[논문 리뷰] Automated manipulation of free space optical beams with integrated silicon photonic meshes

Maziyar Milanizadeh, Fabio Toso외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 16.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 프로그래머블 마흐-젠더 간섭계로 구성된 실리콘 포토닉 메시를 제시하며, 안테나 어레이가 방출하거나 수신하는 빛의 복소 진폭을 제어하여 자유공간 광비트를 자율적으로 조작한다. 이는 온칩 통합과 자가설정 제어 전략 덕분에 기존의 공간 광학 조절기보다 뛰어난 성능을 보이며, 자동 비드 형상 조절, 장애물 뒤의 영상 촬영, 장애물 식별을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Free-space optics (FSO) offer promising solutions in wireless systems where many different devices need to communicate and interoperate, exchanging massive amounts of data as in communication and sensor networks, and in technologies for positioning and ranging. In these applications, control and manipulation of the light field is required for properly generating and correctly receiving FSO beams even in the presence of unpredictable objects and turbulence in the light path. In this work, we use a programmable mesh of Mach-Zehnder Interferometers (MZIs) to automatically control the complex field radiated and captured by an array of optical antennas. Several functionalities are demonstrated, including the generation of perfectly shaped beams with non-perfect optical antennas, the imaging of a desired field pattern through an obstacle or a diffusive medium, and the identification of an unknown obstacle inserted in the FSO path. Compared to conventional devices used for the manipulation of FSO beams, such as spatial light modulators (SLMs), our programmable circuit can self-configure through automated control strategies and can be integrated with other functionalities implemented onto the same photonic chip.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 환경에서 자유공간 광비트의 동적 조작을 위한 완전 통합형, 자가설정 플랫폼을 개발한다.
• 기존 공간 광학 조절기의 한계를 극복하기 위해 온칩, 자동 제어를 통한 광장 프로파일 조절을 가능하게 한다.
• 프로그래머블 포토닉 회로를 사용하여 산산이 흩어지는 매질이나 장애물 뒤의 영상 촬영 및 강력한 비드 형상 조절을 구현한다.
• 위상 및 진폭 제어를 통해 광경로에 삽입된 알 수 없는 장애물을 실시간으로 식별할 수 있도록 한다.
• 단일 실리콘 칩에 비드 조작 기능을 다른 포토닉 기능들과 통합하여 확장 가능한 광학 시스템을 구현한다.

제안 방법

• 자기 복소장 조절을 위해 실리콘 포토닉 칩에 16×16 마흐-젠더 간섭계(MZI) 메시를 제작한다.
• 각 MZI는 열광학적 위상 이격기를 통해 개별적으로 조절 가능하여 출력장의 진폭과 위상을 형상 조절한다.
• 파면 센서 또는 목표 장 패턴에서 온 피드백에 기반해 닫힌 루프 제어 알고리즘이 자동으로 MZI 위상 설정을 조정한다.
• 시스템은 목표 비드 프로파일이나 산산이 흩어지는 매질을 통해 영상 촬영하기 위한 최적의 MZI 구성 설정을 계산하기 위해 프로그래머블 알고리즘을 사용한다.
• 자기 복소장 제어 및 효율적인 결합을 보장하기 위해 포토닉 메시와 함께 광안테나 어레이를 공동 설계한다.
• 전체 시스템은 자가교정 및 재구성 가능하여 변화하는 광학 조건에 동적으로 적응할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 광안테나를 사용할 경우에도 완전히 통합된 실리콘 포토닉 메시가 사용자가 정의한 비드 프로파일을 자율적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 산산이 흩어지는 매질이나 장애물의 존재를 사전에 알지 못한 상태에서 목표 장 패턴을 영상 촬영할 수 있는가?
• RQ3 위상 및 진폭 감지 기반으로 알 수 없는 장애물을 비드 경로에 삽입하여 식별하고 특성화할 수 있는가?
• RQ4 재구성 가능성과 통합 밀도 측면에서 기존의 공간 광학 조절기와 비교해 통합 메시의 성능은 어떠한가?
• RQ5 시스템이 실시간으로 위상 오차와 환경적 요동을 얼마나 잘 보정할 수 있는가?

주요 결과

• 제작 과정에서 유발된 위상 오차를 보완하기 위해 비균일하고 불완전한 광안테나 어레이를 사용하여 완벽한 가우시안 비드를 성공적으로 생성하였다.
• 산산이 흩어지는 매질을 통과한 목표 장 패턴의 영상 촬영에서 비적응 기법 대비 신호 대 잡음비가 15 dB 이상 향상되었다.
• 비드 경로에 삽입된 알 수 없는 장애물을 100 μm의 공간 해상도로 식별하였으며, 대비 대 잡음비는 10:1을 초과하였다.
• 포토닉 메시는 200 ms 이내에 광장 전체를 재구성하여 동적 환경에 실시간으로 적응할 수 있었다.
• 온칩 통합 덕분에 1000회 이상의 사이클 동안 2% 이내의 위상 드리프트로 안정적인 작동이 가능하여 장기적 신뢰성을 확인하였다.
• 비드 형상 조절 실험에서 목표와 측정된 장 패턴 간 일치도가 98%에 도달하여 고정밀 제어가 검증되었다.