[論文レビュー] Spatially resolving amplitude and phase of light with a reconfigurable photonic integrated circuit

Johannes Bütow, Jörg S. Eismann+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 38被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、グレーティングカップラー画素を備えたマッハ・ツェンダ干渉計（MZI）メッシュを用いて、自由空間の光ビームの位相と振幅を空間的に分解する再構成可能光集積回路（PIC）を提示する。1つの傍軸基準ビームを用いたキャリブレーションにより、複数の偏光状態において、波長に強く、高精度な振幅および位相測定が可能となり、非理想部品を含む状況でも、複雑な場の分布を高精度で再構成できる。

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.

研究の動機と目的

• プログラマブル光集積回路を用いて、自由空間光ビームの振幅および位相の空間的分解能を持つ検出器を開発すること。
• 特に50:50比から逸脱するビームスプリッターを含む非理想部品を有する統合光検出器のキャリブレーションの課題に対処すること。
• グレーティングカップラーの配置に起因する偏光基底を活用することで、偏光に敏感な測定を可能とすること。
• 設計波長から外れた状態や不完全なデバイス特性に対しても、広範なパrameter範囲で安定した動作を実現すること。
• 移動部品を必要とせず、キャリブレーションフリーで完全に統合されたプラットフォームを提供し、ナノメトリロジーおよび光ビーム解析などの応用分野における定量的振幅および位相測定を可能とすること。

提案手法

• 入射ビームの自由空間インターフェースは、放射状に配置された16画素のグレーティングカップラーから構成され、それぞれが特定の偏光方向に感受性を示す。
• 入射ビームからの光は、これらのグレーティングカップラーを介してPICに結合され、15個の再構成可能なマッハ・ツェンダ干渉計（MZI）からなる2分岐木構造のメッシュにルーティングされる。
• MZI内の位相シフトはチタン窒化物ヒーターにより制御され、プログラマブルな干渉および波面操作が可能となる。
• 複数パラメータのフィッティングアルゴリズムは、測定された出力強度と伝送行列モデルを用いて、未知の入射場の振幅および位相を推定する。
• キャリブレーションは1つの傍軸基準ビームを用い、MZIの反射率や電圧あたりの位相シフトといったチップ上パラメータを決定する。
• 測定時には、同じフィッティングフレームワークが用いられ、入射場の振幅および位相を自由パラメータとして扱い、複雑な場の分布の再構成が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再構成可能な光集積回路は、自由空間光ビームの空間的振幅および位相分布を高精度で測定できるか？
• RQ2 ビームスプリッターの50:50比から著しく逸脱する非理想部品を有する場合、どのように効果的なキャリブレーションが可能か？
• RQ3 設計波長から外れた状態での動作に対して、キャリブレーションおよび測定手法はどの程度耐性を示すか？
• RQ4 グレーティングカップラーの固有の配置に基づく基底を用いて、偏光に敏感な測定が可能か？
• RQ5 円偏光および線偏光を含む、さまざまな偏光状態のビームに対して、この手法はどの程度の耐障害性を示すか？

主な発見

• 右回り円偏光のガウスビームの振幅および位相分布が、測定値と理論値の間で優れた一致を示して正確に再構成された。
• 左回り円偏光、x偏光、y偏光ビームの測定結果は、すべてのテストされた偏光状態において理論的予測と強く整合した。
• 50:50比から著しく逸脱するビームスプリッターを含む状況でも、キャリブレーション手法が信頼性を示し、プロセスの不具合に対する耐性を示した。
• 再キャリブレーションを必要とせず、設計波長から外れた広範な波長範囲でも効果的に動作した。
• 1つの基準ビームによるキャリブレーションにより、迅速で自動的かつ機械的に安定したシステムセットアップが可能となり、移動部品を不要とした。
• 本手法はスケーラブルであり、将来の偏光分離グレーティングカップラーおよびチップ上光検出器の統合と併せて、完全なシステムの小型化に適合可能である。