用于远程传感的贝塞尔高斯光束的片上生成

贝塞尔光束具有显着的景深和自愈特性，在量子纠缠、水下三维成像、光学微操纵、显微镜等地方得到广泛应用。然而，这些方法，如圆形狭缝和透镜、轴棱镜、空间光调制器 (SLM)，由于使用体积庞大的光学元件而变得复杂，阻碍了贝塞尔光束生成系统在实际应用中的应用。最近，已经提出了几种紧凑型系统，通过使用光子集成电路 (PIC)、超表面、集成波导和 3D 打印光纤来生成贝塞尔光束。但上述技术产生的贝塞尔光束传播距离较短，

在 Light Science & Application 上发表的一项新工作中，由中国长春吉林大学电子科学与工程学院集成光电国家重点实验室宋俊峰教授领导的科学家团队，中国深圳彭城实验室及其同事提出了一种前所未有的基于硅光子光栅阵列的结构，以生成具有长传播距离(测量 10.24 m)的贝塞尔高斯光束 (BGb)。光栅阵列同心分布在芯片上。此外，还获得了在 1500 nm 至 1630 nm 波长范围内工作的 BGb 分布图。光强的空间分布服从第一类贝塞尔函数。最后但是同样重要的，他们还应用方位角偏振 BGb 来同时测量目标的旋转速度和距离。通过集成过程的紧凑尺寸、低成本和大规模生产潜力，所报告的方法和技术有望在广泛的光通信和微操作应用中轻松实现贝塞尔-高斯光束。

该小组总结了他们的集成硅光子芯片产生长距离贝塞尔-高斯光束的原理：

“BGb 可以通过一系列高斯光束的叠加获得。该过程不仅与发射角有关，还与高斯光束的发散半角有关。由于高斯光束之间的相干性和圆形分布的对称性，贝塞尔-高斯光束在重叠区域形成。高斯光束的发射角和发散角决定了重叠区域的空间位置。理论上，重叠区域可以达到无穷大。”

“接下来，为了产生长距离的 BGb，波导结构经过精心设计，特别是光栅阵列宽度和光栅周期。我们做了很多模拟，最后确定了它们的大小。如图1所示，整个环形结构直径为870 μm，64通道光栅发射器呈圆形排列。光子芯片是通过新加坡先进微铸造厂 (AMF) 标准的 130 纳米 8 英寸 CMOS 工艺在绝缘体上硅 (SOI) 基板上制造的。”

“自转是自然界的一种基本现象，一种有效的测量自转速度的方法对于揭示物理特性、管理精密机械和分析天体的组成至关重要。为了演示生成的 BGb 的功能(如图 2 所示)，我们还通过旋转多普勒效应实验测量旋转物体的旋转速度，并通过相位激光测距原理测量距离。片上 BGb 可以为有效的旋转测量提供集成解决方案。”

“由于这个器件的面积不到1平方毫米，而且量产后单颗器件的成本会降到50美分以下。这种低成本、高质量、远距离的片上BGb发生器是未来贝塞尔光束在大规模、小型化和高稳定性应用场景中的关键。”