多功能接口实现了对自由空间中的光波的操纵
发布时间：2023-05-24 08:00:00 阅读数： 17
混合PIC/metaoptical系统。(a) 系统的示意图： 一根光纤通过波导将激光同时送入PIC中的所有光刻光栅。光从光栅中出来，一个包含元光学阵列的独立芯片平行地塑造光栅输出。(b) 整个混合平台的特写图像，包括14个元光学器件阵列，放置在PIC的顶部（被元光学器件芯片覆盖）。右边所示的光纤阵列用于向PIC输送激光。(c) 光学装置的示意图。SMF，单模光纤；MS，元光芯片；F，焦平面；L1，物镜（Mitutoyo 10×plan Apo ∞）；BS，分光镜立方体（Thorlabs CCM1 BS014）；L2，平凸镜；L3，平凸镜；CAM，相机（Point Grey CMLN 13S2M CS）。一个温暖的LED用于对准，并在测量时关闭。在我们的实验中，MS和PIC的平面之间的垂直距离保持在1毫米不变。显微镜被垂直移动以收集来自不同平面的光。资料来源：Advanced Photonics Nexus（2023）。doi: 10.1117/1.apn.2.3.036012
最近的技术进步使我们有了操纵和控制光波的非凡能力，在各个领域开辟了大量的应用，如光通信、传感、成像、能源和量子计算。这一进展的核心是能够控制光波的光子结构，无论是在芯片层面上的光子集成电路（PIC），还是在自由空间的元光学。
将这些结构结合起来，就可以创造出紧凑的光学系统。PICs可以用来对光波进行微妙的改变，例如操纵其相位和强度以达到所需的输出，然后可以通过元光学技术在自由空间进行引导。这样的组合系统可以控制量子计算的量子比特和动力光探测，以及像用于自主车辆导航和测绘的测距系统。
由于PIC使用纳米级的波导来限制和引导光线，因此将它们的光线与较大的设备（如光纤）耦合是很棘手的。光栅耦合器通常用于这一目的，因为其光栅结构可以衍射进出PIC波导的光。然而，这些设备只能在一定程度上塑造光波，限制了其适用性。
鉴于这一缺陷，有人建议采用能够操纵具有任意形状的光波面的元光学器件来耦合来自PIC的光。尽管这种方法很有前途，但还没有关于PIC和自由空间之间多功能耦合的报道。
现在，在发表于《先进光子学纽带》的一项研究中，来自华盛顿大学的研究人员展示了一个芯片级的混合PIC/元光学平台，该平台由一个单独的元光学芯片下面的带光栅的光子集成电路组成。PIC由16个相同的光栅组成，排列在一个二维阵列中，每个光栅的孔径大小为300微米，用一个光栅耦合器耦合到一根光纤。这些光栅作为波导，将光从光纤引向元光学芯片，而元光学芯片将光塑造并输出到自由空间，与输入光平行。
"高级作者、西雅图华盛顿大学的Arka Majumdar副教授说："利用低损耗元光学阵列，我们在光子集成电路和自由空间之间开发了一个灵活和可替换的接口。
利用这个平台，研究人员能够同时让光通过14个PIC光栅，然后用14种不同的元光学技术塑造相应的光束，如元透镜、涡流光束发生器、扩展焦深透镜和全息图。
"元光学具有塑造光学波阵的能力，可以在自由空间光学和集成光子学之间创造一个多功能的界面。这项研究利用了这一点。所有从PIC出来的光束都是相同的，但是通过在每个光栅上面放置不同的元光学器件，我们能够同时单独操纵这些光束，"Majumdar解释说。
在他们对不同的元光学器件进行的实验中，研究人员发现，即使事先不知道输入光的情况，也不需要在两个芯片之间进行精确对准，该设备也能以高精确度和可靠性运行。具体来说，他们实现了三微米的衍射限制光斑和峰值信噪比大于10分贝的全息图像。
该提议装置的显著特点是它能够简单地通过更换与PIC相连的元光学器件来改变其功能。这使得控制和修改光束具有广泛的可能性，并具有高度的容错性。这个接口的潜在应用是多方面的，包括光束转向、结构光生成、光学诱捕和冷原子量子比特的操纵。
参考资料：Quentin A. A. Tanguy et al, Multifunctional interface between integrated photonics and free space, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI: 10.1117/1.APN.2.3.036012
