科学家发明新多功能接口设备，可在自由空间中操纵光波

最近的技术进步使我们能够非常精细地操纵和控制光波，为各个领域（如光通信、传感、成像、能源和量子计算）开辟了众多应用。这一进展的核心是能够控制光波的光子结构，它们可以在芯片级别以光子集成电路（PIC）的形式存在，也可以在自由空间中作为元光学存在。结合这些结构可以创建紧凑型光学系统。PIC可以用来对光波进行微妙的改变，如操纵其相位和强度以实现期望的输出，然后通过元光学在自由空间中引导。这样的组合系统可以控制量子计算中的量子比特，为光检测和测距系统（如用于自动驾驶车辆导航和绘图的系统）提供动力。

由于PIC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）耦合起来是困难的。衍射光栅常用于此目的，因为它们具有可以衍射进出PIC波导中的光的光栅结构。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。

鉴于这一缺陷，已经提出了能够操纵任意形状的光学波前的元光学来耦合PIC中的光。尽管这种方法很有前途，但目前尚未报道过PIC与自由空间之间的多功能耦合。

现在，在《高级光子学联盟》杂志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，由一个带有下方分离元光学芯片的光子集成电路组成。该PIC包括16个相同的光栅排列成一个二维阵列，每个孔径大小为300微米，并通过一个衍射光栅与一个光纤耦合。这些光栅作为波导，将来自纤维的光引导到元光学芯片上，该芯片塑造并输出到自由空间中与输入光平行的光。

“我们使用一组低损耗元光学开发了一个灵活且可互换的介于光子集成电路和自由空间之间的接口，”华盛顿大学西雅图分校副教授Arka Majumdar说。

使用这个平台，研究人员能够同时通过14个PIC衍射器传递光，并使用14个不同的元光学（如元透镜、涡旋束发生器、扩展焦深透镜和全息图）塑造相应束。

“元光学具有塑造光学波前以创建自由空间光学与集成光子学之间多功能接口的能力。这项研究利用了这一点。所有从PIC出来的光束都是相同的，但是通过在每个衍射器上方放置不同的元光学，我们能够同时单独操纵束流。”Majumdar解释道。

在对不同元光学进行实验时，研究人员发现该设备具有高精度和可靠性，并且即使没有输入光或两个芯片之间精确对准的先验知识也能操作。具体来说，他们实现了三微米衍射极限斑点和峰值信噪比大于10分贝的全息图像。

该设备引人注目之处在于它能够仅通过更换与PIC连接的元光学来改变其功能。这为控制和修改具有高容错度的光束提供了广泛可能性。该接口潜在应用广泛，包括波束转向、结构化发生器、optical trapping和冷原子量子比特操作。