利用泄漏模式编码光子分子的超高分辨率计算光谱偏振仪

《Optics & Laser Technology》：Ultrahigh-resolution computational spectropolarimeter by harnessing a leakage-mode-encoded photonic molecule

　　摘要计算光谱偏振测量已成为在微型化光子平台中获取多维光场信息的有力方法。传统计算测量系统通常依赖热调谐机制进行波长扫描，当要求高重构精度或光谱分辨率时，这会对扫描精度施加严苛要求。在本工作中，我们提出一种基于漏模编码光子分子的无扫描光谱偏振仪，通过将随机光谱响应映射为空间散斑图案来消除波长调谐。尽管近期单谐振器设计推动了计算光谱偏振测量的发展，但其分辨能力受限于孤立腔体的模态密度和多样性。所提出的系统采用楔形D型光纤与双原子光子分子耦合，构建光谱响应矩阵。腔体间的倏逝耦合引发强模式杂化和共振劈裂，产生密集的超模连续体，从而丰富模态相互作用，超越孤立谐振器的极限。楔形D型光纤支持大量漏模，这些模式被共振耦合进光子分子，产生复杂干涉和散射，从根本上提升测量性能。通过利用这些增强的结构相互作用，所提出的系统在100 nm工作带宽内实现了0.01 pm的超高光谱分辨率，同时实现精度为5.374×10??的全斯托克斯偏振重构。这些结果表明，将谐振结构融入计算架构为紧凑且高分辨率的多维光场测量提供了一条有前景的途径。引言光学是研究各种物理过程最重要的工具之一，其特征包括波长、偏振态和光强等多个物理属性，能够提供关于外部系统的丰富信息。同时，研究光的物理性质有助于阐明复杂物质的相互作用机制[1]。偏振测量可提供样品结构[2]和材料性质[3]的洞察，而光谱分析则揭示化学成分[4]和光纤通信系统[5]的信息。光谱与偏振的同时测量，即光谱偏振测量，将这两种测量技术结合起来，提供更全面的表征工具。该测量技术已应用于天体物理学、遥感和宇宙学等多个领域[6]。传统光谱偏振仪通常面临物理尺寸大和复杂度高的问题，难以部署在微型化平台上，因而无法满足许多当代应用的需求。对于时间分割型光谱偏振仪，利用可调滤光器依次测量不同偏振态和光谱分量的光强[7]。对于空间分割型光谱偏振仪，不同偏振态和光谱分量通过偏振分束器和色散元件（如光栅和棱镜）在空间域中分离，随后进行区分和测量[8]。对于通道式光谱偏振仪，通过延迟器双折射和白光干涉产生携带偏振信息的光谱载波信号，从而将偏振态信息编码到光谱载波频率中[9]，[10]。近期，通过使用定制设计的衍射光学元件和涡旋延迟器将入射光转换为结构化矢量光束，已实现单次同时测量宽工作带宽和紧凑体积下的光谱与偏振[11]。该方案将不同光谱分量衍射到不同半径的同心圆上，并将不同偏振态编码为沿方位角方向的强度分布。同时，基于超表面的光谱偏振仪方案也已被提出。通过设计适当的超表面结构，不同偏振态和光谱分量在空间域中被衍射到不同方向，从而以相对紧凑的尺寸实现光谱和偏振态的同时测量[12]，[13]。然而，在紧凑封装中实现飞米级光谱分辨率并同时进行全斯托克斯偏振测量仍然是一个挑战。紧凑型光子结构也已被开发用于滤波和解复用。基于槽形波导的谐振跑道滤波器和多模干涉结构已展示紧凑的波长选择性滤波和多通道波长区分[14]，[15]，[16]，包括偏振相关的波长解复用[17]。这些方法通过工程化谐振和干涉响应，为光谱信息的紧凑操控和路由提供了有效策略。然而，它们主要实现特定波长选择或通道分离，而非提供整个波段上的谐振响应，因此无法用于计算光谱仪的系统优化。光子分子光谱仪的最新进展已展示在紧凑光子平台中实现超高分辨率光谱测量的巨大潜力。通过利用耦合微谐振器系统中的模式杂化效应和色散工程，光子分子光谱仪已在芯片级封装内实现皮米级光谱分辨率[18]，[19]。尽管先前研究强调了光子分子增强光谱灵敏度的能力，但现有光子分子光谱仪从根本上依赖波长扫描来获取光谱信息。实现高重构精度和超高光谱分辨率对扫描机制施加了极其严苛的要求，包括调谐精度、重复性和长期稳定性。