[论文解读] On-Chip Multidimensional Dynamic Control of Twisted Moiré Photonic Crystal for Smart Sensing and Imaging

Haoning Tang, Beicheng Lou+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2023

Photonic and Optical Devices被引用 6

一句话总结

本文提出了一种集成MEMS的扭曲莫尔光子晶体（TMPhC）平台，实现了对层间间隙和扭转角的片上多维动态调控，通过自适应计算重建实现了波长与偏振的同时传感。该器件可在通信波段实现高精度光谱偏振成像，并通过单个探测器展示了高光谱与超偏振成像的原理验证，同时保持了空间分辨率。

ABSTRACT

Reconfigurable optics, optical systems that have a dynamically tunable configuration, are emerging as a new frontier in photonics research. Recently, twisted moiré photonic crystal has become a competitive candidate for implementing reconfigurable optics because of its high degree of tunability. However, despite its great potential as versatile optics components, simultaneous and dynamic modulation of multiple degrees of freedom in twisted moiré photonic crystal has remained out of reach, severely limiting its area of application. In this paper, we present a MEMS-integrated twisted moiré photonic crystal sensor that offers precise control over the interlayer gap and twist angle between two photonic crystal layers, and demonstrate an active twisted moiré photonic crystal-based optical sensor that can simultaneously resolve wavelength and polarization. Leveraging twist- and gap-tuned resonance modes, we achieve high-accuracy spectropolarimetric reconstruction of light using an adaptive sensing algorithm over a broad operational bandwidth in the telecom range and full Poincaré sphere. Our research showcases the remarkable capabilities of multidimensional control over emergent degrees of freedom in reconfigurable nanophotonics platforms and establishes a scalable pathway towards creating comprehensive flat-optics devices suitable for versatile light manipulation and information processing tasks.

研究动机与目标

• 通过实现层间间隙和扭转角的主动动态调谐，克服扭曲莫尔光子晶体中静态构型的局限性。
• 开发一种可重构的片上平台，能够利用单个光学传感器同时解析波长与偏振。
• 展示面向通信波段及完整庞加莱球的自适应计算传感，实现光谱偏振成像重建。
• 通过时间复用而非空间阵列，实现高光谱与超偏振成像，同时保持空间分辨率。
• 建立可扩展的芯片集成路径，用于传感、成像与光调控的多功能平面光学器件。

提出的方法

• 该器件将扭曲双层光子晶体与MEMS执行器集成，可动态调谐层间间隙（h）和扭转角（α），实现对莫尔超晶格周期性的实时控制。
• 通过层间与层内布洛赫态耦合调制光学响应，生成对波长与偏振敏感的可调谐共振模式。
• 计算传感框架利用基于h、α和探测角（θ）多种配置下响应的测量矩阵，重建光谱与偏振信息。
• 自适应传感算法利用先验知识与上下文信息，在不同条件下提升重建精度。
• 通过依次测量同一空间场景在不同TMPhC配置下的响应，并使用相同算法重建完整信号，实现高光谱与超偏振成像。
• 系统采用单色相机与单个光子晶体，通过避免使用阵列的空间复用，保持了空间分辨率。

Figure 1: Computational reconstruction of multidimensional information. (a) One pixel in an object contains multidimensional information, including wavelength ( $\lambda$ ), ellipticity( $\phi$ ), and azimuth( $\chi$ ). This information can be reconstructed in two steps. First, the intensity of the

实验结果

研究问题

• RQ1 在扭曲莫尔光子晶体中，通过主动实现层间间隙与扭转角的多维调谐，能否实现波长与偏振的同时传感？
• RQ2 对h与α的动态控制如何影响共振模式的可调谐性与灵敏度，以实现光谱偏振成像重建？
• RQ3 在存在噪声或信号条件变化的情况下，自适应计算传感能在多大程度上提升重建精度？
• RQ4 单个可重构的TMPhC传感器能否在不使用空间复用探测器阵列的情况下，实现高保真度的高光谱与超偏振成像？
• RQ5 该系统在通信波段与完整庞加莱球范围内，其光谱与偏振分辨率的性能极限是什么？

主要发现

• MEMS-TMPhC传感器实现了对层间间隙与扭转角的动态片上调谐，精确控制了莫尔超晶格周期性与光学响应。
• 该系统利用单个探测器，在通信波段（1476–1599 nm）及完整庞加莱球范围内，实现了高精度的光谱偏振成像重建。
• 自适应传感显著降低了重建误差，相较于非自适应方案，提升了在不同条件下的鲁棒性与精度。
• 通过使用时间复用而非空间阵列，实现了原理验证级的高光谱与超偏振成像，同时保持了空间分辨率。
• 该器件实现了完整的庞加莱球覆盖与通信波段的宽带操作，其可调谐共振模式覆盖多个波长与偏振态。
• 该平台完全兼容片上集成与可扩展性，为紧凑型多功能平面光学器件在传感与成像中的应用提供了可行路径。

Figure 2: Microelectromechanically tunable twisted moiré photonic crystal sensor (a) (right) Schematic of the primary components in a MEMS-TMPhC sensor. PhC = photonic crystal; TSV = through silicon vias; BOX = buffered oxide. (left) Cross-sectional schematic (not to scale) of the MEMS-TMPhC sensor