ES2292369B2 - Procedimiento y sistema de deteccion de polarizacion de la luz con respuesta paso banda. - Google Patents
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Abstract
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.
Description
Procedimiento y sistema de detección de
polarización de la luz con respuesta paso banda.
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.
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.
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.
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.
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 \perp 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
\theta 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, la
funcionalidad de detección paso banda, es decir, detección en una
banda espectral concreta definida por el rango de longitudes de
onda donde el detector es sensible a la polarización de la luz. La
respuesta paso banda se obtiene independientemente del ángulo de
polarización de la señal incidente teniendo en cuenta que las
fotocorrientes I_{ph,I} y I_{ph,II} son las
componentes en fase y en cuadratura de
R_{\perp}-R_{||} para \theta = 45º. Sumando el
cuadrado de ambas fotocorrientes se obtiene una respuesta paso
banda en la región espectral donde el dispositivo es sensible a la
polarización. Se podrían utilizar otras relaciones trigonométricas
para un B arbitrario que complicarían el procesado de datos
posterior. Por tanto, también es adecuado utilizar este
procedimiento de detección en aplicaciones donde se requiera
selectividad espectral independientemente de si interesa la
característica de sensibilidad a la polarización. La banda sensible
a la polarización y, consecuentemente, la de detección dependen del
material empleado y del tipo de implementación, alcanzado altos
factores de calidad y permitiendo que la respuesta espectral sea
sintonizable en función de la composición del material sensible a
la polarización.
Este sistema se compone genéricamente de tres
módulos básicos:
a. Módulo formado por de uno a cuatro
detectores sensibles a la polarización de la luz que recogen la
luz incidente proveniente de un sistema óptico de acoplo orientados
en direcciones ortogonales en grupos de dos donde el eje de
referencia de uno de los grupos está desplazado un ángulo con
respecto al otro. Estos detectores exhiben propiedades dicroicas en
el rango espectral de interés para el usuario. También es válido,
en este caso, el uso de detectores convencionales con filtros de
polarización integrados basados en consideraciones geométricas, por
ejemplo, mediante rejillas con un patrón definido. Cuando se
utilizan cuatro detectores, cada uno se orienta en una dirección
diferente con respecto a un eje de referencia situado en el plano de
los detectores, como se ha comentado anteriormente (un mayor número
de detectores no añade más funcionalidad). A diferencia de este
caso, cuando el número de detectores es menor que cuatro
(típicamente interesará que sea uno), es necesario emplear un
sistema que permita rotar la posición del detector en el plano
perpendicular a la incidencia. La ventaja de un sistema donde se
rote el detector es que facilita el acoplo de luz, reduce el área
de detección e incrementa la señal. Sin embargo, el procesado de la
señal de salida debe hacerse posteriormente, cuando se tienen los
datos correspondientes a cada uno de los ángulos de referencia. Los
detectores basados en materiales dicroicos o con filtros integrados
se pueden sustituir por detectores convencionales donde el filtrado
de la polarización se realice externamente. En este último caso,
habría que rotar el filtro externo para una configuración de menos
de cuatro detectores.
b. Módulo de amplificación diferencial
formado por dos subsistemas que amplifican respectivamente la
diferencia que permite obtener tanto la referencia de fase como la
señal que se desea detectar y la diferencia que fija la referencia
de amplitud. Ambos subsistemas son conceptualmente idénticos y su
función es amplificar la diferencia de la señal detectada por cada
uno de los canales que se corresponden cada uno con un detector
individual para una orientación dada, ya que tienen como entradas
las salidas de dos de los detectores del módulo anterior situados
con sus ejes sensibles a la polarización de la luz en direcciones
ortogonales. En el caso de emplear un sistema donde se rote la
posición de los detectores, la diferencia se tiene que realizar con
señales almacenadas en momentos de tiempo distintos. Así, aunque se
disminuye la complejidad del acoplo de luz en los detectores, la
detección no puede ser instantánea como en el primer caso.
c. Módulo de procesado de las señales
diferenciales. El módulo de amplificación diferencial produce
dos salidas, cada una de las cuales pertenece a uno de los dos
subsistemas de amplificación. El ángulo de polarización de la luz se
obtiene procesando las dos salidas a partir de la relación entre la
respuesta de cada detector individual y el ángulo de polarización
de la luz. Este módulo está formado por un circuito multiplicador
que permite extraer el cociente entre la diferencia de la salida de
uno de los amplificadores diferenciales del módulo de amplificación
diferencial (amplificador 1) ponderada por un factor
cos(2\theta) con la salida del otro amplificador
diferencial del mismo módulo (amplificador 2) y la salida del
amplificador 1 ponderada por un factor sin(2\theta), así
como por un circuito que extrae el arco tangente de la señal
resultante. Seleccionando adecuadamente los ángulos de orientación
de los detectores con respecto a la referencia, por ejemplo, en
pasos de 45º, se puede simplificar la tarea de procesado. Para
configuraciones basadas en la rotación del detector o detectores es
necesario registrar la salida correspondiente a cada ángulo mientras
se realiza el barrido por todos los ángulos de observación. El tipo
de polarización se discrimina teniendo en cuenta que la señal de
los dispositivos se tiene que anular para el ángulo ortogonal al de
máxima respuesta sólo en el caso de polarización lineal.
