由控制器执行。在一些实施例中，当测量强度时，计算可以准实时地发生，而在另一些实施例中，测量的强度可以存储在控制器的存储器上用于随后的计算。控制器可以设置为硬件和软件组件的组合。硬件组件可以实现成计算设备300的形式，参考图3描述了其示例。
[0110]
如所描述的，计算设备300可以具有处理器302、存储器304和i/o接口306。用于确定入射光束的偏振态的指令308可以存储在存储器304上，并且可以由处理器302访问。比如，以矩阵w表述的干涉测量图案可以存储在存储器304上，并且可以由处理器302访问。
[0111]
处理器302可以是例如通用微处理器或微控制器、数字信号处理(digital signal processing，dsp)处理器、集成电路、现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)、可重新配置的处理器、可编程只读存储器(programmable read-only memory，prom)或其任何组合。
[0112]
存储器304可以包括位于内部或外部的任何类型的计算机可读存储器的适当组合，例如随机存取存储器(random-access memory，ram)、只读存储器(read-only memory，rom)、光盘只读存储器(compact disc read-only memory，cdrom)、电光存储器、磁光存储器、可擦可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，eprom)和电可擦可编程只读存储器(electrically-erasable programmable read-only memory，eeprom)、铁电ram(ferroelectric ram，fram)等。干涉测量图案可以存储在存储器304上并且可由处
理器302访问。
[0113]
各个i/o接口306使得计算设备300能够与一个或多个输入设备(例如一个或多个光检测器、键盘、鼠标、指针)互连，或者与一个或多个输出设备(例如显示器、远程网络等)互连。
[0114]
各个i/o接口306使得控制器能够通过连接到网络(或多个网络)来与其他组件通信，与其他组件交换数据，访问并连接到网络资源，服务于应用，以及执行其他计算应用，网络能够承载数据，包括因特网、以太网、普通老式电话服务(plain old telephone service，pots)线路、公共交换电话网(public switch telephone network，pstn)、综合服务数字网(integrated services digital network，isdn)、数字用户线(digital subscriber line，dsl)、同轴电缆、光纤、卫星、移动、无线(例如wi-fi、wimax)、ss7信令网、固定线路、局域网、广域网、以及其他网络，包括这些网络的任意组合。
[0115]
上述计算设备300仅意指示例。如本领域技术人员将清楚的，还可以提供控制器的其他合适的实施例。
[0116]
图4是安装在基片上的偏振计400的第二示例的示意图。如所描述的，相位延迟波导416a、416b、416c和416d具有各自的相位延迟θ1、θ2、θ3和θ4，并且波导输出420通向将使用对应的检测器单元测量的强度i1、i2、i3和i4。在该示例中，偏振计400是使用cmos兼容光子制造工艺的硅光子(silicon photonic，sip)四光电检测器(pd)振幅分割偏振计(4photodetector division-of-amplitude polarimeter，4pd-doap)。偏振计400的设计目标是使光学组件的数量最小化。
[0117]
如所描述的，偏振计400具有基片402、在基片402上的偏振分束器404和在基片402上延伸并输出第一偏振分量、第二偏振分量、第三偏振分量和第四偏振分量的输出波导420。在该示例中，基片402设计用于标准的220nm厚的绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)晶片。
[0118]
偏振分束器404接收具有给定偏振态的入射光束10，并将其偏振分成至少具有第一光束12和第二光束14，所述第一光束12具有第一偏振分量和所述第二光束14具有第二偏振分量。
[0119]
在该示例中，偏振分束器404是具有四个分束器输出的四路偏振分束器。如图所示，两个分束器输出将第一光束12和第二光束14直接传播到各自的输出波导420，而没有太多的干扰。另外两个分束器输出通向干涉测量电路406，在干涉测量电路中，第一光束12和第二光束14彼此干涉，以形成第三偏振分量和第四偏振分量。
[0120]
干涉测量电路406具有：第一功分器414a，其将第一光束12功分到第一相位延迟波导416a和第二相位延迟波导416b中；以及第二功分器414b，其将第二光束14功分到第三相位延迟波导416c和第四相位延迟波导416d中。干涉测量电路406还具有：第一偏振耦合器418a，其将第一相位延迟波导416a和第三相位延迟波导416c偏振耦合到彼此，形成第三偏振分量；以及第二偏振耦合器418b，其将第二相位延迟波导416b和第四相位延迟波导416d偏振耦合到彼此，形成第四偏振分量。
[0121]
如可以理解的，在该具体示例中，偏振计400的组件以如下方式彼此光学耦合。偏振分束器具有输出第一光束的第一分束器输出和第二分束器输出以及输出第二光束的第三分束器输出和第四分束器输出。在该示例中，第一分束器输出和第三分束器输出光学耦
合到通向相应检测器单元的对应输出波导。第二分束器输出通向第一功分器，而第四分束器输出经由对应的波导通向第二功分器。如上所述，第一功分器接收来自第二分束器输出的第一光束，并输出第一相位延迟波导和第二相位延迟波导。第二功分器接收来自第四分束器输出的第二光束，并输出第三相位延迟波导和第四相位延迟波导。第一偏振耦合器接收第一相位延迟波导和第三相位延迟波导，从而将第一光束和第二光束彼此耦合，并通向对应的输出波导。类似地，第二偏振耦合器接收第二相位延迟波导和第四相位延迟波导，从而以不对称的方式将第一光束和第二光束彼此耦合，并且通向对应的输出波导。
[0122]
