1/26/2024，光纖在線訊，據(jù)逍遙科技整理。結(jié)構(gòu)光是空間上有定制結(jié)構(gòu)的光，具有獨特的性質(zhì)，可以支持從超高分辨率顯微技術(shù)和光學(xué)鉗子到計量學(xué)和量子信息處理等廣泛應(yīng)用。生成結(jié)構(gòu)光束有多種技術(shù)，從液晶裝置到超表面。近年來，快速發(fā)展的可編程集成光子技術(shù)開辟了新的可能性，作為穩(wěn)定、高效和可重配置的途徑來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。在本文中，我們總結(jié)了題為“使用可編程集成光子技術(shù)生成自由空間結(jié)構(gòu)光”的研究論文中的關(guān)鍵思想和結(jié)果，該論文發(fā)表在《Nature?Photonics》上 [1]。這項工作演示了一個無須移動部件的可編程光子處理器如何通過互連的光波導(dǎo)網(wǎng)格改變光在其中傳播的振幅和相位，從而在自由空間中形成各種結(jié)構(gòu)光束，并可以在亞毫秒量級上進行重配置。

概述 

該系統(tǒng)的工作原理如下(圖1)：

1.在計算機上指定所需的自由空間模式，并計算出優(yōu)化的芯片設(shè)置。

2.將來自激光源的光耦合到可編程硅基光電子電路中。

3.光子處理器根據(jù)計算出的設(shè)置路由光并塑造其振幅/相位。

4.光線通過光柵耦合器陣列從芯片中發(fā)出。

     發(fā)出的光在遠場中產(chǎn)生干涉，形成所需的空間模式。如理論和實驗所示，有利于按需生成各種高階結(jié)構(gòu)光束，如 Laguerre-高斯光束和 Hermite-高斯光束，也允許這些模式之間的疊加以及使用無移動部件的方式進行實時切換。

 
圖1 | 利用系統(tǒng)概述。在計算機上指定所需的場分布后，計算出所需的設(shè)置并將其發(fā)送到光子芯片(底部)。這些設(shè)置配置光學(xué)鏈路，使其在互連的波導(dǎo)網(wǎng)中分配光，然后重新發(fā)出具有定制的振幅和相位的光，在遠場中產(chǎn)生所需的場分布。左側(cè)顯示了所需的三個結(jié)構(gòu)模式的示例，右側(cè)顯示了相應(yīng)的三個理論生成的自由空間輸出場。

計算和控制芯片設(shè)置 

     實現(xiàn)這種光束操縱的關(guān)鍵組件是集成光子電路(圖2)。類似于由馬赫-曾德爾干涉儀組成的二進制樹，用于無損耗地分離和路由光。每個干涉臂中的相移器有助于調(diào)諧相對相位在-π到π之間。最終，來自單個輸入波導(dǎo)的光被整形為16個復(fù)雜輸出，并饋入光柵耦合器陣列。

     為了生成所需的自由空間輸出，需要從目標(biāo)遠場分布中數(shù)學(xué)計算出16個相對振幅/相位設(shè)置。經(jīng)過仔細校準(zhǔn)后，光子處理器可以使用電阻加熱器來配置以產(chǎn)生這些場分布。這有助于根據(jù)數(shù)字控制信號，無損耗地將任意輸入轉(zhuǎn)換為輸出。


圖2 | 可重配置光子集成電路生成結(jié)構(gòu)光。a，顯示類似馬赫-曾德爾干涉儀二進制樹的波導(dǎo)網(wǎng)格的微圖。B，4×4 自由空間發(fā)射器平面陣列的詳細圖像。c-e，生成的高斯光束陣列示例。c，相關(guān)的目標(biāo)芯片上強度(用圓的大小表示)和相位(顏色編碼)。所需生成的高斯強度分布如右上角插圖所示。d，導(dǎo)致的理論遠場強度分布。單個發(fā)射器的遠場強度如插圖所示。e，用相機記錄的實驗遠場強度。

實驗演示 

     作者通過生成各種結(jié)構(gòu)光場來演示他們的技術(shù)。圖3和圖4展示了各種Laguerre -高斯光束的實驗獲得的遠場強度模式，以及與Hermite-高斯光束和它們的疊加相關(guān)的模式。測量驗證了單個可重配置光子芯片如何按需產(chǎn)生各種高階模式。補充材料中的其他示例突出顯示了調(diào)整生成光束的大小和位置等功能。此外，演示了在高達2 kHz的速度在結(jié)構(gòu)化的光模式之間切換，僅受相機的限制，而光子芯片可以實現(xiàn)微秒量級的切換時間。


圖3 | 光學(xué)設(shè)置裝置。a,特寫顯示印刷電路板(PCB)上用于載放光子芯片的區(qū)域(用圓圈標(biāo)出)。b,焊接在PCB上的光子芯片的微圖。c,實驗設(shè)置示意圖。波長為1,550納米的入射激光束從左側(cè)進入，并通過一個光柵耦合器與光子電路自由空間耦合。為了測量發(fā)射的結(jié)構(gòu)光的遠場分布，將收集顯微鏡物鏡的背焦平面成像到相機上。


圖4 | 模擬和測量各種結(jié)構(gòu)光束的自由空間遠場模式。目標(biāo)光強度分布(左上角)取樣為16個復(fù)數(shù)場分布,對應(yīng)發(fā)射器的位置。以相應(yīng)大小和顏色的圓表示各自的強度和相位(左下角)。相干疊加單個發(fā)射器的相應(yīng)遠場發(fā)射導(dǎo)致光子芯片的模擬陣列遠場模式(中間)。這里僅顯示了角頻譜的一部分區(qū)域�；疑�正方形表示中心衍射級參考。實驗上,通過將發(fā)出光的角頻譜成像到相機上來記錄遠場(右邊)。a,b,不同基方向的HG11 階 Hermite–高斯光束陣列。c,額外的Hermite–高斯光束生成示例。d,e,不同階Laguerre–高斯光束陣列。f,兩個Laguerre–高斯光束的疊加。更多結(jié)果在擴展數(shù)據(jù)圖 1 和 2 中顯示。

結(jié)論和展望 

     光子芯片生成可調(diào)諧自由空間結(jié)構(gòu)光的方法，集成了速度快、可重配置性高和易集成化等優(yōu)點。當(dāng)前的 4×4 系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)光可以按需從單個光波導(dǎo)上創(chuàng)建的一個有力的概念驗證。

     該技術(shù)可以擴展到更多的發(fā)射器和定制極化狀態(tài)。研究人員也看好將光子電路與芯片光源集成在一起的前景，實現(xiàn)完全集成的系統(tǒng)。隨著可編程納米硅基光電子技術(shù)的快速推進,這一演示為在穩(wěn)健和可自定義的集成芯片中生成和處理結(jié)構(gòu)光開辟了前景。可以通過擺脫笨重的自由空間光學(xué)組件，將先進的空間結(jié)構(gòu)光相關(guān)應(yīng)用推向更廣闊的范圍。這種新興的基于芯片的、通用和動態(tài)的自由空間光束成形方法，其發(fā)展前景廣闊。

參考來源

[1]Bülow, J., Eismann, J.S., Sharma, V. et al. Generating free-space structured light with programmable integrated photonics. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-023-01354-2

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