多功能界面可在自由空间中操纵光波

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混合 PIC/元光学系统。（a） 系统示意图：光纤通过波导将激光同时馈送到PIC中的所有切趾光栅。光从光栅中出来，一个包含宏光学阵列的单独芯片并行塑造光栅输出。（b） 整个混合平台的特写图像，其中14个宏光学元件阵列放置在PIC（由元光学芯片覆盖）的顶部。右图所示的光纤阵列用于将激光馈送到 PIC。（c） 光学装置示意图。SMF，单模光纤;质谱，超表面芯片;F、焦平面;L1，物镜（三丰10×计划阿波∞）;BS，分束立方体（索实验室CCM1 BS014）;L2，平凸透镜;L3，平凸透镜;CAM，相机（点灰色CMLN 13S2M CS）。暖 LED 用于对准，并关闭以进行测量。在我们的实验中，MS和PIC平面之间的垂直距离保持在1毫米。显微镜垂直移动以收集来自不同平面的光线。通过：高级光子学关系 （2023）。DOI： 10.1117/1.APN.2.3.036012

最近的技术进步赋予了我们操纵和控制光波的非凡能力，在光通信、传感、成像、能源和量子计算等各个领域开辟了众多应用。这一进展的核心是可以控制光波的光子结构，无论是在芯片级以光子集成电路（PIC）的形式还是在自由空间中作为元光学。

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结合这些结构可以创建紧凑的光学系统。PIC可用于对光波进行细微的改变，例如操纵其相位和强度以实现所需的输出，然后可以通过元光学在自由空间中引导。这种组合系统可以控制用于量子计算和功率光检测的量子比特，以及用于自动驾驶汽车导航和地图的测距系统。

由于PIC使用纳米级波导来限制和引导光，因此将其光耦合到较大的设备（如光纤）是很棘手的。光栅耦合器通常用于此目的，因为它们的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，限制了它们的适用性。

鉴于这一缺点，已经建议能够操纵任意形状的光波前的元光学器件来耦合来自PIC的光。尽管这种方法很有前途，但尚未报道PIC和自由空间之间的多功能耦合。

现在，在Advanced Photonics Nexus上发表的一项研究中，华盛顿大学的研究人员展示了一种芯片级混合PIC/meta光学平台，该平台由光子集成电路组成，光栅位于单独的元光学芯片下方。PIC包括16个排列在二维阵列中的相同光栅，每个光栅的孔径尺寸为300微米，并通过光栅耦合器耦合到光纤。这些光栅用作波导，将光从光纤引导到元光学芯片，该芯片塑造光并将其输出到自由空间，平行于输入光。

西雅图华盛顿大学的资深作者Arka Majumdar副教授表示:使用一系列低损耗的元光学器件，我们在光子集成电路和自由空间之间开发了一种灵活且可互换的接口。

使用这个平台，研究人员能够同时使光通过14个PIC光栅，然后用14种不同的元光学器件塑造相应的光束，如元透镜，涡旋光束发生器，扩展焦深透镜和全息图。

元光学有能力塑造光波前，在自由空间光学和集成光子学之间创建一个多功能界面。这项研究利用了这一点。从PIC发出的所有光束都是相同的，但是通过在每个光栅顶部放置不同的元光学器件，我们能够同时单独操纵光束。

在他们使用不同元光学器件的实验中，研究人员发现，即使事先了解输入光或需要两个芯片之间的精确对准，该设备也能以高精度和可靠性运行。具体来说，他们实现了三微米的衍射极限光斑和峰值信噪比大于10分贝的全息图像。

所提出的设备的显着特点是它能够通过简单地更换与PIC连接的元光学器件来改变其功能。这为控制和修改具有高度容错能力的光束提供了广泛的可能性。该接口的潜在应用是多方面的，包括光束控制、结构光生成、光学捕获和冷原子量子比特的操作。

更多信息：Quentin A. A. Tanguy等人，集成光子学和自由空间之间的多功能接口，高级光子学Nexus（2023）。DOI： 10.1117/1.APN.2.3.036012

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