如上所述，第三相位延迟波导416c和第四相位延迟波导416d相对于第一相位延迟波导416a和第二相位延迟波导416b是不对称的。更具体地，在该示例中，第一相位延迟波导416a、第二相位延迟波导416b、第三相位延迟波导416c和第四相位延迟波导416d具有第一相位延迟θ1、第二相位延迟θ2、第三相位延迟θ3和第四相位延迟θ4中相应的一者，其中至少第一相位延迟θ1和第四相位延迟θ4彼此不同。
[0123]
如图所示，输出波导420朝向基片402的公共部分402a输出第一偏振分量、第二偏振分量、第三偏振分量和第四偏振分量，在该公共部分，可以测量偏振分量的强度。如该示例所示，第一偏振分量的强度i1指示第一光束12的强度，第二偏振分量的强度i2指示第二光束14的强度，强度i3表示由第一光束12和第二光束14的线性组合产生的第三偏振分量的强度，并且强度i4表示由第一光束12和第二光束14的不同线性组合产生的第四偏振分量的强度。
[0124]
偏振计400可以产生最佳调节的偏振计的完整分析矩阵。具体地，偏振计400是振幅分割偏振计(doap)，其将入射光束分成若干光束，以用于快速、同时测量。由于斯托克斯矢量的完全重建原则上仅需要四个强度测量，偏振计400的干涉测量电路406以提供四个偏振分量的方式分离入射光束10，从这些偏振分量可以重建入射光束的完整偏振态(sop)。
[0125]
如上所述，sop的特征通常在于4
×
1斯托克斯矢量。因此，sop的完全重建需要最少四个不同的测量，这可以通过将斯托克斯矢量投影到由偏振计的米勒矩阵(分析矩阵)确定的四个或更多个分析状态上来实现。在传统的自由空间光学系统中，这种操作可以通过旋转偏振片或通过延迟器结合固定偏振片来实现。在pic中，这可以通过波导干涉仪来实现，而不需要机械移动零件。比如，图5a至图5c示出了通常用在自由空间斯托克斯偏振计中的一些自由空间光学组件500’的pic对应物500。表面偏振分束器(surface polarization splitter，sps)可以分解两个正交电场分量(e
x
和ey)，各个分量耦合(理想地具有相等功率)到在相反方向上引导的两个单模波导中。如图5a所示，sps在常规自由空间光学系统中用作组合的偏振分束器(polarization beam splitter，pbs)和半波片(half-wave plate，hwp)。片上光束组合器(即，3-db y分支)相干地组合e
x
和ey(在自由空间中正交，但是在两个波导中耦合到相同模)，如图5b所示，输出其等同于45
°
线偏振片。图5c示出了用作延迟器的两个相位延迟波导，由于两个波导的不同长度，这两个相位延迟波导可以在e
x
与ey之间引入相位差。
[0126]
偏振计400将斯托克斯矢量转换成可以由pd检测的一系列强度。分析矩阵w定义了变换：
[0127]
i＝w
·
s+n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0128]
其中，s＝(s0,s1,s2,s3)
t
是输入斯托克斯矢量，i＝(i1,i2,
…
,in)
t
是表示测量的
强度的n维矢量，以不与单位矩阵混淆。pd的噪声贡献是n。估计的斯托克斯矢量由下式给出：
[0129][0130]
其中，表示w的广义逆，也称为合成矩阵。在此，仅考虑n＝4的情况，使得估计的斯托克斯矢量的误差可以通过下式获得：
[0131][0132]
等式(4)示出了估计误差受噪声水平和合成矩阵的影响。对于噪声n，利用协方差矩阵γ，取期望值，则可以获得：
[0133][0134]
在存在加性高斯白噪声(additive white gaussian noise，awgn)的情况下，并且当各个pd处的噪声是零均值并且以方差相同地分布时，可以具有：
[0135][0136]
条件数κ＝||w||
·
||w-1
||是通常用于评价偏振计性能的品质因数，其中，||*||是矩阵形式(在整个该示例中当做l2范数)。当条件数最小化时，检测信噪比(signal-to-noise ratio，snr)最大化。
[0137]
在存在散粒噪声(例如泊松噪声)的情况下，假定各个pd中的噪声独立，噪声协方差矩阵是对角的，其中第i个条目与第i个检测到的信号功率成比例。对于表示矩阵a的i、j元素的a
ij
，这意味着：
[0138]
γ
i,j
∝
(ws)
i,j
(7)
[0139]
因此，斯托克斯估计的方差对于泊松噪声是sop相关的。由于信号功率跨pd变化，因此泊松噪声不相同地分布(与awgn不同)。为了最佳性能，偏振计400将均衡噪声方差。
[0140]
矩阵q因此由下式定义：
[0141][0142]
其中，ui＝(q
i1
,q
i2
,q
i3
)
t
，并且p为偏振度。由于泊松方差取决于s，因此的各个分量将具有与该分量相关联的某个最大方差和最小方差这些极值之间的平均偏移δγ由下式给出：
[0143][0144]
偏振计400可以均衡零偏移的噪声，即，其中在各个斯托克斯矢量分量上，最大噪声方差等于最小噪声方差因此，寻求一种光学结构来使条件数κ和方差差异δγ最小化。
[0145]
由此可见，入射光被四路偏振分束器分到四个波导中。四个波导(例如，由此可见，入射光被四路偏振分束器分到四个波导中。四个波导(例如，)中传播的光波承载入射光的sop的全部信息。两个50：50功分器将两个光路分成四个路径，然后它们分别穿过独特的θi相延迟波导，并使用50：50偏振耦合器交叉耦合。
[0146]
穿过第一相位延迟波导416a和第三相位延迟波导416c的第一光束12和第二光束
14构造上彼此相干，并且它们组合以产生强度i2。穿过第二相位延迟波导416b和第四相位延迟波导416d的第一光束12和第二光束14也是相干的，产生i3。偏振计400的这个部分被称为交叉相干分析仪。
[0147]
在该示例中，剩余波导426不穿过任何组件，并分别产生强度i1和i2。在pd之前添加3db光学衰减器，以在四个输出(强度i1到i4)之间相等地分布非偏振光。如上所述，第一相位延迟波导416a和第二相位延迟波导416b与第三相位延迟波导416c和第四相位延迟波导416d之间的不对称性由两对相位延迟波导之间不同的相位延迟提供。比如，在一些实施例中，第一相位延迟波导416a、第二相位延迟波导416b、第三相位延迟波导416c和第四相位延迟波导416d具有第一相位延迟θ1、第二相位延迟θ2、第三相位延迟θ3和第四相位延迟θ4中相应的一者。比如，不对称性可以通过确保至少第一相位延迟θ1和第四相位延迟θ4彼此不同(θ1≠θ4)来获得。
[0148]
因此，偏振计400的分析矩阵w1为：
[0149][0150]