La utilización de materiales semiconductores es
recomendable para reducir costes y mejorar las prestaciones
relacionadas con el tamaño y la capacidad de integración.
Un ejemplo de realización de la presente
invención consiste en emplear una tecnología basada en fotodiodos
de barrera Schottky de GaN orientado según el plano M y
crecido sobre sustratos de \gamma-LiAlO_{2}.
Los componentes de este sistema son:
- a.
- Cuatro diodos Schottky de GaN plano M crecido sobre sustratos de \gamma-LiAlO_{2} utilizados como detectores sensibles a la polarización de la luz en un rango en torno a 360 nm. El espesor de la epicapa de GaN es de 400 nm aproximadamente en todos los casos. Todos los diodos se han fabricado utilizando material de la misma oblea de forma que se optimice la homogeneidad de sus características El eje c de tres de los detectores está orientado en pasos de 45º con respecto al eje c de uno de los diodos tomado como referencia, es decir a 45º, 90º y 135º del mismo. El acoplo de luz se consigue utilizando un sistema de lentes que coliman la señal sobre el conjunto de detectores con el objetivo de obtener una distribución espacial de potencia uniforme.
- b.
- El módulo de amplificación diferencial está compuesto por dos subsistemas idénticos. Cada subsistema está formado por un amplificador diferencial cuyas entradas son la salida de una etapa de amplificación de transimpendancia que amplifica la fotocorriente generada en uno de los diodos Schottky de GaN plano M. La amplificación de transimpedancia se realiza con un amplificador operacional realimentado con una resistencia de alto valor (>1 M\Omega). El amplificador diferencial se construye a partir de un amplificador operacional realimentado negativamente por una resistencia y donde la salida de cada una de las etapas de transimpedancia se acopla a una entrada distinta del operacional a través de una resistencia (la referencia de la entrada positiva del operacional también se lleva a la masa del circuito a través de otra resistencia). La etapa de amplificación diferencial produce dos salidas.
- c.
- Las salidas del módulo de amplificación diferencial (canales) se procesan analógicamente empleando circuitos multiplicadores como divisores y, por último un circuito que permite extraer el arco tangente. En función del signo de fotocorriente relativo puede ser necesario hacer una corrección al ángulo determinado por este método por un valor de +90º. Las salidas del módulo de amplificación diferencial se usan también como señales de control y como señales de detección. La respuesta paso banda se implementa utilizando circuitos no lineales que elevan al cuadrado la señal, como multiplicadores o configuraciones de transistores FET.
Otras implementaciones posibles se basan en
utilizar desfasadores de señal variables o simplemente sistemas que
permitan rotar la posición de un diodo hasta 135º.
Como subsistema de detección en sistemas de
grabación magneto-óptica, de detección de la polarización de
fluorescencia, de detección selectiva espectralmente (por ejemplo,
en control de la combustión de llama), en cámaras para formación de
imágenes o en comunicaciones ópticas.
Claims (7)
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 \theta respecto el eje de referencia de los dos primeros
detectores (I_{ph,II}), mediante la expresión:
y, porque permite discriminar la
longitud de onda de la luz incidente al presentar 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 I_{ph,I}
y I_{ph,III} para una realización donde \theta es de
45º.
2. Sistema de detección de la polarización de la
luz que implementa el método descrito en la reivindicación 1 y que
comprende:
- -
- un módulo formado por de 1 a cuatro detectores sensibles a la polarización de la luz que recogen la luz incidente proveniente de un sistema óptico de acoplo orientados en direcciones ortogonales en grupos de dos donde el eje de referencia de uno de los grupos está desplazado un ángulo 0con respecto al otro,
- -
- un módulo de amplificación diferencial formado por dos amplificadores diferenciales que tienen como entradas las salidas de dos de los detectores del módulo anterior situados con sus ejes sensibles a la polarización de la luz en direcciones ortogonales,
- -
- un módulo de procesado de las señales diferenciales formado por un circuito multiplicador que permite extraer el cociente entre la diferencia de la salida de uno de los amplificadores diferenciales del módulo de amplificación diferencial (amplificador 1) ponderada por un factor cos(2\theta) con la salida del otro amplificador diferencial del mismo módulo (amplificador 2) y la salida del amplificador 1 ponderada por un factor sin(2\theta), así como por un circuito que extrae el arco tangente de la señal resultante.
3. Sistema de detección de luz según
reivindicación 2 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 \theta descrito en la reivindicación 1 de 45º.
4. Sistema de detección de luz según
reivindicaciones 2 y 3 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.
5. Sistema de detección de luz según
reivindicaciones 2 y 3 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}.
6. Sistema de detección de polarización de la
luz según reivindicaciones 2 y 3 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.
7. Sistema de detección de polarización de la
luz según reivindicaciones 2 y 3 caracterizado porque en una
realización preferida los detectores sensibles a la polarización
están formados por materiales semiconductores.
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| ES2292369A1 (es) | 2008-03-01 |
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Legal Events
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20080301 Kind code of ref document: A1 |
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Ref document number: 2292369B2 Country of ref document: ES |
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Effective date: 20180912 |