Nature Photonics更新|使用可编程硅基光电子技术生成自由空间结构光
发布时间：2024-01-26 11:32:53 热度：683
1/26/2024，光纤在线讯，据逍遥科技整理。结构光是空间上有定制结构的光，具有独特的性质，可以支持从超高分辨率显微技术和光学钳子到计量学和量子信息处理等广泛应用。生成结构光束有多种技术，从液晶装置到超表面。近年来，快速发展的可编程集成光子技术开辟了新的可能性，作为稳定、高效和可重配置的途径来产生结构光。在本文中，我们总结了题为“使用可编程集成光子技术生成自由空间结构光”的研究论文中的关键思想和结果，该论文发表在《Nature?Photonics》上 [1]。这项工作演示了一个无须移动部件的可编程光子处理器如何通过互连的光波导网格改变光在其中传播的振幅和相位，从而在自由空间中形成各种结构光束，并可以在亚毫秒量级上进行重配置。
概述
该系统的工作原理如下(图1)：
1.在计算机上指定所需的自由空间模式，并计算出优化的芯片设置。
2.将来自激光源的光耦合到可编程硅基光电子电路中。
3.光子处理器根据计算出的设置路由光并塑造其振幅/相位。
4.光线通过光栅耦合器阵列从芯片中发出。
发出的光在远场中产生干涉，形成所需的空间模式。如理论和实验所示，有利于按需生成各种高阶结构光束，如 Laguerre-高斯光束和 Hermite-高斯光束，也允许这些模式之间的叠加以及使用无移动部件的方式进行实时切换。
图1 | 利用系统概述。在计算机上指定所需的场分布后，计算出所需的设置并将其发送到光子芯片(底部)。这些设置配置光学链路，使其在互连的波导网中分配光，然后重新发出具有定制的振幅和相位的光，在远场中产生所需的场分布。左侧显示了所需的三个结构模式的示例，右侧显示了相应的三个理论生成的自由空间输出场。
计算和控制芯片设置
实现这种光束操纵的关键组件是集成光子电路(图2)。类似于由马赫-曾德尔干涉仪组成的二进制树，用于无损耗地分离和路由光。每个干涉臂中的相移器有助于调谐相对相位在-π到π之间。最终，来自单个输入波导的光被整形为16个复杂输出，并馈入光栅耦合器阵列。
为了生成所需的自由空间输出，需要从目标远场分布中数学计算出16个相对振幅/相位设置。经过仔细校准后，光子处理器可以使用电阻加热器来配置以产生这些场分布。这有助于根据数字控制信号，无损耗地将任意输入转换为输出。
图2 | 可重配置光子集成电路生成结构光。a，显示类似马赫-曾德尔干涉仪二进制树的波导网格的微图。B，4×4 自由空间发射器平面阵列的详细图像。c-e，生成的高斯光束阵列示例。c，相关的目标芯片上强度(用圆的大小表示)和相位(颜色编码)。所需生成的高斯强度分布如右上角插图所示。d，导致的理论远场强度分布。单个发射器的远场强度如插图所示。e，用相机记录的实验远场强度。
实验演示
作者通过生成各种结构光场来演示他们的技术。图3和图4展示了各种Laguerre -高斯光束的实验获得的远场强度模式，以及与Hermite-高斯光束和它们的叠加相关的模式。测量验证了单个可重配置光子芯片如何按需产生各种高阶模式。补充材料中的其他示例突出显示了调整生成光束的大小和位置等功能。此外，演示了在高达2 kHz的速度在结构化的光模式之间切换，仅受相机的限制，而光子芯片可以实现微秒量级的切换时间。
图3 | 光学设置装置。a,特写显示印刷电路板(PCB)上用于载放光子芯片的区域(用圆圈标出)。b,焊接在PCB上的光子芯片的微图。c,实验设置示意图。波长为1,550纳米的入射激光束从左侧进入，并通过一个光栅耦合器与光子电路自由空间耦合。为了测量发射的结构光的远场分布，将收集显微镜物镜的背焦平面成像到相机上。
图4 | 模拟和测量各种结构光束的自由空间远场模式。目标光强度分布(左上角)取样为16个复数场分布,对应发射器的位置。以相应大小和颜色的圆表示各自的强度和相位(左下角)。相干叠加单个发射器的相应远场发射导致光子芯片的模拟阵列远场模式(中间)。这里仅显示了角频谱的一部分区域。灰色正方形表示中心衍射级参考。实验上,通过将发出光的角频谱成像到相机上来记录远场(右边)。a,b,不同基方向的HG11 阶 Hermite–高斯光束阵列。c,额外的Hermite–高斯光束生成示例。d,e,不同阶Laguerre–高斯光束阵列。f,两个Laguerre–高斯光束的叠加。更多结果在扩展数据图 1 和 2 中显示。
结论和展望
光子芯片生成可调谐自由空间结构光的方法，集成了速度快、可重配置性高和易集成化等优点。当前的 4×4 系统是结构光可以按需从单个光波导上创建的一个有力的概念验证。
该技术可以扩展到更多的发射器和定制极化状态。研究人员也看好将光子电路与芯片光源集成在一起的前景，实现完全集成的系统。随着可编程纳米硅基光电子技术的快速推进,这一演示为在稳健和可自定义的集成芯片中生成和处理结构光开辟了前景。可以通过摆脱笨重的自由空间光学组件，将先进的空间结构光相关应用推向更广阔的范围。这种新兴的基于芯片的、通用和动态的自由空间光束成形方法，其发展前景广阔。