图6示出了偏振计400的条件数κ，并被绘制为具有(θ
1-θ3)和(θ
4-θ2)的函数。最小条件数κ
min
可以在以下情况下获得：
[0151]
(θ
1-θ3+θ
4-θ2)＝(2m
±
0.365)π
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0152]
其中，m是任意整数。
[0153]
偏振计400接下来可以通过最小化δγ或等同地最小化来改进。图7中描述了随等式(11)的θ
up
的变化。对于情况m＝0，在(θ
1-θ3)＝0.1825π或0.3175π处观察到最小值对于这种设计，(θ
1-θ3)已经被选择为0.1825π，参见图7中的箭头。在以下段落中讨论偏振计400的实验表征。分析矩阵wa为：
[0154][0155]
偏振计400使用与cmos兼容的工艺在soi平台上用电子束光刻来制造，其中，硅和氧化物层的厚度分别为220nm和2μm。图8a中呈现了偏振计400的扫描电子显微镜(scanning electron microscope，sem)图像。条形波导的尺寸为500nm
×
220nm。偏振分束器使用30
×
30阵列的圆柱形孔来形成，这些圆柱形孔完全穿过硅蚀刻，周期λ为695nm，孔直径d为440nm(如图8a的插图所示)。图8b中给出了sps的数值效率，示出了其3db带宽为35nm，并且中心波长为1550nm。
[0156]
图9中示出了测试偏振计400的实验装置。使用可调谐激光器生成线偏振光束。sop由偏振片(650-2000nm,thorlabs)、hwp(1550nm,thorlabs)以及四分之一波片(quarter-wave plate，qwp,1550nm,thorlabs)来控制。偏振片的取向相对于x轴固定在0
°
。旋转hwp和qwp可以允许生成任何sop。两个步进电机旋转(k10cr1/m，thorlabs)分别用于控制hwp和qwp的角度。使用片外光电检测器通过光纤读出偏振计400的四个输出波导。
[0157]
通过旋转hwp和qwp，可以生成一系列sop，使得该系列sop可以广泛地散布在庞加莱球的表面上。偏振计400用于测量不同入射光束的多个sop。图10中描述了测量结果和对应的输入sop。在输入与测量的sop之间观察到令人满意的一致性。因为偏振计400未封装，所以实验装置振动将引起接近0.8db的强度测量相对误差，这将带来接近0.114的sop测量的均方根(root-mean-square，rms)误差。因此，斯托克斯矢量重建的rms误差非常高，并且在该示例中达到0.147。在封装或使用芯片上集成的pd之后，可以显著地减小rms误差。
[0158]
偏振计400响应于多个谱分量(例如，波长)。由此可见，hwp和qwp的取向分别相对于x轴固定在20
°
和60
°
，并且允许将入射光束的谱分量从1540nm调谐到1565nm。图11的虚线示出了输入sop作为波长的函数。图11中具有误差条的点是偏振计400的测量结果。可以观察到测量结果与其它波长的对应输入sop很好地一致。
[0159]
参考图4描述的偏振计400的条件数为其高于全斯托克斯偏振计的理论最小值。在存在信号相关的泊松散粒噪声的情况下，各个斯托克斯元件估计的噪声方差对输入sop敏感。
[0160]
图12是安装在基片上的偏振计1200的第三示例的示意图。在该示例中，偏振计1200是使用cmos兼容光子制造工艺的硅光子(sip)四光电检测器(pd)振幅分割偏振计(4pd-dopa)的另一示例。偏振计1200的设计利用稍微更复杂的电路设计来实现用于测量的最佳框架；该测量框架最小化并均衡在加性白高斯噪声和信号相关散粒噪声两者存在的情况下的估计方差。另外的理论检查表明，在斯托克斯偏振计的最佳测量框架内，具有四个pd的doap与具有更多数量pd的doap相比具有最小的相等加权方差。据我们所知，这是具有在各个斯托克斯通道上提供最小的且均衡的噪声方差的最佳测量框架的芯片级、固态全斯托克斯偏振计的令人满意的演示。
[0161]
如所描述的，偏振计1200具有基片1202、在基片1202上的偏振分束器1204和在基片1202上延伸并输出第一偏振分量、第二偏振分量、第三偏振分量和第四偏振分量的输出波导1220。基片1202设计用于标准的220nm厚的绝缘体上硅(soi)晶片。
[0162]
偏振分束器1204接收具有给定偏振态的入射光束10，并将其偏振分成至少第一光束12和第二光束12。
[0163]
在该示例中，偏振分束器1204是具有两个分束器输出的二路偏振分束器。如图所示，第一个分束器输出将第一光束12朝向第一非对称分束器1228a传播，而第二个分束器输出将第二光束14朝向第二非对称分束器1228b传播。当第一非对称分束器1128a和第二非对称分束器1228b的一个分支通向第一干涉测量电路1206a时，其另一分支通向第二干涉测量电路1206b。如图所示，第一非对称分束器1128a和第二非对称分束器1228b以耦合因子pr朝向第二干涉测量电路1206b耦合，并且以互补耦合因子pr’＝1-pr朝向第一干涉测量电路1206a耦合。
[0164]
第一干涉测量电路1206a和第二干涉测量电路1206b中的每一者具有与图4所示的偏振计400的干涉测量电路406类似的构造。返回参考图12，第一非对称功分器(asymmetric power splitter，aps)1228a将第一光束12朝向第一干涉测量电路的第一功分器和第二干涉测量电路的第一功分器进行功分。类似地，第二非对称功分器1228b将第二光束14朝向第一干涉测量电路的第二功分器和第二干涉测量电路的第二功分器进行功分。
[0165]
如可以理解的，在该具体示例中，偏振计1200的组件以如下方式彼此光学耦合。偏
振分束器具有分别输出第一光束和第二光束的第一分束器输出和第二分束器输出。第一光束和第二光束都以不对称的方式经由第一非对称功分器和第二非对称功分器朝向第一干涉测量电路和第二干涉测量电路中相应的一者分离。由此可见，第一光束朝向第一干涉测量电路的第一功分器和第二干涉测量电路的第一功分器传播。类似地，第二光束朝向第一干涉测量电路的第二功分器和第二干涉测量电路的第二功分器传播。由此可见，第一干涉测量电路的第一偏振耦合器通向第一偏振分量，第一干涉测量电路的第二偏振耦合器通向第二偏振分量，第二干涉测量电路的第一偏振耦合器通向第三偏振分量，第二干涉测量电路的第二偏振耦合器通向第四偏振分量。
