On-Chip-Erzeugung eines Bessel-Gauß-Strahls für die Erfassung großer Entfernungen

Der Bessel-Strahl verfügt über eine erhebliche Tiefenschärfe und Selbstheilungseigenschaften und wird in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, darunter Quantenverschränkung, Unterwasser-3D-Bildgebung, optische Mikromanipulation, Mikroskop und so weiter. Allerdings sind diese Methoden, wie z. B. kreisförmiger Schlitz und Linse, Axicon, räumlicher Lichtmodulator (SLM), aufgrund der Verwendung sperriger optischer Elemente kompliziert und behindern die Anwendung des Bessel-Strahlerzeugungssystems in praktischen Anwendungen.

Kürzlich wurden mehrere kompakte Systeme zur Erzeugung von Bessel-Strahlen unter Verwendung photonischer integrierter Schaltkreise (PICs), Metaoberflächen, integrierter Wellenleiter und 3D-gedruckter Fasern vorgeschlagen. Die Ausbreitungsdistanz der durch die oben genannten Technologien erzeugten Bessel-Strahlen ist jedoch kurz, was die Anwendung des Bessel-Strahls in Szenarien, die lange Ausbreitungsdistanzen erfordern, erheblich einschränkt.

In einem neuen Werk veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Junfeng Song vom State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun, China, und Peng Cheng Laboratory, Shenzhen, China, und Mitarbeitern eine beispiellose Struktur vorgeschlagen auf Silizium-Photonengitter-Arrays, um den Bessel-Gauß-Strahl (BGb) mit einer langen Ausbreitungsstrecke (gemessen 10,24 m) zu erzeugen.

Die Gitterarrays sind konzentrisch auf dem Chip verteilt. Darüber hinaus werden die BGb-Profile im Wellenlängenbereich von 1500 nm bis 1630 nm erhalten. Die räumliche Verteilung der Lichtintensität folgt der ersten Art der Bessel-Funktion. Zu guter Letzt nutzten die Forscher das azimutal polarisierte BGb auch, um gleichzeitig Rotationsgeschwindigkeit und Entfernung eines Ziels zu messen.

Aufgrund der kompakten Größe, der geringen Kosten und des Massenproduktionspotenzials des integrierten Prozesses verspricht das beschriebene Verfahren und die Technik, den Bessel-Gauß-Strahl problemlos in weit verbreiteten optischen Kommunikations- und Mikromanipulationsanwendungen zu ermöglichen.

Die Gruppe fasste das Prinzip ihres integrierten photonischen Siliziumchips zur Erzeugung von Bessel-Gaußschen Strahlen über große Entfernungen zusammen:

„Das BGb kann durch Überlagerung einer Reihe von Gaußschen Strahlen erhalten werden. Der Prozess hängt nicht nur mit dem Emissionswinkel zusammen, sondern auch mit dem Divergenzhalbwinkel der Gaußschen Strahlen. Aufgrund der Kohärenz zwischen den Gaußschen Strahlen und der Symmetrie Aufgrund der kreisförmigen Verteilung bilden sich im Überlappungsbereich Bessel-Gauß-Strahlen. Der Emissionswinkel und der Divergenzwinkel des Gauß-Strahls bestimmen die räumliche Position des Überlappungsbereichs. Theoretisch kann der Überlappungsbereich bis ins Unendliche reichen.“

„Als nächstes wird die Wellenleiterstruktur sorgfältig entworfen, um BGb über große Entfernungen zu erzeugen, insbesondere die Breite und Gitterperiode der Gitterarrays. Wir haben viele Simulationen durchgeführt und schließlich ihre Größe bestimmt. Die gesamte Ringstruktur hat einen Durchmesser von 870 μm. und 64-Kanal-Gitter-Emitter, die kreisförmig angeordnet sind. Der photonische Chip wird auf einem Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI) im Standard-130-nm-8-Zoll-CMOS-Prozess der Singapore Advanced Micro Foundry (AMF) hergestellt.

„Rotation ist ein grundlegendes Phänomen in der Natur und ein effektiver Ansatz zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit ist unerlässlich, um physikalische Eigenschaften aufzudecken, präzise Maschinen zu verwalten und die Zusammensetzung von Himmelskörpern zu analysieren. Um die Funktionalität des erzeugten BGb zu demonstrieren, messen wir auch experimentell die Rotationsgeschwindigkeiten.“ eines sich drehenden Objekts über den Rotations-Doppler-Effekt und der Entfernung durch das Phasenlaser-Entfernungsmessprinzip. Der On-Chip-BGb kann eine integrierte Lösung für eine effektive Rotationsmessung bieten.“

„Da die Fläche dieses Geräts weniger als 1 Quadratmillimeter beträgt, werden die Kosten für ein einzelnes Gerät in der Massenproduktion auf weniger als 50 Cent reduziert. Dieser kostengünstige, hochwertige und über große Entfernungen verfügende BGB-Generator ist auf dem Chip.“ ist der Schlüssel zum zukünftigen Bessel-Strahl in groß angelegten, miniaturisierten und hochstabilen Anwendungsszenarien“, fügten sie hinzu.