最近的技术进步赋予了我们操纵和控制光波的非凡能力，开辟了光通信、传感、成像、能源和量子计算等各个领域的众多应用。这一进步的核心是可以控制光波的光子结构，无论是在芯片级以光子集成电路 (PIC) 的形式出现，还是在自由空间中作为元光学。结合这些结构可以创建紧凑的光学系统。PIC 可用于对光波进行细微的改变，例如操纵其相位和强度以获得所需的输出，然后可以通过超光学在自由空间中进行引导。这种组合系统可以控制用于量子计算和功率光检测的量子比特，

由于 PIC 使用纳米级波导来限制和引导光，因此将它们的光耦合到更大的设备(例如光纤)或从中耦合出来是很棘手的。光栅耦合器通常用于此目的，因为它们的光栅结构可以衍射进出 PIC 波导的光。然而，这些器件只能在一定程度上对光波进行整形，限制了它们的应用。

鉴于这一缺点，已经建议能够操纵具有任意形状的光波前的元光学来耦合来自 PIC 的光。尽管这种方法很有前途，但尚未报道 PIC 和自由空间之间的多功能耦合。

现在，在 Advanced Photonics Nexus上发表的 一项研究中，华盛顿大学的研究人员展示了一种芯片级混合 PIC/元光学平台，该平台由光子集成电路组成，光栅位于单独的元光学芯片下方。PIC 包含 16 个排列成二维阵列的相同光栅，每个光栅的孔径大小为 300 微米，并通过光栅耦合器耦合到光纤。这些光栅用作波导，将光从光纤引导到超光学芯片，超光学芯片将光整形并输出到自由空间，与输入光平行。

“使用一系列低损耗元光学器件，我们在光子集成电路和自由空间之间开发了一种灵活且可互换的接口，”来自西雅图华盛顿大学的资深作者副教授 Arka Majumdar 说。

使用这个平台，研究人员能够同时让光通过 14 个 PIC 光栅，然后用 14 个不同的元光学器件(例如元透镜、涡旋光束发生器、扩展焦深透镜和全息图)对相应的光束进行整形。

“超光学能够塑造光波前，在自由空间光学和集成光子学之间创建多功能接口。本研究利用了这一点。从 PIC 发出的所有光束都是相同的，但通过在每个光栅顶部放置不同的元光学器件，我们能够同时单独操纵光束，”Majumdar 解释道。

在使用不同的元光学器件进行的实验中，研究人员发现该设备即使在事先不知道输入光或两个芯片之间不需要精确对准的情况下也能以高精度和可靠性运行。具体来说，他们实现了三微米的衍射极限点和峰值信噪比大于 10 分贝的全息图像。

拟议设备的显着特点是它能够通过更换链接到 PIC 的元光学器件来简单地改变其功能。这为控制和修改具有高度容错性的光束提供了广泛的可能性。该接口的潜在应用是多方面的，包括光束控制、结构光生成、光学捕获和冷原子量子位的操纵。

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