[0166]
如图所示，第一干涉测量电路1206a的第一相位延迟波导1216a、第二相位延迟波导1216b、第三相位延迟波导1216c和第四相位延迟波导1216d具有第一相位延迟θ
′1、第二相位延迟θ
′3、第三相位延迟θ
′2和第四相位延迟θ
′4中相应的一者，而第二干涉测量电路1206b的第一相位延迟波导1216a、第二相位延迟波导1216b、第三相位延迟波导1216c和第四相位延迟波导1216d具有所述第四相位延迟θ
′4、所述第三相位延迟θ
′2、所述第二相位延迟θ
′3和所述第一相位延迟θ
′1中相应的一者，并且至少所述第一相位延迟θ
′1和所述第四相位延迟θ
′4彼此不同。
[0167]
由此可见，偏振计1200具有两个干涉测量电路1206a和1206b，各个干涉测量电路具有各自的交叉相干分析仪和两个非对称功分器(aps)1228a和1228b。aps 1228a和1228b位于偏振分束器1204与干涉测量电路1206a和1206b之间。图13示出了非对称功分器的示例。对于aps，较弱和相对较长输出功率比的值分别由pr和(1-pr)表示。在该示例中，aps的分离区域的长度(l)和宽度(2w)分别等于2.32μm和1.4μm。通过控制aps的不对称性，可以控制输出功率比pr。此外，设计2端口sps来取代4端口sps。为了提高2端口sps的效率，在sps的两个空闲端口添加两个分布式布拉格反射(distributed bragg reflection，dbr)光栅。dbr光栅可以将光反射回期望的波导。
[0168]
在该示例中，偏振计1200具有由合成矩阵w2表示的干涉测量图案，其中，入射光束的偏振态s可使用等式s＝w2·
i确定，其中，s是表示入射光束的所述偏振态(s0,s1,s2,s3)
t
的矢量，i是表示偏振分量的强度(i
′1,i
′2,i
′3,i
′4)t的矢量。合成矩阵w2由等同于以下矩阵的矩阵给出：
[0169][0170]
其中，τ表示由pr/(1-pr)表示的耦合系数的比率。仅有两个具有和δγ＝0特性的分析矩阵(在任意行排列内)。这两个分析矩阵wb和wb′
具有以下公式：
[0171]
以及
[0172][0173]
其中，a是正值(0《a≤1/2)，并且在此，a＝1/4。比较等式(13)与(14)和(15)，可以获得，当时，偏振计的条件数将具有实现光学性能的可能性。当时，图14中呈现了作为具有(θ
′
1-θ
′3)和(θ
′
4-θ
′2)的函数的条件数，示出了当(θ
′
1-θ
′3)＝2nπ
±
π/4且(θ
′
4-θ
′2)＝2nπ
±
3π/4(其中n是整数)时，可以获得光学条件数分析wb可以在(θ
′
1-θ
′3)＝3π/4和(θ
′
4-θ
′2)＝π/4时实现。
[0174]
选择(θ
′
1-θ
′3)＝3π/4、(θ
′
4-θ
′2)＝π/4以及的结构来制造和实验地演示。在该示例中，偏振计1200具有350
×
460μm2的占地面积。在一些实施例中，dbr可由八个交替的硅层和二氧化硅层构成。硅层的宽度和晶格周期分别为160nm和360nm。偏振计1200用于测量一系列sop，并且对应的结果在图15中描述。测量结果与输入的sop很好地一致。在由实验装置的振动引起的相同的0.8-db强度测量相对误差下，其rms误差接近0.081，比偏振计1200的rms误差低44％。
[0175]
偏振计1200可以被认为是将输入斯托克斯矢量投影到测量的强度矢量上的投影仪。为了简单起见，对分析矩阵w进行归一化，使得其中，i意指矩阵的第i行。因此，精简矢量的端点w
i1
＝(w
i2
,w
i3
,w
i4
)位于庞加莱球的表面上。测量框架(即，矢量的集合{w1})可以由顶点由精简矢量wi的端点来定义的多面体来描述。已经证明柏拉图多面体可以实现最小条件数。测量框架是非正四面体的偏振计1200不具有最小条件数。正四面体是n＝4的球形2设计，已经证明除了在泊松噪声存在的情况下的两个特定取向之外，其不能够实现噪声方差均衡。然而，这种限制可以经由正八面体来打破，正八面体是最简单的球形3-设计。正八面体是一个示例：当旋转到另一个取向时，它保持这样的特性。
[0176]
许多多面体可实现最小且均衡的泊松噪声方差，但可能遭受不同的加性高斯噪声。在此，检查检测数量n对四个斯托克斯通道的总方差(称为相等加权方差(equally weighted variance，ewv))的影响。考虑柏拉图多面体的情况。各个pd接收的光功率与s0/n(即，doap和在“光子饥饿”场景中使用的时间分割偏振计(division of time polarimeter，dotp))成比例。
[0177]
在这些情况下，分析矩阵w具有以下特性：
[0178]
[0179]
和
[0180][0181]
其中，w
t
是w的转置。对于awgn，ewv
add
由下式给出：
[0182][0183]
其中，是加性噪声的方差，并且tr(*)表示*的主对角线(从左上到右下的对角线)上的元素的总和。基于等式(15)和(16)，可以获得：
[0184][0185]
对于泊松噪声，ewv
poi
具有以下表达式：
[0186]
ewv
pop
＝w
11
·
s0·
tr[(w
t
w)-1
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0187]
基于等式(16)、(17)和(20)，可以获得：
[0188]
ewv
poi
＝10s0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0189]
从等式(19)，可以知道，在存在加性噪声的情况下，ewv
add
随着n而增加。因此，在两个特定取向上的正四面体是最好的架构。另一方面，等式(20)指示ewv
poi
与pd的数量无关。总之，4pd-doap不仅在信号处理上具有相对低的成本，而且在sop的重建上受噪声的影响较小。注意，对于dotp，结论可能相反，其中，不需要功率分配，并且以相对较低的速度检测sop。在这种情况下，通常采取更多的测量来抑制噪声。
[0190]
上面的段落讨论了在存在高斯和泊松噪声两者的情况下的具有光学框架的芯片级固态全斯托克斯偏振计的演示。两个超紧凑全斯托克斯偏振计400和1200具有最小数量的检测器单元和cmos兼容制造工艺。考虑条件数和估计方差两者来优化这些偏振计的设计。在pic中实现了具有最小条件数和泊松散粒噪声均衡(δγ＝0)的光学4pd-doap分析矩阵(wb和w
