混合PIC/元光学系统。(a)系统原理图:一根光纤通过波导将激光同时馈送到PIC中的所有apodized光栅。光从光栅中出来，一个独立的芯片包含一组元光学器件，形成光栅的平行输出。(b)整个混合平台的特写图像，14个元光学阵列，放置在PIC的顶部(被元光学芯片覆盖)。如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;MS，超表面芯片;F，焦平面;L1，物镜(Mitutoyo 10x plan Apo∞);BS，分束器立方体(Thorlabs CCM1 BS014);L2，平凸透镜;L3，平凸透镜;CAM，相机(点灰CMLN 13S2M CS)。一个温暖的LED用于校准和关闭测量。在我们的实验中，MS和PIC平面之间的垂直距离保持不变，为1mm。显微镜垂直移动以收集来自不同平面的光。来源: Advanced Photonics Nexus (2023)。apn.2.3.036012 DOI: 10.1117/1.
最近的技术进步使我们有了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许多应用。这一进展的核心是能够控制光波的光子结构，无论是以光子集成电路(PICs)的形式在芯片级还是以元光学的形式在自由空间。
结合这些结构可以创建紧凑的光学系统。PICs可以用来对光波进行细微的改变，例如操纵其相位和强度以达到所需的输出，然后可以通过元光学在自由空间中进行引导。这样的组合系统可以控制量子计算和功率光探测的量子位，以及用于自动驾驶汽车导航和测绘的测距系统。
由于PICs使用纳米级波导来限制和引导光，因此将它们的光与更大的设备(如光纤)耦合是很棘手的。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入或离开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，已经提出了能够操纵任意形状的光波前的元光学来耦合来自光子晶体的光。虽然这种方法很有前途，但目前还没有关于PIC和自由空间之间多功能耦合的报道。
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个芯片级混合PIC/元光学平台，该平台由一个光子集成电路和一个单独的元光学芯片下面的光栅组成。PIC由16个相同的光栅组成，以二维阵列排列，每个光栅的孔径大小为300微米，并通过光栅耦合器耦合到光纤上。这些光栅充当波导，将光从光纤引导到元光学芯片，元光学芯片将光形成并输出到自由空间，与输入光平行。
来自西雅图华盛顿大学的资深作者Arka Majumdar副教授说:“使用一系列低损耗的元光学，我们已经在光子集成电路和自由空间之间开发了一个灵活的可互换接口。”
利用这个平台，研究人员能够同时让光通过14个PIC光栅，然后用14种不同的元光学器件(如元透镜、涡旋光束发生器、扩展聚焦深度透镜和全息图)形成相应的光束。
“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多功能接口。这项研究利用了这一点。所有从PIC出来的光束都是相同的，但是通过在每个光栅上放置不同的元光学器件，我们能够同时单独操纵光束，”Majumdar解释说。
在不同的元光学实验中，研究人员发现，即使事先不知道输入光或两个芯片之间需要精确对齐，该设备也能以高精度和可靠性运行。具体来说，他们实现了3微米的衍射极限点和峰值信噪比大于10分贝的全息图像。
所提出的设备的显著特点是它能够简单地通过更换连接到PIC的元光学器件来改变其功能。这允许广泛的可能性，以控制和修改光束与高度的误差容忍。该界面的潜在应用是多方面的，包括光束导向、结构光产生、光捕获和冷原子量子比特的操作。
更多信息:Quentin A. A. Tanguy等，集成光子与自由空间的多功能接口，Advanced photonics Nexus(2023)。apn.2.3.036012 DOI: 10.1117/1.