Author Affiliations
Abstract
1 University of Washington, Department of Electrical and Computer Engineering, Seattle, Washington, United States
2 University of Washington, Department of Physics, Seattle, Washington, United States
3 University of Washington, Institute for Nano-engineered Systems, Seattle, Washington, United States
The combination of photonic integrated circuits and free-space metaoptics has the ability to untie technological knots that require advanced light manipulation due to their conjoined ability to achieve strong light–matter interaction via wave-guiding light over a long distance and shape them via large space-bandwidth product. Rapid prototyping of such a compound system requires component interchangeability. This represents a functional challenge in terms of fabrication and alignment of high-performance optical systems. Here, we report a flexible and interchangeable interface between a photonic integrated circuit and the free space using an array of low-loss metaoptics and demonstrate multifunctional beam shaping at a wavelength of 780 nm. We show that robust and high-fidelity operation of the designed optical functions can be achieved without prior precise characterization of the free-space input nor stringent alignment between the photonic integrated chip and the metaoptics chip. A diffraction limited spot of ∼3 μm for a hyperboloid metalens of numerical aperture 0.15 is achieved despite an input Gaussian elliptical deformation of up to 35% and misalignments of the components of up to 20 μm. A holographic image with a peak signal-to-noise ratio of >10 dB is also reported.
integrated photonics metasurface integrated-photonic-to-free-space coupling holograms Advanced Photonics Nexus
2023, 2(3): 036012
1 宁波大学高等技术研究院 红外材料及器件实验室， 浙江 宁波 315211
2 宁波大学 信息科学与工程学院， 浙江 宁波 315211
现有的微球谐振腔大多利用微纳光纤锥的倏逝波场为微球提供泵浦能量，这是因为其具有较高的模式耦合效率，但在实际应用中这种耦合方法欠缺一定的灵活性，且需要配备精密的耦合装置。本文探究了使用未拉锥的截断光纤从不接触微球的自由空间直接向微球导入泵浦光的可行性。在典型的Nd3+掺杂碲酸盐玻璃微球/光纤锥耦合系统的基础上，用一根连接泵浦光源的截断光纤从自由空间直接照射微球的中心或边缘部位，可测出微球/光纤锥耦合系统的激光输出功率相对于原耦合系统明显提升；在关闭连接光纤锥的泵浦源而仅使用自由空间泵浦源的条件下，仍可获得明显的单纵模激光现象。本文利用时域有限差分法和几何光束追迹法的仿真模型还原了上述自由空间耦合法的全过程。仿真与实验结果表明，这种自由空间耦合法有潜力成为常规光纤锥耦合法的一种辅助泵浦方法，为需要更高泵浦功率或更多泵浦波长选择的实验场合提供解决方案。
自由空间泵浦 微球激光器 稀土掺杂 回廊模 free-space coupling microsphere laser rare earth ions doping whispering gallery mode
1 商丘师范学院物理与电气信息学院, 河南 商丘 476000
2 北京大学人工微结构与介观物理国家重点实验室, 北京 100871
最近几年，具有非圆对称边界形状的光学微腔，即非对称微腔，已经成为微纳光子学领域中的一个重要研究方向。非对称微腔打破了常规回音壁光学微腔的边界圆对称性，使得回音壁模式的辐射具有明显方向性，无需借助外部耦合器件即能有效地同环境交换能量，有望应用于制作集成光学器件和实现自由空间光互联。概要介绍了非对称微腔中的最新研究进展，包括高准直定向发射、高效的自由空间光激发、棘轮形非对称腔以及三维非对称腔4个研究方向，概述其基本原理并展望了未来的发展。
微纳光学 非对称微腔 定向发射 自由空间耦合 棘轮 混沌 激光与光电子学进展
2012, 49(6): 060006
1 四川大学 电子信息学院，四川 成都 610064
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
3 西南技术物理研究所，四川 成都 610041
采用自由空间耦合的方法，激发双面金属包覆波导中的超高阶导模，通过在双面金属包覆介质波导的两个金属膜上加不同的电压，改变导波层铌酸锂的厚度和折射率，得到不同参数下的衰减全反射谱，从而验证超高阶导模的偏振不灵敏性及对导波层厚度和折射率十分灵敏的特殊性质，实验结果与理论相吻合。比较相同条件下反射率的变化，得到铝包覆波导的灵敏度要高于金包覆波导。所得结果对集成光电子器件的研制有一定的参考价值。
金属铝包覆波导 自由空间耦合 超高阶导模 衰减全反射谱 Al-cladding optical waveguide free-space coupling ultrahigh-order modes attenuated-total-reflection spectrum
文章提出了一种基于自由空间耦合技术的电光调制器。入射光直接入射到作为耦合层的上层金属膜表面, 通过改变外加电场的场强, 控制入射光耦合进导波层的能量, 从而改变反射光的强度, 实现电光调制。该类调制器具有插入损耗小、响应速度快、稳定性高和成本低廉等诸多优点。与传统的棱镜耦合方式的聚合物电光调制器相比, 自由空间耦合技术的引入使此类电光调制器结构更加紧凑、更易于阵列化集成。
电光调制器 电光效应 金属包覆波导 自由空间耦合 electro-optic modulator electro-optic effect metal-gladding waveguide free space coupling
1 江西师范大学物理与通信电子学院, 江西 南昌 330022
2 上海交通大学导波光电子器件实验室, 上海 200240
利用自由空间耦合技术,用超短脉冲激发亚毫米尺度对称金属包覆波导中的超高阶导模,提出一种脉冲展宽的新方法。由于超高阶导模的强色散性质,经过短距离的传输,即可使脉冲宽度迅速展宽。理论分析表明,1 ps的光脉冲在光波导中传输毫米量级距离后,脉冲展宽因子可达到1000倍。
激光技术 对称金属包覆介质波导 脉冲展宽 自由空间耦合技术 超高阶导模
上海交通大学物理系,导波光电子器件实验室, 上海 200240
利用真空溅射法在一片亚毫米尺度的光学玻璃平板两面分别镀上不同厚度的金属薄膜,构成一种超厚的双面金属包覆波导。采用自由空间耦合技术实现了这种波导中超高阶导模的激发。由于超高阶导模具有对波长特别灵敏而对偏振不灵敏的特殊性质,以此为基础,在实验中演示了可调谐、偏振不灵敏、低损耗(小于0.5 dB)的超窄带(小于0.08 nm)和梳状滤波(通道间隔为100 GHz)。
导波光学 双面金属波导 自由空间耦合 超窄带滤波器 梳状滤波器
