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(jì)算等各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)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(wú)論是在芯片級(jí)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(duì)光波進(jìn)行細(xì)微的改變，例如操縱其相位和強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)所需的輸出，然后可以通過(guò)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(jì)算和功率光檢測(cè)的量子比特，以及用于自動(dòng)駕駛汽車導(dǎo)航和地圖的測(cè)距系統(tǒng)。

由于PIC使用納米級(jí)波導(dǎo)來(lái)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?yàn)樗鼈兊墓鈻沤Y(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(diǎn)，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(lái)耦合來(lái)自PIC的光。盡管這種方法很有前途，但尚未報(bào)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(xiàng)研究中，華盛頓大學(xué)的研究人員展示了一種芯片級(jí)混合PIC/meta光學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)由光子集成電路組成，光柵位于單獨(dú)的元光學(xué)芯片下方。PIC包括16個(gè)排列在二維陣列中的相同光柵，每個(gè)光柵的孔徑尺寸為300微米，并通過(guò)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(shuō)：“使用一系列低損耗的元光學(xué)器件，我們?cè)诠庾蛹�成電路和自由空間之間開(kāi)發(fā)了一種靈活且可互換的接口。”

使用這個(gè)平臺(tái)，研究人員能夠同時(shí)使光通過(guò)14個(gè)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(gè)多功能界面。這項(xiàng)研究利用了這一點(diǎn)。從PIC發(fā)出的所有光束都是相同的，但是通過(guò)在每個(gè)光柵頂部放置不同的元光學(xué)器件，我們能夠同時(shí)單獨(dú)操縱光束“。

在他們使用不同元光學(xué)器件的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，即使事先了解輸入光或需要兩個(gè)芯片之間的精確對(duì)準(zhǔn)，該設(shè)備也能以高精度和可靠性運(yùn)行。具體來(lái)說(shuō)，他們實(shí)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(diǎn)是它能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地更換與PIC連接的元光學(xué)器件來(lái)改變其功能。這為控制和修改具有高度容錯(cuò)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。

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