用可编程集成光子学产生自由空间结构光

Johannes Bütow, Jörg S. Eismann, Varun Sharma, Dorian Brandmüller and Peter Banzer, Generating free-space structured light with programmable integrated photonics. Nature Photonics 18: 243-249 (2024).

操纵光场和局部整形光的基本特性以满足特定需求，使基础研究水平和高级应用取得了突破。超分辨率显微镜、通信、光镊、计量学和量子信息处理只是众多重要例子中的一小部分。存在许多方法，每种方法都有自己的优缺点，只要产生的场符合麦克斯韦方程组，就可以促进几乎任意的光场和结构化光束的产生。在许多光束整形场景中，光束的振幅、偏振或相位是通过使用基于液晶的设备来雕刻的。其他技术基于超表面、微镜、微机电或光子晶体。特别是，由于该领域的快速发展，基于集成光子学的方法最近受到了极大的关注。例如，集成光子系统提供了更高的鲁棒性且可以很容易地集成其他片上光学元件，如无损分路器或激光源。这为所有集成、便携和坚固的系统开辟了新的可能性，使结构光能够在要求苛刻的应用中得到利用，而无需复杂的自由空间对准和调制。

实时精确控制、发射和重新配置片上光且没有移动部件，也是新兴的可编程集成光子电路领域的核心。在这里，通用2×2光学门（马赫-曾德干涉仪）的网格在几十到几百微秒内对光的流动提供了广泛而无损的控制。这使得在量子信息处理、人工神经网络的实现以及矩阵运算和通信中的应用成为可能。将自由空间发射器阵列连接到这些光子电路，可以创建一个控制相对振幅和相位的自由空间光接口。这种系统实现了芯片上分离和自由空间模式测量等新应用。从自由空间发射器发射定制的片上光也是光学相控阵的基本原理。

基于集成光子学的结构光生成系统，如图1所示。为了便于解释，假设目标是生成特定应用程序所需的三个结构化模式的序列（图1，左上角）。在理论上指定了这些所需的场之后，计算机可以计算并存储必须应用于光子芯片以生成这些结构模式的精确控制参数。光子电路上的波导结构（图1，底部中心）基本上类似于一棵树。激光源的相干光在电路开始时被耦合到单个注入波导中，类似于树干。当光流过波导网时，在每个结点处，通过计算机应用的控制参数决定了光如何分布到分支中。最终，这能够精确地操纵光子电路输出端每个波导中光的相对强度和相位。处理后，光通过外耦合器阵列再次耦合到自由空间，干涉并传播到远场，在那里形成所需的场分布。图1（右）显示了三种结构模式示例序列获得的远场强度模式。

底层光子架构基于15个可重构马赫曾德干涉仪的网格，排列成二叉树（图2a）。每个片上干涉仪都有两个50:50的分束器（3-dB定向耦合器）和两个加热器，用于控制通过相应波导传播的光的相对相位。通过仔细调整这些相位，每个干涉仪可以将其单个输入场分成两个具有任意相对强度和相对相位的输出场。经过四级干涉仪后，耦合到第一波导的原始输入场被转换为16个复值片上场（图2a，右），这些场具有量身定制的相对强度和相位。值得注意的是，除了片上组件的缺陷外，这种场转换不会引入任何基本损耗，因此，所有耦合到注入波导的光都被转换为16个复值场。经过片上场转换后，产生的场由其相关的波导引导到4×4的方形发射器阵列，即标准光栅耦合器，作为自由空间输出接口（图2a（右）和图2b）。

使用光子芯片的一个重要方面是确定导致产生所需远场分布的16个复值片上场振幅。在此背景下，重要的是要理解单个光栅耦合器发射的场的空间结构由其设计决定；因此，在制造后不能改变。调整施加的相移只会影响每个发射器的强度和相位，从而影响其对远场的单独贡献。通过时域有限差分模拟获得了单个光栅耦合器的近场。为了量化该发射器场与所需光束的局部场的相似程度，有必要计算重叠积分。更精确地说，目标光束的场分布和单个光栅耦合器的输出场之间的重叠积分在芯片表面正上方300 nm距离处的平面内计算。分别计算每个光栅耦合器的重叠积分得到16个复数值。它们充当光子电路必须生成的16个片上场的复系数。对于高斯光束的特定情况，所需的场分布和上述计算值，如图2c所示。注意，在这些计算中，目标光束以平均传播方向沿x方向相对于芯片表面法线倾斜12°来计算，因为这是光栅耦合器的近似发射角。然而，在所有重叠值的图示中，与此倾斜相关的相位斜坡被减去，以简化图案的解释。

现在，讨论如何控制光子电路以产生所需的网格输出。在此之前，有必要仔细校准芯片。为此，采用了最近的校准策略。简而言之，这种校准方法需要将一个已知的输入光束（此处为准直高斯光束）发送到光栅耦合器阵列上，用于在接下来的步骤中进行光束整形（图2a，右）。该光束用作振幅和相位参考，耦合到电路中，并通过波导网格向后传播以进行校准。在此过程中，光子网格中的所有移相器都同时用不同的电压进行寻址，从而控制芯片上的光干扰。对于每种电压设置，记录了另一侧光栅耦合器（图2a，左）发出的最终强度。最终，通过分析记录的数据，可以从这次测量中表征电路中的所有相关组件。这通过在记录的数据和网格的理论传递矩阵之间进行多参数拟合来实现，该矩阵包含其所有未知参数作为自由变量。这同时校准了每个片上分束器的分光比、光栅耦合器的耦合损耗以及每个热移相器的单独电压与相移关系。后者尤为重要，因为它允许使用加热器特定的查找表将施加的电压转换为产生的相移，反之亦然。使用校准芯片的主要优点是，从这里开始，可以通过计算获得芯片生成任意输出分布所需的设置。

