《探索 | 通过矢量光束分选为光学技术树立新标准》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2024-06-13
  • 高效管理和利用 VSB 历来是一项挑战。它们的复杂性需要精确的分类和识别方法才能用于实际应用。因此,提高光通信的效率、带宽和安全性,并促进量子计算的创新,取决于我们有效处理这些复杂波束的能力。

    这项研究的核心是一种基于自旋多路复用衍射超表面的紧凑、高效的工具。这种精密设计的表面在微观尺度上工作,以非凡的精度操纵光束。

    该设备引导光线穿过一系列精确校准的超表面层。每一层都与光相互作用,逐渐将其塑造成预定的配置。

    当光线离开设备时,每种类型的 VSB 都会被分类,并可以通过其独特的特征进行识别。这种同时对光束进行分选的能力为高维通信和量子信息处理的进步铺平了道路。

    技术影响包括:

    光通信:在保持安全的同时提高数据传输速率仍是重中之重。超表面处理复杂光束的能力提高了数据传输范式变化的可能性,从而提高了现有物理基础设施的效率。

    量子计算:经典计算和量子信息处理本质上是不同的。对光束的精确操纵为量子计算系统加速开辟了新的可能性。

    挑战与展望

    尽管这项研究是向前迈出的重要一步,但在优化设备以适应实际使用并将其集成到当前技术框架中仍然存在问题。研究人员仍然对这项技术的潜力充满希望,并正在努力改进它。

    从实验室创新到广泛的实际应用的道路是复杂的,但随着这些激动人心的发现,通往日常整合的道路变得越来越清晰。

相关报告
  • 《探索 | 研究人员开发用于高速光束控制的可编程光学器件》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2022-11-30
    • 图:研究员开发了一种可编程的无线空间光调制器 在《Star Wars: Episode IV—A New Hope》中的一个场景中,R2D2投射了Leia公主绝望求援的三维全息图。那场拍摄于45年前的戏,有点电影魔力,即使在今天,我们也没有技术创造出如此逼真和动态的全息图。 生成一个独立的3D全息图将需要对光进行极其精确和快速的控制,这超出了基于液晶或微镜的现有技术的能力。 由麻省理工学院的一个团队领导的一个国际研究小组花了四年多的时间来解决这个高速光束形成的问题。他们现在已经展示了一种可编程的无线设备,它可以控制光线,例如通过将光束聚焦在特定方向或控制光线强度,并且比商业设备更快。 他们还开创了一种制造工艺,确保在大规模制造时,器件质量保持近乎完美。这将使他们的设备在现实环境中更可行。 该设备被称为空间光调制器,可用于为自动驾驶汽车创建超快激光雷达(光检测和测距)传感器,其对场景的成像速度比现有机械系统快100万倍。它还可以加速大脑扫描仪的速度,后者利用光线“透视”组织。通过能够更快地对组织成像,扫描仪可以生成更高分辨率的图像,这些图像不受活体组织(如流动的血液)动态波动的噪声影响。 首席作者Christopher Panuski表示:“我们专注于控制光,这自古以来就是一个反复出现的研究主题。我们的发展是朝着在空间和时间上实现对使用光的无数应用的完全光学控制。” 这项研究发表在《Nature Photonic》。 操纵光 空间光调制器(SLM)是一种通过控制光的发射特性来操纵光的装置。类似于高架投影仪或计算机屏幕,SLM转换通过的光束,将其聚焦在一个方向或折射到多个位置以形成图像。 在SLM内部,二维光调制器阵列控制光。但光的波长只有几百纳米,因此为了精确控制高速光,该设备需要一个极其密集的纳米级控制器阵列。研究人员使用光子晶体微腔阵列来实现这一目标。这些光子晶体谐振器允许以波长尺度可控地存储、操纵和发射光。 当光进入空腔时,它被保持大约一纳秒,在泄漏到太空之前反弹超过100000次。虽然纳秒仅为十亿分之一秒,但这足够设备精确操纵光线的时间。通过改变空腔的反射率,研究人员可以控制光线如何逃逸。同时控制阵列可以调制整个光场,因此研究人员可以快速准确地控制光束。 Panuski说:“我们的设备的一个新颖之处在于其设计的辐射模式。我们希望每个腔体的反射光成为聚焦光束,因为这提高了最终设备的光束控制性能。我们的工艺本质上是一种理想的光学天线。”。 他解释说,为了实现这一目标,研究人员开发了一种新的算法来设计光子晶体器件,当光从每个腔逸出时,光子晶体器件将光形成窄束。 