b，
)的偏振计架构。在使用偏振计400和1200以及台式商业仪器的测量结果之间示出优异的一致性。已经表明，在斯托克斯偏振计的光学框架内，通过功率分配将检测数量增加到超过四个导致更高的加性高斯噪声，而泊松散粒噪声不受影响。因此，4pd-doap提供了一种理论上的光学doap设计。偏振计400和1200还可以扩展到其他材料平台(例如用于可见范围和中红外范围的氮化硅和锗)。此外，这些紧凑的偏振计400和1200可以容易地与其他硅光子器件(例如光谱仪)集成，使得可以在单个芯片上实现全面的光学矢量分析，以用于甚至更广泛的应用。
[0191]
如上所述，偏振分束器可以设置成包括边缘耦合器和偏振分束器旋转器的组件的形式。图16示出了包括这样的偏振分束器的偏振计1600的第三示例的俯视图。如所描述的，偏振计1600具有带有顶面和至少侧面或边缘的基片。干涉测量电路(例如上述干涉测量电路)也在基片上。
[0192]
如图例示，偏振分束器具有布置在基片的侧面或边缘上的边缘耦合器。这样，以平行方式入射到基片的顶面的光束将经由边缘耦合器注入到偏振计1600的波导中。为了分离入射光束的偏振，偏振分束器具有偏振分束器旋转器，其将入射光束偏振分成第一光束和第二光束。在一些实施例中，偏振分束器旋转器将入射光束的两个正交线偏振分量(即，te和tm模式)分到两个波导中，这两个波导分别被引导到干涉测量电路的第一功分器和第二
功分器。入射光束的tm模从而旋转到te模。
[0193]
偏振计具有设置成隔开的光电检测器(例如光电二极管)的形式的检测单元，光电检测器光学耦合到干涉测量电路，以接收第一偏振分量、第二偏振分量、第三偏振分量和第四偏振分量。如图所示，光电二极管具有传感器，其接收偏振分量并生成对应的信号，信号可以在电耦合到传感器的导电垫处拾取。在该实施例中，检测器单元可以经由有线连接通信地耦合到控制器。在另一些实施例中，信号也可以以无线方式传送。
[0194]
在一些实施例中，可能优选的是增加偏振分量可以令人满意地传播的谱带。图17示出了偏振计1700的第四示例。尽管与偏振计1200类似，但偏振计1700的相位延迟波导是波长独立的。对于第一非对称功分器和第二非对称功分器，较弱路径和相对较强路径的输出功率比分别用pr和(1-pr)表示。两个路径中的相移分别为φw和φs。交叉相干分析仪由设置成亚波长光栅(subwavelength grating，swg)形式的相位延迟波导构成，其示例在图18中示出。图19示出了在给定的谱带上的图18的两个swg之间的相位差。四个swg波导的相移分别表示为θ1、θ2、θ3和θ4。
[0195]
如上所述，当(θ
1-θ3)-(φ
w-φs)＝2nπ
±
π/4且(θ
4-θ2)+(φ
w-φs)＝2nπ
±
3π/4或者(θ
1-θ3)-(φ
w-φs)＝2nπ
±
3π/4且(θ
4-θ2)+(φ
w-φs)＝2nπ
±
π/4(其中n是整数)时，可以在存在高斯和泊松散粒噪声的情况下获得最佳偏振计。在此，选择参数(θ
1-θ3)-(φ
w-φs)＝π/4和(θ
4-θ2)+(φ
w-φs)＝3π/4作为示例，以设计宽带最优偏振计。在该具体示例中，最佳偏振计还需要
[0196]
图20示出了非对称功分器的pr/(1-pr)和(φ
w-φs)作为波长的函数。在1.45μm至1.65μm的波长范围内，pr/(1-pr)的变化小于0.05。(φ
w-φs)的平均值和变化分别为12.81
°
和8.28
°
。为了补偿(φ
w-φs)，(θ
1-θ3)的平均值和变化应当分别为57.81
°
和8.28
°
。选择w1＝1.5μm、w3＝1.3μm、l
t1
＝l
t3
＝5.4μm、并且n
p1
＝n
p3
＝11的非对称swg ps来实现这样的相移。如图21所示，(θ
1-θ3)-(φ
w-φs)的变化在补偿之后减小到4
°
。类似地，(θ
4-θ2)的平均值和变化应当分别为122.19
°
和-8.28
°
。为了实现-8.28
°
的变化，将两个swg ps级联在一起，如图1700所示。两个swg ps的结构参数为：w
21
＝1.3μm，w
41
＝1.5μm，l
t21
＝l
t41
＝3μm，n
p21
＝n
p41
＝108，并且w
22
＝1.5μm，w
42
＝1.3μm，l
t22
＝l
t42
＝6.8μm，n
p22
＝n
p42
＝0。图21中呈现了(θ
4-θ2)+(φ
w-φs)作为波长的函数。
[0197]
图22示出了根据另一个实施例的偏振计2200的第五示例。如所描述的，偏振计2200具有偏振分束器和通向输出波导的干涉测量电路，各个输出波导承载第一偏振分量、第二偏振分量、第三偏振分量和第四偏振分量中相应的一者。如可以理解的，该实施例的偏振分束器和干涉测量电路与参考图4的偏振计400描述的偏振分束器和干涉测量电路类似。
[0198]
如将要描述的，偏振计2200适于确定入射光束的谱变化偏振态。更具体地，各个检测器单元具有光谱分析仪，其可以测量对应偏振分量的多个谱分量的强度。各个光谱分析仪具有可调谐滤波器，其可调谐，以将给定谱分量导向对应的光电二极管，该光电二极管测量在所选谱分量的强度。通过使可调谐滤波器在给定的谱带上扫描，可以连续地测量多个谱分量处的强度测量。光谱分析仪的构造可以在不同的实施例中不同。然而，在该具体实施例中，各个光谱分析仪或光谱仪设置成微环谐振器的形式，该微环谐振器可以用作滤波器，以从入射偏振分量中拾取给定的谱分量。如图所示，各个微环谐振器可以通过使用加热元件修改其温度来调谐。通过收缩或扩张微环，耦合条件将变化，从而充当可调谐滤波器。如
上所述，四个输出谱i1(λ)到i4(λ)最终用于通过线性矩阵运算来重建波长相关斯托克斯参数。
[0199]
偏振计2200从而是光谱偏振计的示例，光谱偏振计可以与宽带源或光频梳结合使用，以测量在谱域和偏振域中的物质-光相互作用。如图所示，光谱分析仪接收来自干涉测量电路的偏振分量，并将它们重新导向多个谱上隔开的通道。各个谱上隔开的通道具有给定的谱分量或波长。如该示例所示，光谱分析仪具有将谱上隔开的通道重新引导到多个光检测器(例如光电二极管)的微环谐振器。因此，光检测器至少光学耦合到微环谐振器的分出端口，并且测量来自多个谱上隔开的通道的对应强度值。在该示例中远离基片的控制器可以被配置成基于测量的强度值和干涉测量电路的干涉测量图案来确定入射光束的谱分辨偏振态。
