[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种可编程马赫-曾德尔干涉仪的硅光子网格，通过控制天线阵列辐射或捕获的光的复振幅，自主操控自由空间光束。该系统实现了自动光束整形、穿透障碍物成像及障碍物识别，通过片上集成与自适应控制策略，在性能上超越了传统空间光调制器。

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.

研究动机与目标

• 开发一种完全集成的自适应平台，用于在复杂环境中动态操控自由空间光束。
• 通过实现片上自动化控制光学场分布，克服传统空间光调制器的局限性。
• 通过可编程光子电路实现对散射介质或障碍物后光束的鲁棒光束整形与成像。
• 通过相位与振幅控制实现实时光路中未知障碍物的识别。
• 将光束操控与其他光子功能集成于单个硅片上，实现可扩展的光学系统。

提出的方法

• 在硅光子芯片上制造了16×16个马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的网格，以控制光束的复振幅场。
• 每个MZI通过热光相位移器独立可调，以调节输出场的振幅与相位。
• 采用闭环控制算法，根据波前传感器或目标场图案的反馈自动调整MZI相位设置。
• 系统使用可编程算法求解最优MZI配置，以生成期望的光束轮廓或在散射介质中成像。
• 光学天线阵列与光子网格协同设计，以确保自由空间光束的高效耦合与相位控制。
• 整个系统具备自校准与可重构能力，可动态适应光学条件的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光学天线存在不完美性的情况下，全集成硅光子网格能否自主生成用户定义的光束轮廓？
• RQ2 在未知散射特性的情况下，系统能否在不依赖先验知识的前提下，通过漫射介质或障碍物成像目标场图案？
• RQ3 系统能否通过相位与振幅传感，识别并表征插入光路中的未知障碍物？
• RQ4 在可重构性与集成密度方面，该集成网格与传统空间光调制器相比表现如何？
• RQ5 系统在实时运行中，对相位误差与环境扰动的自纠正能力在多大程度上得以实现？

主要发现

• 系统成功利用非均匀、不完美的光学天线阵列生成了理想形状的高斯光束，证明了对制造引起的相位误差具有补偿能力。
• 在漫射介质中实现目标场图案成像时，信噪比相比非自适应方法提升了超过15 dB。
• 系统以100 μm的空间分辨率和超过10:1的对比噪声比，成功识别出光路中的未知障碍物。
• 光子网格在不到200 ms内完成光学场的完全重构，实现了对动态环境的实时适应。
• 片上集成使系统在1000次循环内保持稳定运行，相位漂移小于2%，证实了长期可靠性。
• 在光束整形实验中，期望场与实测场图案的匹配度达到98%，验证了高保真度控制。