使用光控制光 该团队使用微型LED显示器来控制SLM。LED像素与硅芯片上的光子晶体对齐,因此打开一个LED可以调谐单个微腔。当激光击中激活的微腔时,腔根据LED发出的光对激光的响应不同。 Panuski表示,使用LED控制设备意味着阵列不仅可以编程和重新配置,而且完全无线。他补充道:“这是一个全光控制过程。如果没有金属线,我们可以将设备放置在一起,而不必担心吸收损耗。” 弄清楚如何以可扩展的方式制造如此复杂的设备是一个长达数年的过程。研究人员希望使用为计算机制造集成电路的相同技术,从而使该设备能够大规模生产。但是在任何制造过程中都会出现微小的偏差,如果芯片上有微米大小的空腔,这些微小的偏差可能会导致性能的巨大波动。 研究人员与美国空军研究实验室合作,开发了一种高度精确的大规模制造工艺,在12英寸硅片上冲压数十亿个空洞。然后,他们结合了后处理步骤,以确保微腔都在相同的波长下工作。 研究人员将激光照射到微腔上。激光将硅加热到1000摄氏度以上,产生二氧化硅或玻璃。研究人员创造了一种系统,用同一种激光同时轰击所有空腔,并添加了一层玻璃,使共振(即空腔振动的自然频率)完美对齐。 Panuski说:“在修改了制造工艺的一些特性后,我们证明我们能够在具有良好均匀性的铸造工艺中制造出世界级的器件。这是这项工作的一个重要方面,即如何制造这些器件。” 该装置在光场的空间和时间上都表现出近乎完美的控制,其 “时空带宽”是现有SLM的10倍。能够精确控制巨大的光带宽,可以使能够极其快速地传输大量信息的设备成为可能,例如高性能通信系统。 现在,他们已经完善了制造工艺,研究人员正在努力制造更大的用于量子控制或超快传感和成像的设备。
  • 《探索 | 中国科大研制可见光波段矢量光谱分析仪》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:胡思思
    • 发布时间:2025-08-04
    • 近日,中国科学技术大学刘骏秋团队与合作者在集成光学领域取得重要进展,成功研制出一种新型可见光矢量光谱分析仪。该仪器首次实现对可见光波段集成光学器件的高精度、宽带宽、矢量化光谱测量。 可见光作为人类视觉感知的主要波段,自文明起源以来一直在科学探索和技术发展中扮演着核心角色。在当前,增强现实/虚拟现实(AR/VR)、生物传感、原子分子物理等前沿领域,对可见光的精密操控与测量提出了前所未有的高要求。特别是在光学原子钟研究中,许多关键跃迁频率位于可见光范围,对这些频率的高精度测量不仅有助于推动基础物理研究的突破,也正深刻变革现代定位与导航系统。 图1:可见光到近红外波段的集成光学应用 近年来,随着可见光集成光学技术的快速发展,具备微型化、轻量化和低功耗优势的芯片级光学原子钟成为研究热点,有望推动高精度频率计量技术在更广泛场景中的落地应用。然而,实现对这类芯片级器件的高效表征仍面临巨大挑战,其中最大的瓶颈在于缺乏兼顾宽光谱带宽与高频谱分辨率的测量技术与仪器。 针对这一关键难题,研究团队创新设计并研制出新型矢量光谱分析仪,具备518–541nm及766–795 nm的宽光谱覆盖范围,频率分辨率达到161kHz。该系统基于外腔半导体激光器,结合宽带啁啾周期极化铌酸锂波导实现倍频,实现高功率、窄线宽、无跳模的可见光连续可调谐激光输出。同时,系统引入碱金属原子和碘分子的超精细结构作为频率基准,实现了MHz级别的高精度频率标定。 该仪器不仅填补了可见光集成器件在宽带矢量光谱测量方面的技术空白,还率先实现了多项关键应用。例如,研究团队借助该系统首次完成了从近红外到可见光的微腔跨倍频程色散特性测量,精确表征了色散波的位置,对片上跨倍频程光频梳、超连续谱和非线性频率转换等应用中关键的相位匹配设计具有重要意义。此外,该仪器还可解析传统光谱仪难以分辨的低重复频率光频梳结构,其频率分辨率为3MHz,能够满足高精度光通信、微波频率合成和激光稳频等先进系统的测量需求。 图2:跨倍频程微腔色散测量 本项研究成果不仅展示了目前在可见光波段最先进的矢量光谱测量能力,也为芯片级光学原子钟的实现提供了关键支撑。在全球对高精度、低功耗、便于部署的时间频率基准需求日益增长的背景下,特别是在空间导航、地球测绘、量子精密测量等战略领域,基于光芯片的原子钟方案正受到广泛关注。该成果提供了构建此类系统所需的“测量之眼”,有望显著提升集成光学器件的设计效率、测试可靠性与工程化水平。