[0200]
在一些实施例中，偏振计2200可以基于具有2μm掩埋氧化物层和3μm氧化物包层的标准220nm厚绝缘体上硅(soi)晶片来设计。偏振分束器可以设置成表面偏振分束器(sps)的形式，用于将任意偏振态投影成两个正交的线偏振分量(e
x
和ey)并将它们耦合到不同的波导中。干涉测量电路然后将两个正交电场分量转换成四个偏振分量。使用由热可调谐硅双微环谐振器和ge-pd构成的光谱分析仪测量各个偏振分量的谱。从而，四个谱测量捕获波长相关偏振的全部信息，经由矩阵运算最终可以从该信息中找回输入光的斯托克斯谱。如图22所述，黑色箭头指向光的传播方向。
[0201]
sps利用纳米天线结构，在该示例中，该纳米天线结构由si基片上的亚波长圆柱形孔的2d阵列构成。纳米天线设计成使得来自光纤或自由空间的光的两个正交线偏振分量都耦合到平面波导的基本te模中。同时，sps将各个正交分量相等地分解成相反方向的两个分束器输出，如图22所示。
[0202]
干涉测量电路由3db宽带定向耦合器(broadband directional coupler，bdc)、用于3db功率分配/组合的三个y结以及一些延迟线路构成。取sps的输出，pa通过干涉运算将入射光的斯托克斯矢量投影到四个强度通道中：i1和i4分别来自和22ey的直接检测；i2来自与之间的干涉；i3来自与之间的干涉。在此，入射偏振由波长(λ)相关的斯托克斯矢量表示：s(λ)＝(s0(λ),s1(λ),s2(λ),s3(λ))
t
，其中，(y)
t
意指矩阵(y)的转置。定义波长相关的强度矢量：i(λ)＝(i1(λ),i2(λ),i3(λ),i4(λ))t，i(λ)与s(λ)之间的关系可以由下式给出：
[0203]
s(λ)
∝ms
(λ)i(λ)(22)
[0204]
其中，ms(λ)是pa的合成矩阵。在所提出的分光偏振计设计中使用的bdc具有超过100nm的宽带宽。因此，合成矩阵ms(λ)在本示例中考虑的谱范围内实际上对波长不敏感，并且可以通过以下表达式表示：
[0205]
[0206]
在pa电路之后，使用四个硅双微环谐振器光谱仪(silicon dual-microring resonator spectrometer，si-dmrs)来测量强度通道的谱。各个si-dmrs由sdmr和ge-pd构成。sdmr中的mr具有略微不同的fsr。由于游标效应，级联架构可以实现大大扩展的fsr，而不使用对于在晶片规模上制造具有挑战性的超小型mr。sdmr的扩展fsr由下式给出，
[0207][0208]
其中，fsr
1(2)
、d
1(2)
和n
g1(2)
分别是单个mr的fsr、直径和分组指数；下标1(2)指示第一(第二)mr。注意，当两个环的直径非常接近时，n
g1
≈n
g2
。根据等式6.3，通过减小直径的差，可以增加sdmr的扩展fsr。在各个mr的顶部使用金属加热器，以单独地改变其温度。调谐施加到mr的加热功率(heating power，hp)，各个强度通道的波长ii(λ)可以连续扫描，然后由ge-pd检测。如该示例所示，所制造的硅光子芯片位于印刷电路板(printed circuit board，pcb)的中心。其占地面积可以是约～1
×
0.6mm2或更小。在一些实施例中，芯片包括16个电i/o端口。
[0209]
在用全斯托克斯光谱仪进行实验之前，首先表征在同一芯片上集成有ge-pd的单个si-dmrs。在该具体示例中，两个mr的直径可以分别是用于较大微环的26μm和用于较小微环的22μm。在偏振计2200中采用没有掺杂ge或ge-金属触点的ge-pd设计。因为锗晶格在该示例中不受掺杂剂或金属触点干扰，所以其可允许在背景损耗、带宽和暗电流方面的更好性能。在-4v反向偏压下，在1550nm波长下，ge-pd被测量为具有1.12a/w的响应度和～15na的暗电流。
[0210]
图23示出了较大微环(红点)和较小微环(蓝色正方形)的加热器上的谐振波长与加热功率之间的关系。使用可调谐激光器为各个通道校准作为应用于较大和较小微环的hp的函数的中心波长。图23中示出了校准结果。对于较大和较小的微环，调谐效率分别为～10mw/nm和～11mw/nm。由于游标效应，覆盖较大和较小微环的整个扩展fsr所需的最大hp分别仅为～70mw和～100mw。为了验证偏振计2200的稳定性，使用相同的hp校准在一周内进行几次测量。测量结果示出了六天内的优异一致性，这指示偏振计2200的非常稳定的操作。
[0211]
如图24和图25所示，制造的sdmr的分出端口的透射谱可以具有1561nm附近的谐振波长。如在图24中最佳看到的，在该示例中，20db线宽可在0.9nm附近。双模滤波器形状设计成在其边缘上具有更急剧的滚降，以增加信噪比(snr)。如图25所示，测量到50nm的扩展fsr。
[0212]
在示例性实验中，偏振计2200用于表征手性材料(即胆甾相液晶(cholesteric liquid crystal，clc)平板)的偏振。它由具有机械扭转力的手性分子构成，机械扭转力施加宏观螺旋自组织。结果，长分子轴的局部平均取向从层到层周期性旋转，形成天然分子螺旋(即“结构手性”)。通过适当选择分子混合物参数，clc平板在期望谱范围内起到类似谱谐振滤波器(例如，摇摆滤波器)的作用，仅左旋(或右旋)圆偏振可以通过该滤波器。最复杂的行为发生在谐振波长范围的边缘，在该边缘，存在偏振敏感反射和强偏振旋转(以及强色散)。为了证明所提出的分光偏振计的功效，制造了具有接近1550nm的谐振范围的边缘的clc样品。
[0213]
所有四个si-dmrs都按照前面部分所述的相同程序进行校准。pa的波长相关合成矩阵ms(λ)也使用四个已知的独立偏振态来校准。结果示出了具有线偏振输入(s1＝1)的clc
样品之后的斯托克斯谱。在偏振计2200与商业台式仪器之间的测量结果中观察到了优异的一致性。发现所制造的clc材料的谐振范围低于1.52μm。在谐振范围内，只有左旋圆偏振可以通过clc；s3朝向-1发展，而s1和s2随着波长减小而接近零。而在非谐振范围(超过1.58μm)内，clc材料不改变输入偏振态。因此，发现s1随着波长从0向1逐渐增大，而s3在非谐振范围内从-1向0增大。
[0214]
尽管紧凑，但偏振计2200保持具有高分辨率(1nm)和宽的斯托克斯谱带宽(50nm)的高性能，然而，仍然没有达到其极限。例如，根据等式24，通过将较大微环的直径增加到24μm，可以获得100nm的带宽。此外，偏振计2200的谱分辨率可以通过减小两个微环之间的交叉耦合系数而不引入显著损耗来进一步由另一数量级(至0.1nm)证明。
