【光学前沿】可编程集成光子学：开启自由空间结构光的新时代
2024年8月23日，一项关于用可编程集成光子学产生自由空间结构光的研究成果引起了广泛关注。
结构光在现代众多应用中占据着至关重要的地位，从先进的成像技术到量子通信领域，其作用不可小觑。而可重构集成光子学的出现，为光束整形开辟了全新的途径。与传统方法相比，它具有显著的优势，如超快的速度、更小的占地面积、卓越的鲁棒性以及高效的转换效率。
该技术基于集成光子学的结构光生成系统，其工作原理精妙而复杂。首先，通过计算机计算并存储控制参数，将激光源的相干光耦合到单个注入波导。接着，在波导网中巧妙地操纵光的分布，最终通过外耦合器阵列在远场形成所需的场分布。其中，输出模式的发射器底层光子架构基于15个可重构马赫曾德干涉仪的网格。光在这里被转换为16个复值片上场，而4×4的方形发射器阵列则作为自由空间输出接口。通过精确的计算重叠积分，可以确定产生所需远场分布的片上场振幅。
为了确保光子网格的精准校准和有效控制，研究人员采用了先进的校准策略。将已知输入光束发送到光栅耦合器阵列进行校准，通过多参数拟合来表征电路中相关组件，从而获得芯片生成任意输出分布所需的设置。在自由空间光场方面，利用理论傅里叶光学计算单个发射器的远场，进而计算相干发射器阵列的总远场。生成图案的阵列状属性由基本发射器的间距、数量和单个角发射光谱共同决定。
实验装置的设计也十分严谨。实验光学装置包括将自由空间激光束聚焦到光子芯片的输入光栅耦合器，输出光由显微镜物镜收集和自准直仪自准，通过成像到相机评估结构光的角谱。
通过该技术，研究人员成功配置光子处理器产生了包括高阶束阵列和模态叠加的各种自由空间图案，如不同阶数的厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束阵列、光束叠加等。尽管在实际应用中可能存在微小偏差，但这可能是由校准或制造差异造成的，随着技术的不断进步，这些问题有望得到进一步解决。
可编程集成光子学在产生自由空间结构光方面有着巨大的潜力。预计发射器总数将不断增加，从而能够产生更加复杂的光分布；新型集成光学元件和构建块将持续涌现；工作波长有望在可见光谱范围内拓展；输出场切换速度也可进一步改善，甚至可以实现完全集成的系统。
可编程集成光子学为自由空间结构光的产生带来了革命性的变化，它将在科学研究和实际应用中发挥越来越重要的作用，开启一个充满无限可能的新时代。
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