[논문 리뷰] Spatially resolving amplitude and phase of light with a reconfigurable photonic integrated circuit

Johannes Bütow, Jörg S. Eismann외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 20.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 38인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 자유공간 빛 비드의 진폭과 위상을 메시 구조의 막스-젠더 간섭계(MZI)와 격자 커플러 픽셀을 사용해 공간적으로 해상하는 재구성 가능한 광집적회로(PIC)를 제시한다. 단일 축방향 기준 빛을 사용해 캘리브레이션함으로써, 다수의 편광 상태에서 진폭과 위상에 대해 정확하고 파장에 강건한 측정이 가능하며, 비이상적인 구성 요소가 존재하는 상황에서도 복잡한 장 분포를 고정밀도로 재구성할 수 있다.

ABSTRACT

Photonic integrated circuits (PICs) play a pivotal role in many applications. Particularly powerful are circuits based on meshes of reconfigurable Mach-Zehnder interferometers as they enable active processing of light. Various possibilities exist to get light into such circuits. Sampling an electromagnetic field distribution with a carefully designed free-space interface is one of them. Here, a reconfigurable PIC is used to optically sample and process free-space beams so as to implement a spatially resolving detector of amplitudes and phases. In order to perform measurements of this kind we develop and experimentally implement a versatile method for the calibration and operation of such integrated photonics based detectors. Our technique works in a wide parameter range, even when running the chip off the design wavelength. Amplitude, phase and polarization sensitive measurements are of enormous importance in modern science and technology, providing a vast range of applications for such detectors.

연구 동기 및 목표

• 프로그래밍 가능한 광집적회로를 사용해 자유공간 광비드의 진폭과 위상 분포를 공간적으로 해상하는 검출기 개발.
• 특히 50:50 비율에서 벗어난 분광기의 비이상적인 특성으로 인한 통합 광검출기 캘리브레이션 문제 해결.
• 격자 커플러의 방향 정의된 편광 기저를 활용해 편광 민감 측정 수행.
• 설계 파장 외의 파라미터 범위에서도 안정적인 작동 가능함을 입증.
• 나노측정 및 광비드 분석 등 응용 분야에서 정량적 진폭 및 위상 측정을 위한 캘리브레이션 불필요한 전면 통합 플랫폼 제공.

제안 방법

• 16픽셀의 자유공간 인터페이스는 반경 방향으로 배열된 격자 커플러로 구성되며, 각각 특정 편광 방향에 민감하다.
• 입사 빛이 이 격자 커플러를 통해 PIC에 입력되며, 15개의 재구성 가능한 막스-젠더 간섭계(MZI)로 구성된 이진수 나무 구조로 루팅된다.
• MZI의 위상 이동은 툠타이티나이드 히터를 통해 제어되어 프로그래밍 가능한 간섭 및 wavefront 조작이 가능하다.
• 다중 매개변수 피팅 알고리즘은 측정된 출력 강도와 전송 행렬 모델을 사용해 알려지지 않은 입력 필드의 진폭과 위상을 추론한다.
• 캘리브레이션은 단일 축방향 기준 빛을 사용하여 수행되며, MZI 반사율 및 전압 당 위상 이동량과 같은 온칩 매개변수를 결정한다.
• 측정 시에는 동일한 피팅 프레임워크를 사용하며, 입력 필드의 진폭과 위상을 자유 매개변수로 간주함으로써 복잡한 장 분포의 재구성 가능.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재구성 가능한 광집적회로가 자유공간 광비드의 공간적 진폭 및 위상 분포를 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 분광기가 50:50 비율에서 벗어나는 경우, 이러한 검출기를 효과적으로 캘리브레이션할 수 있는가?
• RQ3 설계 파장 외에서 작동할 경우 캘리브레이션 및 측정 방법이 얼마나 내구성이 있는가?
• RQ4 격자 커플러의 내재된 방향성만을 기반으로 편광 민감 측정이 가능한가?
• RQ5 원형 및 선형 편광을 포함한 다양한 편광 상태의 빛에 대해 이 방법이 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 우측 편광의 원형 편광 가우시안 빛 비드의 진폭 및 위상 분포를 우수한 일치도로 성공적으로 재구성하였다.
• 좌측 편광 원형, x-편광 및 y-편광 비드에 대한 측정 결과는 모든 테스트된 편광 상태에서 이론 예측과 강력한 일치를 보였다.
• 50:50 비율에서 크게 벗어난 분광기 조건에서도 캘리브레이션 방법이 신뢰성 있게 작동하여 제조 오차에 강건함을 입증하였다.
• 설계 파장 외의 광역에서의 작동도 재캘리브레이션 없이 효과적으로 수행되었으며, 파장에 강건함을 입증하였다.
• 단일 기준 빛을 사용한 캘리브레이션은 이동 부품이 없이도 빠르고 자동화되고 기계적으로 안정된 시스템 설정을 가능하게 하였다.
• 이 방법은 확장 가능하며, 향후 편광 분리 격자 커플러 및 온칩 광검출기 통합과 함께 전체 시스템의 소형화에 적합하다.