参考来源
[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
关于逍遥科技：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
概述
该系统的工作原理如下(图1)：
1.在计算机上指定所需的自由空间模式，并计算出优化的芯片设置。
2.将来自激光源的光耦合到可编程硅基光电子电路中。
3.光子处理器根据计算出的设置路由光并塑造其振幅/相位。
4.光线通过光栅耦合器阵列从芯片中发出。
发出的光在远场中产生干涉，形成所需的空间模式。如理论和实验所示，有利于按需生成各种高阶结构光束，如 Laguerre-高斯光束和 Hermite-高斯光束，也允许这些模式之间的叠加以及使用无移动部件的方式进行实时切换。
图1 | 利用系统概述。在计算机上指定所需的场分布后，计算出所需的设置并将其发送到光子芯片(底部)。这些设置配置光学链路，使其在互连的波导网中分配光，然后重新发出具有定制的振幅和相位的光，在远场中产生所需的场分布。左侧显示了所需的三个结构模式的示例，右侧显示了相应的三个理论生成的自由空间输出场。
计算和控制芯片设置
实现这种光束操纵的关键组件是集成光子电路(图2)。类似于由马赫-曾德尔干涉仪组成的二进制树，用于无损耗地分离和路由光。每个干涉臂中的相移器有助于调谐相对相位在-π到π之间。最终，来自单个输入波导的光被整形为16个复杂输出，并馈入光栅耦合器阵列。
为了生成所需的自由空间输出，需要从目标远场分布中数学计算出16个相对振幅/相位设置。经过仔细校准后，光子处理器可以使用电阻加热器来配置以产生这些场分布。这有助于根据数字控制信号，无损耗地将任意输入转换为输出。
图2 | 可重配置光子集成电路生成结构光。a，显示类似马赫-曾德尔干涉仪二进制树的波导网格的微图。B，4×4 自由空间发射器平面阵列的详细图像。c-e，生成的高斯光束阵列示例。c，相关的目标芯片上强度(用圆的大小表示)和相位(颜色编码)。所需生成的高斯强度分布如右上角插图所示。d，导致的理论远场强度分布。单个发射器的远场强度如插图所示。e，用相机记录的实验远场强度。
实验演示
作者通过生成各种结构光场来演示他们的技术。图3和图4展示了各种Laguerre -高斯光束的实验获得的远场强度模式，以及与Hermite-高斯光束和它们的叠加相关的模式。测量验证了单个可重配置光子芯片如何按需产生各种高阶模式。补充材料中的其他示例突出显示了调整生成光束的大小和位置等功能。此外，演示了在高达2 kHz的速度在结构化的光模式之间切换，仅受相机的限制，而光子芯片可以实现微秒量级的切换时间。
图3 | 光学设置装置。a,特写显示印刷电路板(PCB)上用于载放光子芯片的区域(用圆圈标出)。b,焊接在PCB上的光子芯片的微图。c,实验设置示意图。波长为1,550纳米的入射激光束从左侧进入，并通过一个光栅耦合器与光子电路自由空间耦合。为了测量发射的结构光的远场分布，将收集显微镜物镜的背焦平面成像到相机上。
图4 | 模拟和测量各种结构光束的自由空间远场模式。目标光强度分布(左上角)取样为16个复数场分布,对应发射器的位置。以相应大小和颜色的圆表示各自的强度和相位(左下角)。相干叠加单个发射器的相应远场发射导致光子芯片的模拟阵列远场模式(中间)。这里仅显示了角频谱的一部分区域。灰色正方形表示中心衍射级参考。实验上,通过将发出光的角频谱成像到相机上来记录远场(右边)。a,b,不同基方向的HG11 阶 Hermite–高斯光束阵列。c,额外的Hermite–高斯光束生成示例。d,e,不同阶Laguerre–高斯光束阵列。f,两个Laguerre–高斯光束的叠加。更多结果在扩展数据图 1 和 2 中显示。
结论和展望
光子芯片生成可调谐自由空间结构光的方法，集成了速度快、可重配置性高和易集成化等优点。当前的 4×4 系统是结构光可以按需从单个光波导上创建的一个有力的概念验证。
该技术可以扩展到更多的发射器和定制极化状态。研究人员也看好将光子电路与芯片光源集成在一起的前景，实现完全集成的系统。随着可编程纳米硅基光电子技术的快速推进,这一演示为在稳健和可自定义的集成芯片中生成和处理结构光开辟了前景。可以通过摆脱笨重的自由空间光学组件，将先进的空间结构光相关应用推向更广阔的范围。这种新兴的基于芯片的、通用和动态的自由空间光束成形方法，其发展前景广阔。
参考来源
[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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