[論文レビュー] Automated manipulation of free space optical beams with integrated silicon photonic meshes

Maziyar Milanizadeh, Fabio Toso+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、アンテナアレイが放射または受信する光の複素振幅を制御することで、自由空間光学ビームを自律的かつ自動的に操作するプログラマブルなマハチ・ツェンダー干渉計のシリコンフォトニクスメッシュを提示する。これにより、自動ビーム形状制御、障害物を透過した像の再構成、障害物の同定が可能となり、オンチップ統合と自己設定制御戦略のおかげで、従来の空間光変調器を凌駃する性能を発揮する。

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.

研究の動機と目的

• 複雑な環境下において、自由空間光学ビームの動的制御を完全に統合的・自己設定型で実現するプラットフォームの開発。
• 従来の空間光変調器の限界を克服し、オンチップで自動制御された光学フィールドプロファイルの制御を実現すること。
• プログラマブルなフォトニクス回路を用いて、散乱媒体や障害物を透過した場合の強力なビーム形状制御および像の再構成を実証すること。
• 位相と振幅制御を用いて、光学路に挿入された未知の障害物をリアルタイムで同定可能にすること。
• スケーラブルな光学システムを実現するため、ビーム制御を1枚のシリコンチップ上に他のフォトニクス機能と統合すること。

提案手法

• 自由空間ビームの複素フィールドを制御するために、シリコンフォトニクスチップ上に16×16のマハチ・ツェンダー干渉計（MZI）のメッシュをフォトリソグラフィで作製する。
• 各MZIは熱光効果位相シフタを介して個別にチューニング可能であり、出力フィールドの振幅と位相を形状制御できる。
• 波面センサーやターゲットフィールドパターンからのフィードバックに基づいて、閉ループ制御アルゴリズムが自動的にMZI位相設定を調整する。
• 最適なMZI設定を求めるためのプログラマブルなアルゴリズムを用い、所望のビームプロファイルを生成するか、散乱媒体を透過した像を再構成する。
• 自由空間ビームの効率的結合と位相制御を確保するため、フォトニクスメッシュと併せてアンテナアレイを共同設計する。
• システム全体が自己キャリブレーション可能かつ再設定可能であり、変化する光学条件に応じた動的適応が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全な光学アンテナを有する非均一なアレイであっても、完全に統合されたシリコンフォトニクスメッシュが、ユーザー定義のビームプロファイルを自律的に生成できるか？
• RQ2 散乱特性を事前に把握しない状況下でも、本システムは拡散媒体や障害物を透過してターゲットフィールドパターンを像として再構成できるか？
• RQ3 位相および振幅センシングを用いて、光学路に挿入された未知の障害物を同定・特徴付けることができるか？
• RQ4 再設定性および統合密度の観点から、本システムの性能は従来の空間光変調器と比べてどの程度優れているか？
• RQ5 リアルタイムで位相エラーおよび環境的摂動をどの程度自己補正できるか？

主な発見

• 不均一で不完全な光学アンテナアレイを用いても、製造に起因する位相エラーを補償し、完全に形状されたガウスビームを生成した。
• 拡散媒体を透過したターゲットフィールドパターンの像再構成において、非適応的手法と比較して15 dB以上の信号対雑音比の向上を達成した。
• ビーム路に挿入された未知の障害物を100 μmの空間分解能で同定し、コントラスト対雑音比が10:1を超えた。
• フォトニクスメッシュは200 ms未満で光学フィールドの完全な再設定を達成し、動的環境へのリアルタイム適応を可能にした。
• オンチップ統合のおかげで、1000サイクルにわたる安定した動作が実現され、位相ドリフトが2%未満に抑えられた。これは長期的信頼性を裏付けるものである。
• ビーム形状制御実験において、所望のフィールドプロファイルと測定値との一致度が98%に達し、高精度な制御を実証した。