[0215]
由于采用了si-dmrs，能耗显著降低。发现偏振计2200耗散接近3.6j的能量，以完成斯托克斯谱的一次测量。与传统设备相比，该值可以表示几个数量级的改进。而且，偏振计2200的能耗可以通过在mr附近添加热隔离沟槽(＞10倍)和通过增加hp的扫描频率(＞100倍)而显著地改善。由于实验装置的限制，扫描频率仅为5hz。而微环的热响应时间低于4μs，指示250khz的扫描频率是可能的。假定对于1000(与当前实验中的50相比)的大量谱扫描步骤的5khz的较高扫描频率，偏振计2200的总能耗估计为仅～72mj。在这种情况下，可以在0.2s内完成斯托克斯谱的一次测量。
[0216]
在硅光子芯片上实现集成的偏振计(例如偏振计2200)为快速、负担得起的全斯托克斯光谱铺平了道路。为了降低器件的成本和尺寸，传统的解决方案伴随着光谱组件的数量减少，因此，降低了测量速度和斯托克斯谱分辨率。相反，因为所有的si-dmrs都可以集成在单个芯片上，而几乎不增加占地面积和成本，因此该示例中的偏振计2200允许同时实现高速和高分辨率。偏振计2200使用工业标准的硅光子铸造工艺制造，指示使用已建立的大晶片制造设施的更容易的批量生产路径。通过使用其它cmos兼容但具有相同架构的材料(例如sin和ge)，可容易地将操作频率范围扩展到可见区和中红外区。综合硅pic集成的规模经济和优点，偏振计2200具有在物联网、药物分析、天文学等领域中应用的巨大潜力。
[0217]
器件在新加坡的ime(现在的amf私人投资有限公司)利用193nm深紫外光刻使用商业cmos兼容的soi工艺制造。随后在实验室中对器件进行封装。使用westbond的7400a引线接合器实现电连接。塑料罩壳使用3d打印机(ultimaker s5)制造。
[0218]
样品制造所用clc材料是市售向列液晶(nematic liquid crystal，nlc)20608(青岛化学)和手性分子cb15(默克公司)的混合物。调节它们的比例(75:25重量％)，使得可以获得在近红外区具有选择性反射带的clc。将clc混合物加热到清亮点以上(各向同性相转变)并通过毛细管方法填充到9.6μm厚的lc盒中，然后缓慢冷却到室温。该盒由两个氧化铟锡/ito/涂布的透明玻璃基片构成，这些基片涂布有使clc分子平行于基片表面对齐的对齐层。
[0219]
使用具有大约3dbm的光功率的可调谐激光源(agilent 81600b)来执行在主文本中描述的hp的校准。通过keithley 2612b源表读取来自ge-pd的光电流。使用keysight e3631a电源驱动加热器的hp。来自高功率宽带铒ase源(ino)的光用于表征si-dmrs。使用商业光谱分析仪(osa，yokogawa aq6370d)来测量其谱。通过偏振片(650-2000nm,thorlabs)、hwp(1550nm,thorlabs)以及四分之一波片(qwp,1550nm,thorlabs)来校准所提出的分光偏振计的合成矩阵。使用两个步进电机转子(k10cr1/m，thorlabs)来分别控制hwp和qwp的角
度。
[0220]
图26示出了根据实施例的偏振成像器2600的示例。如图所示，偏振成像器具有基片；和多个偏振分束器，其在基片上彼此隔开，用于接收对应的隔开的入射光束。偏振分束器将各个入射光束偏振分成至少第一光束和第二光束，所述第一光束具有第一偏振分量和所述第二光束具有第二偏振分量。偏振成像器具有光学耦合到一个或多个偏振分束器的干涉测量电路。干涉测量电路在第一光束与第二光束之间进行干涉，以形成至少第三偏振分量和第四偏振分量(例如上面关于其它偏振计示例讨论的)。更具体地，在该示例中，偏振成像器具有输出入射光束的偏振分量的输出波导，其中，所述偏振分量的强度和干涉测量电路的干涉测量图案指示所述入射光束的偏振态。由于偏振分量完全限定了各个隔开的入射光束的偏振态，所以可以基于偏振分量的强度生成偏振图像。
[0221]
在该具体示例中，偏振成像器具有多个以阵列布置在基片上的偏振计，用于接收入射光束。在一些实施例中，偏振计类似于上文所述的偏振计。如图所示，偏振成像器具有在基片上彼此光学耦合的多个偏振分束器和多个干涉测量电路。在一些实施例中，可以存在与偏振分束器等同或比偏振分束器更少数量的干涉测量电路。在后一种情况下，可以使用光开关来顺序地将偏振分束器和干涉测量电路彼此耦合。如图26a中最佳示出的，在该实施例中，偏振分束器可以是二路偏振分束器。图26b进一步示出了偏振分束器是具有完全蚀刻穿过硅的圆柱形孔阵列的表面偏振分束器。在一些实施例中，干涉测量电路与上述干涉测量电路类似。如图所示，偏振成像器具有多个检测器单元，其耦合到从干涉测量电路进入的输出波导，用于测量来自干涉测量电路的对应强度值。在任何情况下，偏振成像器具有控制器，其基于测量的强度值确定与阵列的各个偏振分束器相关联的偏振态，并且基于入射光束的确定的偏振态输出偏振图像。
[0222]
在该示例中，偏振成像器可以具有紧凑的占地面积，从而实现相对大的填充因子。如上所述，多个偏振分束器可通过片上光开关共用一组光学干涉测量电路和集成pd，使得可按时间序列分析各个sps接收的偏振态。各个偏振分束器ps通过两个片上光开关与总线波导连接。当偏振分束器的片上光开关接通时，入射光的两个正交电场分量可以分别从对应的偏振分束器传播到两个总线波导。然后，入射光的两个正交电场分量注入到光学干涉测量电路中。测量光学干涉测量电路输出端口的光强度，可以重建对应偏振分束器的入射光的偏振态。在该示例中，如果这些偏振分束器逐一接通，则可以获得偏振图像。
[0223]
在该示例中，讨论了光谱偏振测定。比如，提供了用于可以将斯托克斯参数调制到通道截取谱中的通道截取谱调制器(channelled spectrum modulator，csm)以及用于获得通道截取谱的片上光谱分析仪(osa)的原理。
[0224]
图27示出了根据另一个实施例的偏振计2700的另一示例。如图所示，偏振计2700具有基片、偏振分束器、干涉测量电路和输出波导。
[0225]
更具体地，偏振分束器接收具有给定偏振态的入射光束。偏振分束器然后将入射光束偏振分成至少第一光束和第二光束，所述第一光束具有第一偏振分量和所述第二光束具有第二偏振分量。
[0226]
