国外团队打造新型可编程光子处理器，可实现自由空间光束相干控制

2022-07-13 14:15

光束的任意操纵对自由空间光学系统至关重要，特别是在成像和通信领域。不过，这一方面用途的空间光束整形器和空间光调制器体积庞大、功能有限，响应带宽较低。而相比之下，光子集成电路则提供了光学和电子功能，且占地面积极小。

近日，国外一组研究人员宣布成功地发现了一种分离和区分光束的方法。利用这种工艺，他们证明了可以实现光子集成电路来自动控制从光学天线阵列发射的自由空间光束。研究团队展示了自由空间光束控制的几种功能，如非完美光学天线补偿、通过扩散介质成像以及识别光路中的未知障碍物。这项研究为自由空间光束操纵领域的一种新方法提供了一个成功的概念证明。

图片来源：米兰理工大学官网

据介绍，这一操作是由一个可编程的光子处理器实现的，它建立在一个5平方毫米的硅集成电路（IC）上。该处理器能够通过集成在芯片上的大量微观光学天线接收所有光束，然后通过集成干涉仪网络操纵它们，并将它们分离在不同的光纤上，从而消除相互干扰。最终，该设备能够管理超过5000Ghz的信息量，至少是当前大容量无线系统的100倍。

该活动由欧洲地平线2020旗下Superpixels项目资助，项目旨在通过利用光信号的片上操作创建下一代传感器和成像系统。团队中的研究人员来自米兰理工大学(Politecnico di Milano)、斯坦福大学(Stanford University)、比萨圣安娜高等学校(Scuola Superiore Sant 'Anna)和格拉斯哥大学(University of Glasgow)。

研究团队指出，与光纤中的情况类似，即使在自由空间中，光也可以以不同形状的光束(称为“模态”)的形式传播，而每一种模态都可以携带信息流。因此，产生、操控和接收更多的模态，就意味着能够传输更多的信息。关键问题就在于，自由空间对光而言是一个比光纤环境更恶劣、更变幻莫测的环境。一路上遇到的障碍、大气因素（如风力），都会改变光束的形状，甚至将这些光束混合在一起，使它们乍一看时似乎难以辨认和无法使用。

米兰理工大学光子设备实验室主任弗朗西斯科·莫里切蒂(Francesco Morichetti)指出，团队这种新的光子处理器的一个特点是，它可以非常轻松地实现自我调控，而不需要复杂的控制技术。而这也使得新版本的设备具有可扩展性，能够同时处理许多光束，进一步增加传输能力。此外，它还能够实时适应，以抵消移动障碍物或大气湍流带来的影响，从而支持建立和维护最佳的光学连接。

其他领域有许多应用需要先进的光束处理，包括用于自动驾驶汽车的高精度定位和定位系统、传感器和远程目标识别、用于增强现实和新研究的便携式和可穿戴设备。

能够随时随地与任何人、任何事沟通，已经成为我们社会和我们生存的必要条件。当处在偏远地区、运动等场景时，为了在任何情况下都能够顺利交换信息，最自然和灵活的方式就是使用无线通信设备。而光纤的出现，给电缆传输带来了划时代的技术飞跃；无线通信也是如此，预计光连接有望很快成为新领域的代表。