IEEE SiPhotonics2025 | 利用光子线路的架构冗余实现高对比度消光

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引言

光干涉感测是光学和光子技术中的基础技术，因其卓越的灵敏度而备受重视。然而，传统的干涉系统在稳定性和可扩展性方面面临显著挑战。本文探讨光电子集成芯片(PIC)和特殊设计的干涉仪网格如何实现超高消光比，从而支持先进的感测应用[1]。

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光干涉感测的挑战

光干涉感测依赖于光路间相位差的精确测量。虽然高度灵敏，但大型干涉系统易受热波动、振动和其他噪声源的影响。在传统的光纤设置中，由于这些不稳定因素，同时控制多个干涉仪是一项重大挑战。

光电子集成芯片提供了解决此问题的革新方法。通过在硅、氮化硅或类似集成平台上制造干涉网络，数十到数百个干涉仪可以打包在小于1平方厘米的区域内。这种巨大的微型化同时减少了相位噪声，并通过热电冷却(TEC)实现更高效的温度稳定。

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理解马赫-曾德干涉仪

光子网格的基本构建模块是马赫-曾德干涉仪(MZI)。在理想形式中，MZI由外部相移器(Δφ)、50:50分束器/合束器、内部相移器(Δθ)和第二个50:50分束器/合束器组成。

图1：(a)具有完美分束比的理想马赫-曾德干涉仪示意图，显示外部相移器(Δφ)、50:50分束器和内部相移器(Δθ)。(b)具有可调分束器的双马赫-曾德干涉仪示意图，展示如何将额外的MZI用作可配置分束器。

通过调整内部和外部相移器，理想的MZI可以对复杂输入场执行任意线性、幺正变换。然而，实际的MZI受到分束比误差的影响——这些是制造过程中引入的不完美，限制了输出通道之间可实现的消光比。当尝试将所有光功率引导到单一输出端口时，部分光不可避免地泄漏到不需要的输出。

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双马赫-曾德干涉仪解决方案

双马赫-曾德干涉仪(DMZI)架构通过用可调分束器替代固定分束器来解决这一限制。DMZI中的每个分束器本身就是一个具有可控相移器的MZI。

DMZI包括外部相移器(Δφ)、作为可调分束器/合束器的MZI、内部相移器(Δθ)和第二个作为可调分束器/合束器的MZI。每个可调分束器MZI都有自己的内部相移器(ΔθL和ΔθR)。通过调整这些相移器，分束比可以趋向理想的50:50，有效深化可实现的消光比。先前的研究表明，与标准MZI相比，此技术能够将消光比提高几个数量级。

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三角网格架构以增强性能

虽然DMZI提供了显著改进，但像光子日冕仪等应用需要更高的对比度消光。本文介绍的研究提出了进一步的创新：互连DMZI的三角网格。

图2：3x3三角网格示意图，其中每个节点由双马赫-曾德干涉仪组成，显示了系统中的光路。

三角网格由一条对角线DMZI组成，这些DMZI连续过滤元素之间的泄漏。光路上的每个DMZI进一步减少了不需要的光传输，而不直接在光路上的额外DMZI则补偿了诸如耦合界面处的后向反射等非理想因素。

配置过程涉及使用功率优化算法顺序优化网格中的每个DMZI。这种顺序调谐逐步深化了消光比。DMZI [1,1]的配置实现了约-60 dB的消光比。光路上的DMZI的进一步配置将其改善了额外的-10 dB。非光路DMZI的配置减少了后向反射和其他非理想因素的影响。优化的相移器设置保持恒定，达到热平衡，最终消光比超过-80 dB。

图3：图表显示在通过功率最小化调谐每个双马赫-曾德干涉仪节点时，监测输出通道之间的消光比，展示了调谐过程中的渐进改善。

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实际结果和影响

图3中显示的实验结果证明了三角网格架构的有效性。DMZI [1,1]的初始配置产生约-60 dB的消光比，与先前研究一致。随着额外的DMZI按顺序配置([1,2], [2,1], [2,2], [3,1], [1,3])，消光比逐渐加深，最终超过-80 dB。

这种特殊水平的消光比为高灵敏度应用带来了新机会。例如，光子日冕仪需要极端对比度来检测明亮恒星附近的微弱物体(如系外行星)。三角网格提供的架构冗余通过补偿制造误差和其他线路非理想因素，实现了这一水平的性能。

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结论

双马赫-曾德干涉仪的三角网格代表了在实现光电子集成线路高消光比方面的重要进展。通过利用架构冗余，这种方法增强了用于干涉感测的集成光子网络的稳健性和可靠性。

增加的线路复杂性可以战略性地用于补偿制造不完美。多个DMZI的顺序配置实现了逐步更好的消光比。非光路组件可以调节以减少非理想因素(如后向反射)的影响。最终系统展示了超过-80 dB的消光比，适用于要求严格的感测应用。

这项工作为干涉感测技术的发展奠定了基础，特别是对于需要高灵敏度和高对比度消光能力的应用。通过架构冗余实现超过-80 dB消光比的能力，标志着光电子集成线路设计在高精度感测应用方面取得的进展。