如图所示，干涉测量电路具有接收所述第一偏振分量和所述第二偏振分量中相应的一者的第一相位延迟波导和第二相位延迟波导。提供多模干涉耦合器，以将第一偏振分量和第二偏振分量彼此耦合，然后将偏振分量朝向第三相位延迟波导和第四相位延迟波导
分离。干涉测量电路具有多模耦合器，其将第三相位延迟波导和第四相位延迟波导彼此耦合，从而基于第一偏振分量和第二偏振分量的干涉形成第三偏振分量和第四偏振分量。如所描述的，至少第一相位延迟波导和第三相位延迟波导相对于彼此是不对称的。这样，这样形成的偏振分量完全确定了入射光束的偏振态。
[0227]
在该示例中，输出波导朝向光谱分析仪输出偏振分量，该光谱分析仪测量多个谱分量的偏振分量的强度。由此可见，在由控制器处理时，可以基于测量的强度以及基于干涉测量电路的干涉测量图案(例如相应相位延迟波导的相位延迟)来确定入射光束的谱分辨偏振态。
[0228]
如该示例所示，偏振耦合器设置成表面偏振分束器的形式，该表面偏振分束器将入射光束分成两个正交的光偏振分量。在这种分离之后，偏振分量穿过干涉测量电路(例如通道截取谱调制器(csm))，其可以将斯托克斯参数调制到通道截取谱中。最后，将光送入片上光谱分析仪(osa)。通道截取谱调制器可以具有光学耦合到分束器输出并引导第一干涉仪输出的第一干涉仪元件、光学耦合到第一干涉仪输出的多模干涉仪、以及光学耦合到多模干涉仪并引导第二干涉仪输出的第二干涉仪。如可以理解的，通道截取谱调制器可以输出包括彼此干涉的光束并具有谱分辨偏振分量的调制光束。
[0229]
如图所示，片上osa具有光谱仪电路，其从csm接收偏振分量，并将偏振分量重新引导到多个谱上隔开的通道中，其中，各个谱上隔开的通道具有偏振分量的给定谱分量。因此，分析各个隔开的通道，以取回谱相关强度值。在一些实施例中，片上osa可以具有以空间复用方式检测强度值的多个光检测器。然而，在另一些实施例中，片上osa可以具有以时间复用方式检测强度值的单个光检测器。
[0230]
如图27所示，对于各个波数σ(波长λ的倒数)，光的两个正交分量(e
x
(σ)和ey(σ))将分别由sps耦合到两个波导中。在csm中，在光通过多模干涉(multimode interference，mmi)之前和之后，如果上行路径与下行路径之间的长度差分别为l1和l2，则从csm出射的光的电场e(σ)可以由下式给出：
[0231][0232]
其中，n
eff
(σ)表示在波导中传播的具有波数σ的光的有效折射率。具有宽带谱的光的偏振态(sop)通常由斯托克斯参数s0(σ)、s1(σ)、s2(σ)以及s3(σ)来描述。斯托克斯参数与光的两个正交分量(e
x
(σ)和ey(σ))之间的关系可以写为：
[0233]
s0(σ)＝|e
x
(σ)|2+|ey(σ)|2，
[0234]
s1(σ)＝|e
x
(σ)|
2-|ey(σ)|2，
[0235]
s2(σ)＝2re(e
x
(σ)
·ey
(σ)
*
)，
[0236]
s3(σ)＝-2im(e
x
(σ)
·ey
(σ)
*
),
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0237]
其中，re(*)和im(*)是*的实分量和虚分量。基于等式(3.1)和(3.2)，可以获得通道截取谱(p(σ))：
[0238][0239]
其中，s
23
(σ)＝s2(σ)-is3(σ)。p(σ)包括三个准共正弦分量，其分别承载关于s0(σ)、s1(σ)和s
23
(σ)的信息。因此，解调通道截取谱p(σ)，可以获得随波长变化的sop。
[0240]
仍然参考图27，光谱分析仪具有环形谐振器、光相位阵列和线性光电二极管阵列。各个环形谐振器分别具有往返长度l和自耦合系数τ。环形谐振器的自由谱范围(free spectral range，fsr)作为波长λ的函数而变化，并且可以由下式给出：
[0241][0242]
其中，ng是分组指数。谐振谱的半高全宽(full width at half maximum，fwhm)可以由下式给出：
[0243][0244]
其中，a是单通振幅透射，包括环中的传播损耗和耦合器中的损耗。
[0245]
图28a示出了输出路径之间的距离，如字母d所示。第(1+i)个输出波导的长度比第i个输出波导的长度长δl。在θ方向上的电场可以由下式给出：
[0246][0247]
其中，n是输出路径的数量。如图28b所示，在以下情况下出现最大强度：
[0248][0249]
其中，m是阶数。并且在以下情况下出现最小强度：
[0250][0251]
设置δλ＝λ
1-λ2，等式(31)减去等式(32)可以获得：
[0252][0253]
在中心(即，θ＝0))，基于等式(31)和(33)，谱分辨率可以由下式给出：
[0254][0255]
等式(34)指示通过增加周期数n和路径长度差δl，可以提高所得光谱偏振计的分辨率。对于这种光谱偏振计，fsr等于光相位阵列光谱仪的分辨率，以实现高分辨率。因此，光谱偏振计的分辨率可以由环形谐振器的fwhm确定。
[0256]
图29示出了执行光谱偏振测定测量的方法2900的示例的流程图。方法2900可以由上述光谱偏振计执行。
[0257]
在步骤2902，接收具有谱变化偏振态的入射光束。
[0258]
在步骤2904，将入射光束偏振分成具有相应偏振分量的多个光束。
[0259]
在步骤2906，根据干涉测量图案将光束彼此干涉，在干涉测量图案中，相应的偏振分量经历相应的时间延迟。
[0260]
在步骤2908，测量光束部分的光谱，使得光谱具有谱上隔开的强度值。图30a示出了光谱的示例。
[0261]
在步骤2910，将光谱从谱域表示变换成时域表示，从而获得时间上隔开的强度值，强度值示出了在对应时间延迟的偏振分量，如图30b所示。在该步骤中，变换可以包括傅里叶逆变换。在步骤2912，将偏振分量彼此隔离，然后将这样隔离的偏振分量从时域变换到谱域，从而获得与偏振分量相关联的离散光谱，其示例在图30c中示出。在该步骤中，变换可以包括傅里叶变换。注意，在一些实施例中，步骤2910和2912可以是可选的。
[0262]
在步骤2914，基于干涉测量图案和离散光谱确定入射光束的谱变化偏振态。
[0263]
如可以理解的，上述和所例示的示例仅旨在是示例性的。比如，表述“功分器”或“功率耦合器”应被广义地解释，以便包括定向耦合器、y结、多模干涉仪(mmi)以及可以与光功率的偏振无关地分离或耦合光功率的任何其它光学组件。范围由所附权利要求指示。