在自由空间操纵光波

新的技术进步迹象为控制和操纵光波提供了显著的能力，为不同领域的若干应用铺平了道路，包括光通信、成像、传感、能源和量子计算。

一个光子集成电路将从光纤接收到的输入光引导到一个独立的元光学芯片，该芯片在自由空间中将光弯曲成所需的形状。图片来源：Tanguy等人，doi 10.1117/1.APN.2.3.036012

这一进展的核心是可以调节光波的光子结构，既可以在自由空间作为元光学，也可以在芯片层面，以光子集成电路（PIC）的形式进行。整合这些结构有利于形成紧凑的光学系统。

PICs可以被用来对光波进行轻微的改变，比如操纵其强度和相位以获得所需的发现，然后可以通过元光学技术在自由空间进行引导。这些组合系统可以调节用于功率光检测和量子计算的量子比特，以及测距系统，如用于测绘和自主车辆导航的系统。

由于PIC采用纳米级的波导来限制和引导光线，将它们的光线与更大的设备（如光纤）结合起来是具有挑战性的。通常，光栅耦合器被用于这个原因--由于其光栅结构可以衍射进出PIC波导的光线。然而，这种设备只能在特定程度上塑造光波，这限制了其可用性。

考虑到这一局限性，已经提出了具有操纵任意形状的光波面能力的元光学，以结合来自PIC的光。在PIC和自由空间之间的多功能耦合仍未被报道，即使该方法似乎很有前途。

目前，在Advanced Photonics Nexus上报道的研究中，来自华盛顿大学的科学家建立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个类似的光栅组装成一个二维阵列，所有光栅的孔径大小为300微米，并使用光栅耦合器耦合到光纤。这种光栅作为波导，在光纤和元光学芯片之间引导光，元光学芯片将光输出并塑造到自由空间，与输入光平行。

利用低损耗的元光学器件阵列，我们开发出了光子集成电路和自由空间之间灵活和可互换的接口。---Arka Majumdar，高级作者，西雅图华盛顿大学的副教授

利用这个平台，科学家们可以同时将光送过14个PIC光栅，然后用14种不同的元光学技术来塑造符合要求的光束，如涡流光束发生器、元透镜、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。---Arka Majumdar，高级作者和西雅图华盛顿大学的副教授

在该团队对不同的元光学器件的实验中，科学家们发现，即使没有早期对输入光的了解或对两个芯片之间精确对准的要求，该设备也能高度准确地工作。具体而言，他们获得了一个三微米的衍射限制光斑和一个峰值信噪比超过10分贝的全息图像。

所建议的设备的显著特点是它能够通过交换与PIC相关的元光学器件来改变其功能。这使得它具有广泛的潜力来修改和控制具有高度误差的光束。这种接口的可能应用是多种多样的，它们包括结构化光的产生、光束转向、光学捕获和冷原子量子比特的操纵。

参考资料：Quentin A. A. T., et al. (2023) Multifunctional interface between integrated photonics and free space. Advanced Photonics Nexus. doi.org/10.1117/1.APN.2.3.036012