基于线性神经网络的多功能偏振处理芯片研究

With the great developments of optical communication technology and large-scale optical integration technology, it is very imperative to realize the traditional functions of optical communication on integration platform. Most of the existing polarization devices, such as polarization splitters, polarization controllers, polarization analyzers, etc., are single-function. Undoubtedly, integrating these polarization functions on a chip will increase the flexibility and the integration level of polarization processor and also decrease the cost. In this proposal, we put forward a multifunctional and chip-scale polarization processor. Based on the optical linear neural network, the polarization functions can be arbitrarily switched by thermal tuning of the phase shifters. The achievable functions include polarization splitting, polarization switch, polarization multiplexing/demultiplexing, polarization control, polarization rotation and polarization measurement, which basically cover all the polarization processing functions. We will carry on the study in theoretical modeling, device fabrication and system experiments. Finally, we can obtain comprehensive theory about polarization processor and experimental platform, and bring forward some potential applications in optical communications and optical networks.

随着光通信技术和大规模光子集成技术的飞速发展，在集成平台上实现传统的光通信器件是非常急迫的。现有的偏振功能器件，例如偏振（旋转）分束器、偏振控制器、偏振测量仪等，通常都是功能单一的，而将这些偏振功能器件集成到一个芯片上，具备多功能偏振处理能力，无疑将增大偏振处理器的灵活度、提高芯片的集成度并降低系统成本。本项目创新性地提出基于单个光子芯片的多功能偏振处理器，基于光学线性神经网络结构，通过热调相移器，完成偏振功能的任意切换，可实现的功能有偏振分束、偏振开关、偏振复用解复用、偏振控制、偏振旋转、偏振测量等通用偏振处理功能。本项目拟对基于光学线性神经网络的偏振处理器进行理论建模、器件制作和实验测试，并对偏振处理器的系统原型进行误差分析和性能优化，最终探索一套相对完善的偏振处理芯片的理论体系和实验平台，并挖掘其在光通信和光网络的潜在应用。

偏振处理器在光通信和偏振成像领域有着重要的应用价值。本项目的研究成果包括：1）在硅基平台设计、制作并演示了一种基于线性光网络的一体化、芯片级偏振处理器。通过调整网络传输矩阵，该芯片可配置为偏振MIMO解码器、偏振控制器、分空间偏振分析仪和分时间偏振分析仪。采用数值梯度下降算法对这些函数进行自配置和自优化。如果使用另一个二维光栅耦合从芯片发出的光，还可以配置更多的功能，如任意波片、偏振旋转器和偏振器。我们的芯片几乎可以实现偏振处理的所有基本功能，这意味着利用人工智能算法实现芯片规模可重构和完全可编程的光子偏振处理具有很大的潜力。2）基于二维光栅和不对称分束器实现了一个硅基分空间偏振分析仪，以及证明了一种用偏振相关全息图测量光的斯托克斯参数的分空间偏振测量方法。3）通过在激光腔内引入偏振相关损耗，观测到单模激射与抑制现象，为单模激射提供了一种新的方法。在反PT对称的启发下，我们通过构造一个偏振耦合的反PT对称系统，首次展示了一种片上手性偏振器。手性偏振器的透射轴在正向和反向传播时是不同的。两个传播方向的偏振消光比均超过10 dB。此外，还进行了通信实验，验证了该技术在偏振编码信号中的潜在应用。它为环奇异点参数演化提供了一种新的功能，并为片上手性偏振操纵提供了一种新的方法。4）在光矩阵计算和多维光子芯片方面也有相应的进展。. 在项目资助下，发表SCI论文9篇，包括Light: Science & Applications、Laser & Photonics Reviews等。国际主流会议论文4篇，国家发明专利3项，美国专利1项。总体而言，本项目所支持的成果均高于预期目标。