Procedimiento y sistema de detección de polarización de la luz con respuesta paso banda.

Procedimiento y sistema de detección de luz que permite determinar al mismo tiempo el ángulo de polarización de la luz incidente con alta sensibilidad. En concreto, el contraste obtenido para señales linealmente polarizadas con polarizaciones ortogonales está limitado únicamente por la detectividad. Se basa en materiales o dispositivos de estado sólido con propiedades dicroicas en un rango de energías determinado. Este sistema confiere adicionalmente la posibilidad de detección paso banda. Se compone de varios módulos:

a. Módulo formado por dispositivos sensibles a la polarización de la luz.

b. Módulo de amplificación diferencial, donde se requiere una referencia de ángulo y otra de amplitud.

c. Módulo de procesado de señal.

Este sistema de detección puede ser aplicado en grabación magneto-óptica, fluorescencia, formación de imágenes, detección selectiva espectralmente y comunicaciones ópticas

Procedimiento y sistema de detección de polarización de la luz con respuesta paso banda.

Sector técnico

La invención que se presenta se enmarca en el ámbito de la detección de radiación electromagnética usando fotodetectores de estado sólido y, en particular, en la detección de propiedades de la luz como son su longitud de onda y estado de la polarización.

Estado de la técnica

Los fotodetectores de estado sólido formados por materiales semiconductores se basan en la promoción de electrones a estados energéticos más elevados en respuesta a un estímulo óptico de energía suficiente, es decir, cuando se produce absorción. Los fotones absorbidos por el material dan lugar a portadores de corriente que pueden ser colectados en los contactos, generando a su vez una señal eléctrica medible por un circuito externo. Las transiciones que dan lugar a la generación de portadores pueden ser entre la banda de valencia y la banda de conducción (transiciones interbanda), que es el caso más común, o entre subbandas de una misma banda (transiciones intrabanda), por ejemplo, en pozos cuánticos para detección de radiación infrarroja. La energía de la radiación electromagnética y las reglas de selección de las transiciones determinan si el proceso de absorción de fotones es posible, de forma que para dispositivos basados en transiciones interbanda, la detección se produce para energías mayores que la energía efectiva de la anchura de la banda prohibida del material. La absorción, en este caso, depende de la densidad de estados disponibles y ésta aumenta según disminuye la longitud de onda. Por tanto, la respuesta es de tipo paso bajo en longitudes de onda (paso alto en energías). Esta característica espectral se modifica por efecto de las reglas de selección. Típicamente se consigue una respuesta paso banda haciendo uso de transiciones intrabanda para detección con estructuras de pozos cuánticos. Sin embargo, la respuesta de los dispositivos estándar basados en transiciones interbanda es de tipo paso bajo como se ha mencionado antes, salvo que se integren filtros en la misma estructura.

La sensibilidad a la polarización se ha desarrollado en materiales que presentan propiedades dicroicas debido bien a la asimetría cristalina intrínseca, bien al efecto de una deformación anisótropa o bien a ambos al mismo tiempo, así como en estructuras donde la reflexión depende del estado de la polarización de la luz incidente. En cualquier caso, esta sensibilidad se traduce en una absorción dependiente de la polarización considerada en la zona activa de los detectores. Los materiales empleados en la actualidad consiguen contrastes moderados en una región muy selectiva del espectro, generalmente en el infrarrojo y, más recientemente, en el ultravioleta. También se pueden conseguir dispositivos sensibles a la polarización partiendo de filtros dicroicos externos acoplados a detectores convencionales o de filtros con estructuras adecuadas fabricados sobre la superficie de detectores.

Las patentes WO200052763-A y WO9715812 desarrollan sistemas de detección de la polarización de la luz que permiten determinar el estado de polarización de la luz empleando detectores apilados con filtros de polarización integrados. Estas soluciones presentan limitaciones bien en el ángulo de aceptación de la luz incidente o bien en la máxima sensibilidad que se puede obtener. Tampoco incluyen entre sus prestaciones la posibilidad de realizar detección paso banda.

Explicación de la invención

La mayoría de los detectores sensibles a la polarización actuales no permiten determinar el ángulo de polarización de la luz para un ángulo de incidencia arbitrario. En general, hacen uso de divisores de haz externos para conseguir la sensibilidad a la polarización, lo que encarece el precio de los sistemas. Además, los contrastes de la señal en función de la polarización de la luz obtenidos están limitados por el contraste de los coeficientes de absorción para las direcciones donde la sensibilidad a cada una de las polarizaciones concretas en el dispositivo es máxima. Por otra parte, los detectores convencionales no presentan selectividad espectral para energías superiores al borde de detección. Incluso en el caso de utilizar estructuras que incorporen filtros integrados, es difícil obtener bandas de detección estrechas.

La invención desarrollada utiliza un procedimiento que permite mejorar la resolución espacial (lo que es interesante en la fabricación de cámaras, por ejemplo), reducir el coste (menor número de componentes), aumentar la sensibilidad (teóricamente el contraste para polarizaciones ortogonales en ausencia de ruido es infinito) y detectar el grado de polarización de la luz absoluto con respecto a un eje de referencia para un ángulo de incidencia arbitrario. También añade la funcionalidad de permitir realizar detectores con respuesta paso banda con altos factores de calidad.