在实际应用中，热调谐通常用于实现波长扫描，但其固有缺点是响应速度慢和热串扰。这些限制对计算系统尤其不利，因为轻微的热波动会降低光谱响应矩阵的稳定性并损害重构精度。因此，对扫描的依赖构成了在紧凑光子系统中实现稳健高分辨率光谱偏振测量的主要障碍。近期，一种利用微锥耦合到单个回音壁模式（WGM）微球谐振器的计算光谱偏振仪已被展示，实现了20 fm的分辨率和全斯托克斯测量[20]。该工作确立了通过共振增强漏模干涉编码光谱和偏振信息的可行性。然而，单谐振器架构本质上受限于孤立腔体的结构，且常规微锥产生的漏模对辐射的空间控制相对较弱。因此，在分辨能力和光功率利用率方面的进一步改进需要超越单个谐振器和常规锥形几何所提供的额外结构自由度。在本工作中，我们提出一种漏模编码光子分子（LMEPM）光谱偏振仪，引入两项互补的结构改进以解决上述限制。首先，我们采用由两个倏逝耦合WGM微球形成的双原子光子分子，替代孤立的WGM谐振器。两个谐振器之间的耦合引发模式杂化和共振劈裂，产生一组密集的、共振频率不规则分布的超模。与孤立谐振器的离散模态响应相比，这些耦合超模为漏模提供了额外的共振传播路径。这种增强的模态复杂性增加了所产生散斑图案的多样性和灵敏度，从而实现超越单谐振器配置的分辨能力。其次，常规锥形无芯光纤被楔形D型多模光纤取代，作为编码器。楔形非对称几何不依赖于轴对称锥形结构的泄漏，而是沿传播方向引入连续变化的局部边界条件，从而促进高阶导模向漏模的受控转换。此外，D型表面打破了方位角对称性，使辐射场优先限制在耦合和CCD区域，提高了所产生光功率的利用率。楔形结构为计算编码提供丰富的模态干涉，并提供更可控的几何结构，有利于光子分子的高效激发和所得散斑图案的收集。这两项结构改进发挥着不同且互补的作用。楔形D型光纤主要工程化漏模的产生和传输，而光子分子则进一步丰富其共振相互作用并扩展可用光程差。二者的结合建立了一种新型的漏模编码谐振架构，而非对先前报道的单谐振器设计的简单修改。该结构实现了具有显著增强判别能力的映射介质，同时保持紧凑且无扫描的配置。所提出的LMEPM光谱偏振仪在100 nm工作带宽下实现了0.01 pm的光谱分辨率。三个斯托克斯参数的偏振测量误差分别为0.56%、0.81%和0.84%，总均方误差（MSE）为5.374×10??。这种独特的耦合架构在紧凑体积内提供高光谱测量性能，带宽-分辨率比（BRR，量化在宽测量范围内保持高分辨率的能力）为1×10?，分辨率-占用面积乘积（RFP，表征单位器件面积可达到的分辨率）为4.84 nm × μm2，为多维光信息测量应用提供了潜力。章节片段LMEPM光谱偏振仪的工作原理为实现无扫描光谱偏振测量，一个关键要求是生成足够丰富和复杂的光学响应，使光谱和偏振变化与可测量空间特征之间建立唯一映射。基于这一原理，我们提出一种LMEPM光谱偏振仪，利用丰富的模态相互作用实现基于漏模的编码而无需波长扫描。所提出的系统集成了楔形D型多模光纤（MMF）与讨论为定量评估计算测量方法中固有的基本权衡，我们引入两个关键指标：带宽-分辨率比（BRR）和分辨率-占用面积乘积（RFP）。具体而言，BRR定义为测量带宽与分辨率之比，量化在追求宽测量范围的同时实现高分辨率的约束。类似地，RFP通过将分辨率乘以空间占用面积获得。方法器件制备为制备楔形D型光纤，商用多模光纤剥离保护涂层，并经过侧抛光工艺实现指定的非对称材料去除。为形成楔形几何，设计了抛光轨迹，沿光纤轴线连续变化横向偏移，从而产生预定的厚度梯度。具体而言，裸光纤被夹持在V型槽夹具中以保证轴向CRediT作者贡献声明钱宇周：写作——初稿，可视化，方法学，数据管理，概念化。万阳阳：写作——审阅与编辑。范新宇：写作——审阅与编辑，项目管理，经费获取。何祖源：写作——审阅与编辑。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作获得国家自然科学基金（NSFC）资助，项目编号为62275151、U25B2062、62405178和62435004。钱宇周|万阳阳|范新宇|何祖源