Гибридная ПОС/метаоптическая система.
(а) Схема системы: оптическое волокно подает лазерный свет одновременно на все аподизированные решетки в ПОС через волноводы. Свет выходит из решеток, а отдельный чип, содержащий массив метаоптики, параллельно формирует вывод решетки.
(b) Крупный план всей гибридной платформы с массивом из 14 метаоптиков, размещенных поверх PIC (прикрытых чипом метаоптики). Оптоволоконная матрица, показанная справа, используется для подачи лазерного излучения на PIC.
(c) Принципиальная схема оптической установки. SMF, одномодовое волокно; MS, метаповерхностный чип; F, фокальная плоскость; L1 — объектив (Mitutoyo 10× plan Apo ∞); БС — светоделительный куб (Thorlabs CCM1 BS014); L2 — плосковыпуклая линза; L3 — плосковыпуклая линза; CAM, камера (Point Grey CMLN 13S2M CS). Теплый светодиод используется для юстировки и выключается для измерений. В нашем эксперименте расстояние по вертикали между плоскостями MS и PIC поддерживается постоянным и составляет 1 мм. Микроскоп перемещают вертикально для сбора света с разных плоскостей.
Кредит:Advanced Photonics Nexus (2023 г.). DOI: 10.1117/1.APN.2.3.036012

Недавние технологические достижения дали нам замечательную возможность манипулировать световыми волнами и управлять ими, открыв множество приложений в различных областях, таких как оптическая связь, сенсорика, визуализация, энергетика и квантовые вычисления. В основе этого прогресса лежат фотонные структуры, которые могут управлять световыми волнами либо на уровне чипа в виде фотонных интегральных схем (ФИС), либо в свободном пространстве в виде метаоптики.

Объединение этих структур позволяет создавать компактные оптические системы. PIC можно использовать для внесения тонких изменений в световую волну, таких как манипулирование ее фазой и интенсивностью для достижения желаемого результата, который затем может направляться в свободном пространстве с помощью метаоптики . Такие комбинированные системы могут управлять кубитами для квантовых вычислений и обнаружения мощного света, а также системами измерения дальности, подобными тем, которые используются для навигации и картографирования автономных транспортных средств.

Поскольку PIC используют волноводы нанометрового размера для ограничения и направления света, передача их света на более крупные устройства, такие как оптические волокна, затруднена. Для этой цели обычно используются решетчатые ответвители из-за их решетчатой структуры, которая может рассеивать свет, входящий или исходящий из волноводов PIC. Однако эти устройства могут формировать световую волну только до определенной степени, что ограничивает их применимость.

Ввиду этого недостатка было предложено использовать метаоптику, способную управлять оптическими волновыми фронтами произвольной формы, для соединения света от PIC. Хотя этот подход является многообещающим, о многофункциональной связи между PIC и свободным пространством пока не сообщалось.

Теперь, в исследовании, опубликованном в Advanced Photonics Nexus, учёные из Вашингтонского университета продемонстрировали гибридную PIC/метаоптическую платформу в масштабе чипа, состоящую из фотонной интегральной схемы с решетками под отдельным метаоптическим чипом. Платформа состоит из 16 одинаковых решеток, расположенных в виде двумерного массива, каждая с размером апертуры 300 микрометров, соединенных с оптическим волокном с помощью решетчатого ответвителя. Эти решетки служат волноводами и направляют свет от волокна к чипу метаоптики, который формирует и выводит свет в свободное пространство параллельно входному свету.

«Используя массив метаоптики с низкими потерями, мы разработали гибкий и взаимозаменяемый интерфейс между фотонной интегральной схемой и свободным пространством», — говорит старший автор, доцент Арка Маджумдар из Вашингтонского университета в Сиэтле.

Используя эту платформу, исследователи смогли одновременно пропускать свет через 14 PIC-решеток, а затем формировать соответствующий луч с помощью 14 различных метаоптик, таких как металинзы, генераторы вихревых лучей, линзы с увеличенной глубиной фокусировки и голограммы.

«Метаоптика способна формировать оптические волновые фронты для создания многофункционального интерфейса между оптикой свободного пространства и интегрированной фотоникой. На каждой решетке мы могли одновременно манипулировать лучами по отдельности», — объясняет Маджумдар.

В своих экспериментах с различной метаоптикой исследователи обнаружили, что устройство работает с высокой точностью и надежностью, даже без предварительного знания входного света или необходимости точного выравнивания между двумя чипами. В частности, они получили дифракционное пятно размером три микрометра и голографическое изображение с пиковым отношением сигнал/шум более 10 децибел.

Замечательной особенностью предлагаемого устройства является возможность изменения его функциональности простой заменой метаоптики, связанной с ПОС. Это обеспечивает широкий спектр возможностей для управления и изменения световых лучей с высокой степенью устойчивости к ошибкам. Потенциальные применения этого интерфейса разнообразны и включают в себя управление лучом, генерацию структурированного света, оптическую ловушку и манипулирование кубитами холодных атомов.