Concretamente, la presente invención aprovecha la sensibilidad a la polarización de un dispositivo para extraer la información del ángulo de polarización de la radiación incidente mediante el uso de una técnica diferencial. Para ello se obtiene una referencia de amplitud y otra de fase de la señal detectada. Tanto la referencia de amplitud como de fase se fijan utilizando la señal producida por el detector o los detectores sensibles a la polarización para cuatro orientaciones diferentes como mínimo con respecto a un eje de referencia situado en el plano del sistema de detección. En caso de utilizar varios detectores, el acoplo de la luz se realiza de forma que incida simultánea y uniformemente en todos ellos. Esta configuración de detección presenta la ventaja de que permite determinar un ángulo de polarización de la luz arbitrario para una señal de potencia desconocida, al mismo tiempo que mide la intensidad de luz. El límite de detección está impuesto por la sensibilidad de los detectores dada por la detectividad y depende sólo del signo de la señal de diferencia extraída.

El funcionamiento del procedimiento se demuestra matemáticamente partiendo de la relación que expresa la respuesta o responsividad R del detector sensible a la polarización en función del ángulo de polarización varphi en el plano del detector:

donde los subíndices ? y || denotan los componentes para luz polarizada perpendicular y paralela, respectivamente. En la ecuación (1) se ha considerado sólo la respuesta al componente en incidencia normal, previa descomposición de la señal. El factor que se corresponde a la absorción para el componente fuera del plano no afecta al resultado como se verá posteriormente, debido a que se emplea una técnica diferencial. La diferencia de la responsividad (o fotocorriente) para dos detectores (o uno que pueda rotar) situados con su eje de referencia orientado en direcciones ortogonales se expresa, usando la relación dada por la ecuación (1), como

donde R_D1 y R_D2 son las responsividades de cada uno de los detectores respectivamente. La respuesta dada por la ecuación (2) elimina los componentes que sean iguales en R_D1 y R_D2, por lo que la respuesta al componente fuera de plano desaparece. Análogamente se puede obtener la respuesta para otros dos detectores (R_D3 y R_D4, respectivamente) rotados con su referencia absoluta un ángulo ? de forma que

donde I_ph,I y I_ph,II son las fotocorrientes proporcionadas por las respuestas de los sistemas formados por R_D1-R_D2 y R_D3-R_D4, respectivamente. En el análisis anterior se ha supuesto que todos los detectores son idénticos. Si el detector individual permite absorción para el componente fuera de plano, lo que depende de la realización final, con la salida producida por cada detector para una posición concreta se puede obtener la potencia una vez se ha determinado el ángulo por la ecuación (3). De esta forma, se conoce el valor del componente de polarización fuera de plano y la potencia absoluta de la señal.

Esta implementación añade, por otra parte,...

1. Procedimiento para la detección de la polarización de la luz caracterizado porque permite determinar un ángulo arbitrario de polarización de la luz incidente (varphi) a partir de la diferencia de fotocorriente producida por dos detectores sensibles a la polarización de la luz orientados en direcciones ortogonales (I_ph,I) y de la diferencia de fotocorriente de otros dos detectores sensibles a la polarización de la luz orientados en direcciones ortogonales pero desplazados un ángulo ? respecto el eje de referencia de los dos primeros detectores (I_ph,II), mediante la expresión:

2. Procedimiento para la detección de la polarización de la luz según reivindicación 1 en el que en una realización preferida el ángulo ? de 45º.

3. Sistema de detección de la polarización de la luz que implementa el método descrito en la reivindicación 1 y que comprende:

4. Sistema de detección de luz según reivindicación 3 caracterizado porque presenta una respuesta espectral paso banda en la zona donde los detectores son sensibles a la polarización de la luz para un ángulo arbitrario de la polarización incidente, que además es sintonizable en función de la composición del material sensible a la polarización de la luz, cuando se toma como salida la suma del cuadrado de las señales del módulo de amplificación diferencial descrito en la reivindicación 2 para un ángulo ? descrito en la reivindicación 1 de 45º.

5. Sistema de detección de luz según reivindicaciones 3 y 4 caracterizado porque en una realización preferida, el módulo de detectores comprende cuatro detectores sensibles a la polarización orientados en direcciones ortogonales en grupos de dos donde el eje de referencia de uno de los grupos está desplazado un ángulo 45º con respecto al otro.

6. Sistema de detección de luz según reivindicaciones 3 y 4 caracterizado porque en otra realización, cuando el módulo de detectores está compuesto por un único detector sensible a la polarización, éste se hará rotar secuencialmente a cuatro posiciones diferentes para la obtención de las fotocorrientes I_ph,I, I_ph,II.

7. Sistema de detección de polarización de la luz según reivindicaciones 3 y 4 caracterizado porque los detectores sensibles a la polarización de la luz están formados por materiales dicroicos u otro tipo de filtros de polarización integrados basados en consideraciones geométricas.

8. Sistema de detección de polarización de la luz según reivindicaciones 3 y 4 caracterizado porque en una realización preferida los detectores sensibles a la polarización están formados por materiales semiconductores.