[論文レビュー] Ultra-compact In-Line Scattering Polarimetry

Johannes Müller, Kristján Leósson+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2015

Advanced Fiber Optic Sensors被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、波長より小さいメタサーフェスアーレイを用いた一体型で超コンactなインライン偏光計を提示している。このデバイスは、偏光依存の方向性散乱を用いて破壊的でない高速な偏光状態測定を可能にする。性能は最先端の商業用偏光計と同等でありながら、チップ内統合に向けた優れたコンパクト性、安定性、スケーラビリティを備えている。通信波長および中赤外波長領域で応用可能である。

ABSTRACT

In-line polarimeters perform non-destructive polarization measurements of optical signals, and play a critical role in monitoring and controlling the polarization environment in for example optical networks. While current in-line polarimeters are constructed with multiple optical components, either fabricated into an optical fiber or using free-space optics, we present here a novel architecture conducive to monolithic on-chip integration. This enables the scalable fabrication of high-performance polarization sensors with exceptional stability, compactness and speed. The method relies on the detection of the highly polarization-dependent scattered field of a sub-wavelength antenna array known as metasurface, and is shown here to provide polarization state measurements matching those of a state-of-the-art commercial polarimeter.

研究の動機と目的

• 光ネットワークにおけるリアルタイム偏光監視を可能にするコンパクトでスケーラブルかつ安定なインライン偏光計の開発。
• 分立型光学素子に依存する従来の偏光計の限界（大型化、高コスト、統合困難）を克服すること。
• 二重点効果材料が利用できない分野、例えば中赤外領域における偏光測定を可能にすること。
• 複雑な光学系を1つの2次元メタサーフェス素子に置き換える一体型チップ内アーキテクチャの実証。
• 設計された波長より小さいアンテナからの直接散乱光検出を用いて、高速で破壊的でない偏光測定を実現すること。

提案手法

• 2次元の波長より小さいロッドアンテナアレイ（メタサーフェス）を用い、4つの異なる偏光依存の散乱ビームを生成する。
• 各散乱ビームの強度は、入射光の特定の偏光成分に比例するため、全ストークスパラメータ推定が可能である。
• 表面プラズモンの励起を回避することで光学損失を最小限に抑え、代わりに高指向性散乱を活用して効率的な信号検出を実現する。
• 4つのフォトダイオードが散乱強度を直接測定し、時間分割多重を用いずともリアルタイムでの偏光状態決定が可能である。
• メタサーフェスはファイバーエンドフェースにフォトリソグラフィで形成されており、光ファイバを通過する光のインラインで破壊的でない測定が可能である。
• Cバンド（1500–1565 nm）におけるキャリブレーションにより正確な偏光応答を確保し、商業用回転波プレート偏光計との比較で妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの平面的メタサーフェスがインライン偏光計において、複数部品から構成される光学系を置き換えることができるか？
• RQ2 波長より小さいアンテナアレイからの偏光依存の方向性散乱が、正確でリアルタイムのストークスパラメータ測定を可能にするか？
• RQ3 提案された設計が商業用偏光計と同等の性能を達成すると同時に、一体型チップ内統合を可能にするか？
• RQ4 このアーキテクチャが、従来の二重点効果材料が利用できない中赤外領域を含む広帯域波長範囲で動作可能か？
• RQ5 既存のインライン偏光計ソリューションと比較して、本システムのコンパクト性、速度、安定性はどのように優れているか？

主な発見

• メタサーフェスベースの偏光計は、ポアンカーレ球上の任意の129種の偏光状態において、商業用回転波プレート偏光計と同等の偏光状態測定を達成した。
• Cバンド（1500–1565 nm）全域で、参照偏光計と優れた一致を示した。各波長でキャリブレーションを実施した。
• 4つのフォトダイオードと1つの2次元光学素子のみで非破壊的かつリアルタイムの偏光監視が可能であり、サイズと複雑さを顕著に低減した。
• 設計は本質的にスケーラブルであり、チップ内統合に適しており、超コンパクトでポータブルな偏光計の大量生産が可能である。
• このアーキテクチャはCバンドを越えた波長領域、特に従来の二重点効果材料が利用できない中赤外領域でも動作可能である。
• 光強度変動による強度揺らぎは、4つの出力チャネルすべてに一様に現れるため、システムが偏光と強度の影響を区別できることが確認された。