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(dú)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(jì)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(lái)，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(lái)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(xiàng)工作演示了一個(gè)無(wú)須移動(dòng)部件的可編程光子處理器如何通過(guò)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(jí)上進(jìn)行重配置。

概述 

該系統(tǒng)的工作原理如下(圖1)：

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

2.將來(lái)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(jì)算出的設(shè)置路由光并塑造其振幅/相位。

4.光線通過(guò)光柵耦合器陣列從芯片中發(fā)出。

     發(fā)出的光在遠(yuǎn)場(chǎng)中產(chǎn)生干涉，形成所需的空間模式。如理論和實(shí)驗(yàn)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(wú)移動(dòng)部件的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)切換。

 
圖1 | 利用系統(tǒng)概述。在計(jì)算機(jī)上指定所需的場(chǎng)分布后，計(jì)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(yuǎn)場(chǎng)中產(chǎn)生所需的場(chǎng)分布。左側(cè)顯示了所需的三個(gè)結(jié)構(gòu)模式的示例，右側(cè)顯示了相應(yīng)的三個(gè)理論生成的自由空間輸出場(chǎng)。

計(jì)算和控制芯片設(shè)置 

     實(shí)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(jìn)制樹，用于無(wú)損耗地分離和路由光。每個(gè)干涉臂中的相移器有助于調(diào)諧相對(duì)相位在-π到π之間。最終，來(lái)自單個(gè)輸入波導(dǎo)的光被整形為16個(gè)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(yuǎn)場(chǎng)分布中數(shù)學(xué)計(jì)算出16個(gè)相對(duì)振幅/相位設(shè)置。經(jīng)過(guò)仔細(xì)校準(zhǔn)后，光子處理器可以使用電阻加熱器來(lái)配置以產(chǎn)生這些場(chǎng)分布。這有助于根據(jù)數(shù)字控制信號(hào)，無(wú)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(jìn)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(xì)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(qiáng)度(用圓的大小表示)和相位(顏色編碼)。所需生成的高斯強(qiáng)度分布如右上角插圖所示。d，導(dǎo)致的理論遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布。單個(gè)發(fā)射器的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度如插圖所示。e，用相機(jī)記錄的實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)演示 

     作者通過(guò)生成各種結(jié)構(gòu)光場(chǎng)來(lái)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(shí)驗(yàn)獲得的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度模式，以及與Hermite-高斯光束和它們的疊加相關(guān)的模式。測(cè)量驗(yàn)證了單個(gè)可重配置光子芯片如何按需產(chǎn)生各種高階模式。補(bǔ)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(dá)2 kHz的速度在結(jié)構(gòu)化的光模式之間切換，僅受相機(jī)的限制，而光子芯片可以實(shí)現(xiàn)微秒量級(jí)的切換時(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。波長(zhǎng)為1,550納米的入射激光束從左側(cè)進(jìn)入，并通過(guò)一個(gè)光柵耦合器與光子電路自由空間耦合。為了測(cè)量發(fā)射的結(jié)構(gòu)光的遠(yuǎn)場(chǎng)分布，將收集顯微鏡物鏡的背焦平面成像到相機(jī)上。


圖4 | 模擬和測(cè)量各種結(jié)構(gòu)光束的自由空間遠(yuǎn)場(chǎng)模式。目標(biāo)光強(qiáng)度分布(左上角)取樣為16個(gè)復(fù)數(shù)場(chǎng)分布,對(duì)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(qiáng)度和相位(左下角)。相干疊加單個(gè)發(fā)射器的相應(yīng)遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射導(dǎo)致光子芯片的模擬陣列遠(yuǎn)場(chǎng)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(jí)參考。實(shí)驗(yàn)上,通過(guò)將發(fā)出光的角頻譜成像到相機(jī)上來(lái)記錄遠(yuǎn)場(chǎng)(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(gè)Laguerre–高斯光束的疊加。更多結(jié)果在擴(kuò)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(diǎn)。當(dāng)前的 4×4 系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)光可以按需從單個(gè)光波導(dǎo)上創(chuàng)建的一個(gè)有力的概念驗(yàn)證。

     該技術(shù)可以擴(kuò)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(shí)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(jìn),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�？梢酝ㄟ^(guò)擺脫笨重的自由空間光學(xué)組件，將先進(jìn)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(dòng)態(tài)的自由空間光束成形方法，其發(fā)展前景廣闊。

參考來(lái)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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