最近的技術(shù)進(jìn)步賦予了我們操縱和控制光波的非凡能力，在光通信、傳感、成像、能源和量子計算等各個領(lǐng)域開辟了眾多應(yīng)用。這一進(jìn)展的核心是可以控制光波的光子結(jié)構(gòu)，無論是在芯片級以光子集成電路（PIC）的形式還是在自由空間中作為元光學(xué)。

結(jié)合這些結(jié)構(gòu)可以創(chuàng)建緊湊的光學(xué)系統(tǒng)。PIC可用于對光波進(jìn)行細(xì)微的改變，例如操縱其相位和強(qiáng)度以實現(xiàn)所需的輸出，然后可以通過元光學(xué)在自由空間中引導(dǎo)。這種組合系統(tǒng)可以控制用于量子計算和功率光檢測的量子比特，以及用于自動駕駛汽車導(dǎo)航和地圖的測距系統(tǒng)。

由于PIC使用納米級波導(dǎo)來限制和引導(dǎo)光，因此將其光耦合到較大的設(shè)備（如光纖）是很棘手的。光柵耦合器通常用于此目的，因為它們的光柵結(jié)構(gòu)可以衍射進(jìn)出PIC波導(dǎo)的光。然而，這些設(shè)備只能在一定程度上塑造光波，限制了它們的適用性。

鑒于這一缺點，已經(jīng)建議能夠操縱任意形狀的光波前的元光學(xué)器件來耦合來自PIC的光。盡管這種方法很有前途，但尚未報道PIC和自由空間之間的多功能耦合。

現(xiàn)在，在Advanced Photonics Nexus上發(fā)表的一項研究中，華盛頓大學(xué)的研究人員展示了一種芯片級混合PIC/meta光學(xué)平臺，該平臺由光子集成電路組成，光柵位于單獨的元光學(xué)芯片下方。PIC包括16個排列在二維陣列中的相同光柵，每個光柵的孔徑尺寸為300微米，并通過光柵耦合器耦合到光纖。這些光柵用作波導(dǎo)，將光從光纖引導(dǎo)到元光學(xué)芯片，該芯片塑造光并將其輸出到自由空間，平行于輸入光。

混合 PIC/元光學(xué)系統(tǒng)。

西雅圖華盛頓大學(xué)的資深作者Arka Majumdar副教授說：“使用一系列低損耗的元光學(xué)器件，我們在光子集成電路和自由空間之間開發(fā)了一種靈活且可互換的接口。”

使用這個平臺，研究人員能夠同時使光通過14個PIC光柵，然后用14種不同的元光學(xué)器件塑造相應(yīng)的光束，如元透鏡，渦旋光束發(fā)生器，擴(kuò)展焦深透鏡和全息圖。

Majumdar解釋道：“元光學(xué)有能力塑造光波前，在自由空間光學(xué)和集成光子學(xué)之間創(chuàng)建一個多功能界面。這項研究利用了這一點。從PIC發(fā)出的所有光束都是相同的，但是通過在每個光柵頂部放置不同的元光學(xué)器件，我們能夠同時單獨操縱光束“。

在他們使用不同元光學(xué)器件的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，即使事先了解輸入光或需要兩個芯片之間的精確對準(zhǔn)，該設(shè)備也能以高精度和可靠性運(yùn)行。具體來說，他們實現(xiàn)了三微米的衍射極限光斑和峰值信噪比大于10分貝的全息圖像。

所提出的設(shè)備的顯著特點是它能夠通過簡單地更換與PIC連接的元光學(xué)器件來改變其功能。這為控制和修改具有高度容錯能力的光束提供了廣泛的可能性。該接口的潛在應(yīng)用是多方面的，包括光束控制、結(jié)構(gòu)光生成、光學(xué)捕獲和冷原子量子比特的操作。

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2023-05-multifunctional-interface-enables-free-space.html