在这里，简要讨论用于捕获测量的远场数据的实验光学装置。为了首先给人留下光子芯片的尺寸、安装和引线键合的印象，图3a、b分别显示了印刷电路板的特写照片和光子芯片的显微镜图像。图3c显示了围绕芯片构建的光学设置。波长为1550 nm的自由空间激光束从左侧进入，并通过D形镜被透镜聚焦到光子芯片的一个输入光栅耦合器上。注意，光源也可以集成在未来几代芯片中。然而，这里选择了自由空间注入来降低系统的复杂性，并使用相同的光子芯片实现不同的应用。穿过光子电路并由输出光栅耦合器阵列发射的光被显微镜物镜收集和准直。通过将显微镜物镜的后焦平面（傅里叶平面）成像到传统红外相机上来评估所产生的结构光的角谱。图2e显示了其中一个记录的相机图像，稍后将显示其他图像。

为了展示该系统的深远功能，配置了光子处理器来产生各种各样的自由空间图案。图4显示了包括高阶束阵列和模态叠加的主要结果。图4中所有面板的组成都是相同的。所需的强度分布如左上角所示，发射器的相应强度和相位设置，即计算出的重叠值。使用这种配置生成的模拟自由空间远场强度分布如图中心所示，实验对应物如图右侧所示。包含中心衍射级的角度区域由灰色正方形标记。在该区域内可以清楚地识别出要生成的目标分布，其周围分布着相邻的衍射级。

在图4a、b中，研究人员展示了在两个不同基向上生成HG11阶厄米-高斯光束阵列的过程。显然，在这两种情况下，生成的结构化场与所需的光束非常相似。仔细观察，可以发现所需光束和产生的远场之间强度瓣外部形状的微小差异（图4a）。这里，由于模态基的不利取向，所需光束的特征没有用发射器阵列进行最佳采样。一半的可用发射器对远场的产生没有贡献（对应于直径消失的圆；图4a，左下）。相比之下，旋转的HG11光束（图4b）使光束对称性和发射器布局之间更好地匹配。因此，所有16个发射器都有助于产生远场。接下来，图4c、d分别显示了HG20阶厄米-高斯光束阵列和拉盖尔-高斯光束LG01阵列的生成。在测量的远场中可以观察到微小的偏差，这可能由于例如光子网格的校准或制造引起的发射器单个发射特性的差异造成。图4e显示了生成的径向折射率为1（LG10）的拉盖尔-高斯光束阵列。在图4f中，研究人员实现了光束的叠加，即基本高斯（LG00）和拉盖尔-高斯（LG02）光束的组合。在这种情况下，选择光束之间相等的相对振幅和没有相对相位。注意，生成的远场分布相对于目标分布进行了局部旋转。这种旋转的物理起源是叠加中不同模阶在从芯片传播到远场时获得的不同Gouy相位。由此产生的旋转取决于单个模式的贡献，可以在实验中加以解释。

研究人员使用可编程集成光子处理器实现并实验验证了高阶自由空间结构光场的产生和控制。芯片上光的精确无损路由允许以极大的灵活性、多功能性和极高的速度定制发射器阵列的相对振幅和相位。即使只有4×4的发射器阵列，也可以高质量地产生各种空间高阶模和叠加光束。这进一步扩展了可重构光子集成电路的自由空间应用，并为涉及结构光的新型全集成应用提供了强大的工具。

最后，研究人员讨论了用于产生结构光的可编程集成光子处理器的未来实现的一些可能性和前景。预计排放者的总数很快就会增加。因此，充分的采样和随后生成更复杂的光分布将成为可能。与此同时，准备与光子电路结合的新型集成光学元件和构建块的组合正在不断增加。一些发展——所有这些发展都直接适用于产生结构光的方法——尤其值得注意。例如，将偏振敏感光栅耦合器纳入发射器阵列也将允许未来的设备构建空间偏振分布。可重构集成电路的先进功能甚至可以通过单个可编程集成芯片同时产生和空间检测光。关于工作波长，基于氮化硅的光子处理器的最新进展已经使这里提出的系统在可见光谱范围内成为可能。这里讨论的系统在1550 nm的红外波段运行；通过适当地重新设计片上组件，可以很容易地改变给定架构的设计波长。关于产生的输出场的切换速度，实现了在数百微秒内的动态控制，而几十微秒的速度可行。这超出了许多成熟的光束整形技术的能力且不使用任何移动部件。通过实施替代的片上移相器技术，可以进一步改善动态控制，从而在空间和时间上产生带宽超过数十兆赫的结构光。通过所提出的片上结构光生成方法，可以通过实现一个或多个片上可控光源来实现完全集成的系统。这将产生一种坚固、便携、全集成的结构光发生器，不受复杂的自由空间对齐的限制，可以在空间有限的苛刻条件下应用。