通过主动光子集成电路耦合被动模式选择接口实现可重构自由空间模式生成与检测

把复杂光场变成有用的工具

从高速互联网到量子通信，现代技术越来越受到如何巧妙地塑造和读取光的限制，而不是我们能产生多少光。本文提出了一种新型光学芯片，能够快速重新配置其处理在开放空间传播的复杂光场的方式。对非专业读者而言，它的吸引力在于所能带来的能力：在相同链路上传输更多数据、提高传感器分辨率，以及通信系统能够在雾、湍流或卫星和无人机等移动平台的动态条件下即时自适应。

为什么塑造光的模式很重要

光束不仅仅是一个简单的光点；它在空间上的亮度和相位可以携带丰富的结构。不同的结构，或称“模式”，在数学上可以相互独立，使得多个信道能在同一波长下共享而互不干扰。几十年来，研究者们构建了可以分离或生成此类模式的光学器件，但大多数是固定的：它们为一组特定模式设计，不能轻易改变。当环境发生变化——例如城市上空的湍流——这些固定器件就不再匹配入射光，性能下降。一个能实时重新编程的真正灵活的模式分拣器将使通信和感测系统能够适应环境并保持高效运行。

将自由空间光学与微小芯片结合

研究团队结合了两种强有力的想法：一个用于自由空间的被动“光学模式选择接口”和一个基于硅芯片的有源光子集成电路。自由空间部分由六层薄相位整形元件堆叠而成，称为多平面光转换器。它们协同作用，温和地重塑入射光束，使每个目标光模式被转换为落在芯片上15个微小表面耦合器之一的小近高斯斑点。实际上，该前端将复杂的二维光模式转换为15个干净的输入通道，从而定义了一个15维的可能模式空间。在芯片内部，一个由干涉仪网格组成的电路——通过微小加热器调节其行为的波导回路——可以精确地混合这些通道并控制它们的相对亮度和相位。

可重新编程的光混合器

由于芯片控制着如何组合这15个输入，它可以通过电子方式重新配置，以选出几乎任何可由接口设定的基础模式混合而描述的模式。在一种工作方向上，该器件充当分拣器：若所选模式入射，芯片会将其能量导向单一的“信号”端口，同时将其他正交模式引导到不同输出。在相反方向上，将光注入该信号端口时，芯片与接口共同可以在自由空间产生定制光束。团队通过处理四组不同的完整15模式集合来演示这种灵活性，其中包括常见的结构光束以及故意分布在所有输入上的更为奇特的模式。他们报告模式间干扰较低（平均约–22 dB），并显示系统可在近2万次每秒的速度下重新编程，主要受限于加热器的升温和降温速度。

超越像素化阵列的限制

传统的光学相控阵——芯片上的发射器或探测器网格——受到奈奎斯特采样原理规定的严格间距要求：要忠实表示细微的空间细节，需要大量密集排列的元件。这很快带来两个问题：在不需要的方向上产生损失光（栅瓣）以及当波导放得过近时产生串扰。新的方法通过使用模式选择接口将整个光模式映射到单个芯片耦合器来规避这些问题。这意味着所需的片上元件远少于直接像素网格（在类似性能下减少超过四倍），且这些元件可以有足够的间距以避免过度损耗和不期望的耦合。

对未来通信与感测的影响

从非专业角度看，这项工作展示了如何将一束难以驾驭的复杂光场转换为一组干净、可快速重构的通道，而无需每次都重新设计硬件。固定但高效的自由空间接口与可编程光学芯片的组合，构成了一个通用的光场塑形与分析引擎。作者认为，若使用已制造的组件而非原型件，总体损耗可降至仅几分贝，速度也可从几十千赫提升到兆赫甚至吉赫级，采用更快的调制器即可。这样的系统可支撑地面站与卫星之间的自适应链路、在湍流空气中的鲁棒自由空间数据连接以及能够根据复杂环境定制光束的灵活光学传感器——所有这些都是通过在芯片内重新塑造光来实现的。

引用: Boldin, A., Daly, U.J., Milanizadeh, M. et al. Reconfigurable free-space mode generation and detection enabled by an active photonic integrated circuit coupled to a passive mode-selective interface. Commun Phys 9, 133 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02522-w

关键词: 光子集成电路, 自由空间光通信, 模式复用, 结构光, 自适应光学