Medir de forma confiável o estado de polarização da luz é crucial para várias aplicações tecnológicas, que vão desde comunicação óptica até imagens biomédicas. No entanto, os polarímetros convencionais são feitos de componentes volumosos, o que os torna difíceis de reduzir em tamanho e limita sua adoção generalizada.

Pesquisadores do Instituto de Física Técnica de Xangai (SITP) da Academia Chinesa de Ciências e outros institutos desenvolveram recentemente um polarímetro full-Stokes no chip que pode ser mais fácil de implementar em larga escala. Seu dispositivo, apresentado em um artigo na Nature Electronics , é baseado em autovetores de polarização optoeletrônica , equações matemáticas que representam a relação linear entre o vetor Stokes incidente e a fotocorrente de um detector.

"Este trabalho foi motivado pela crescente demanda por dispositivos compactos de análise de polarização de alto desempenho em optoeletrônica", disse Jing Zhou, autor correspondente do artigo, ao Phys.org. "Polarímetros tradicionais, que dependem de componentes ópticos discretos e volumosos, apresentam desafios significativos para a miniaturização e limitam sua aplicabilidade mais ampla. Nosso principal objetivo é desenvolver uma solução on-chip capaz de leitura elétrica direta para reconstruir estados de polarização de Stokes completos."

Zhou e seus colegas descobriram uma nova estratégia para medir a polarização da luz. Essa estratégia é baseada em um novo conceito físico conhecido como autovetor de polarização optoeletrônica (OPEV), que expressa matematicamente a relação linear entre o vetor de Stokes incidente e a fotocorrente fluindo em um detector.

"Em seguida, estabelecemos um novo método de detecção de polarização de Stokes completo de alta precisão configurando quatro OPEVs para constituir uma matriz de conversão optoeletrônica (OCM) otimizada", disse Zhou.

"Por fim, desenvolvemos um polarímetro full-Stokes no chip com base nessa abordagem e alcançamos uma reconstrução full-Stokes de alta precisão em um formato compacto, preenchendo a lacuna entre as configurações volumosas tradicionais e os modernos sistemas optoeletrônicos inteligentes. O dispositivo foi projetado e otimizado com base no conceito de autovetores de polarização optoeletrônica."

O dispositivo desenvolvido pelos pesquisadores codifica informações de polarização em sinais elétricos por meio de autovetores habilitados para metassuperfície. Esse processo permite capturar os parâmetros completos de Stokes resolvendo um problema inverso, essencialmente reconstruindo estados de polarização desconhecidos arbitrários a partir das quatro fotocorrentes mensuráveis de subpixels.

"No processo de reconstrução, um algoritmo de aprendizado de máquina (regressão de processo gaussiano) também é empregado", disse Zhou. "A principal inovação está na manipulação desses autovetores por meio de metassuperfícies dentro da estrutura do espaço de parâmetros de Stokes, abordando requisitos de simetria, geometria e seu arranjo. Essa abordagem elimina a necessidade de componentes ópticos externos comumente exigidos em sistemas polarimétricos convencionais. Além disso, a metassuperfície aprimora a fotorresposta de materiais de detecção infravermelhos por meio de campos ópticos localizados."

O dispositivo desenvolvido por Zhou e seus colegas tem várias vantagens sobre os polarímetros convencionais. Mais notavelmente, ele pode ser miniaturizado, enquanto também atinge altos níveis de precisão e velocidades de operação rápidas. Além disso, ele é compatível com matrizes de plano focal, portanto, pode abrir caminho para aplicações polarimétricas mais interessantes no espectro infravermelho.

"Uma das nossas descobertas mais notáveis é o estabelecimento de uma relação de mapeamento linear clara e concisa entre o vetor de Stokes da luz incidente e a fotocorrente de um fotodetector", disse Zhou.

"Essa relação, que chamamos de autorizares de polarização optoeletrônica, serve como uma estrutura crucial para explorar várias conversões optoeletrônicas relacionadas à polarização óptica. Essa relação geralmente funciona para todos os detectores de lei quadrática, cuja fotoresposta é proporcional à potência de luz recebida."

Em testes iniciais, o dispositivo desenvolvido pelos pesquisadores obteve resultados notáveis, reconstruindo toda a gama de estados de polarização em intensidades de luz arbitrárias com um erro quadrático médio de menos de 1%. O novo polarímetro poderia ser usado para coletar medições precisas de polarização em tempo real, o que poderia ser vantajoso para várias aplicações, incluindo comunicação óptica, sensoriamento remoto, cosmologia e diagnósticos biomédicos.

"Nossa pesquisa futura continuará focada em melhorar a eficiência e a robustez do dispositivo, estendendo sua aplicação a materiais de detecção infravermelha mais comuns, como MCT, QWIP, InGaAs e T2SLs, e explorando seu potencial em campos emergentes, como comunicação quântica e sistemas de detecção autônomos", acrescentou Zhou.

"Além disso, planejamos buscar mais avanços em espectropolarimetria, enfatizando a conversão optoeletrônica e a leitura elétrica de informações de luz multidimensionais e interações entre luz e matéria."