Integrated Photonic Polarization Synthesizer and Analyzer

1. بيان المشكلة

يُعد الاستقطاب درجة حرية أساسية للضوء، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات الاتصالات المتماسكة، والاستشعار الاستقطابي، والتصوير، ومعالجة المعلومات الكمومية. وبينما تُعد القدرة على توليد وتحليل حالات الاستقطاب التعسفية أمراً ضرورياً، تواجه الحلول الحالية قيوداً كبيرة:

• البصريات الضخمة (Bulk Optics): تعتمد الأنظمة التقليدية على بصريات استقطاب خارجية ضخمة (مثل لوحات الموجات، ومقسمات الشعاع المستقطبة)، مما يعيق تصغير الأنظمة وتكاملها.
• الوظائف الثابتة: غالباً ما تستخدم محللات الاستقطاب المدمجة الموجودة مكونات سلبية ثابتة تفتقر إلى قابلية إعادة التشكيل، مما يمنعها من العمل كمولدات للاستقطاب.
• الكشف المدمر: تعتمد قياسات معاملات ستوكس التقليدية عادةً على الكشف المباشر، مما يدمر الإشارة الضوئية ويمنع المعالجة اللاحقة في المجال البصري (مثل التحليل الطيفي أو الكشف المتماسك).
• القيود المكانية: تعاني شبكات المداخل والمخارج (Interferometer meshes) التي يتم تغذيتها عبر قارنات الشبكة (Grating couplers) بزوايا مختلفة من دقة مكانية محدودة يحددها مصفوفة الاقتران.

هناك حاجة لمنصة متكاملة مدمجة، قابلة لإعادة التشكيل وغير مدمرة، قادرة على توليد وتحليل حالات الاستقطاب التعسفية على شريحة واحدة.

2. المنهجية

قام المؤلفون بتطوير بنية دارة فوتونية متكاملة (PIC) تعتمد على مكونين رئيسيين تم تصنيعهما في منصة سيليكون على عازل (SOI) بسماكة 220 نانومتر باستخدام عمليات متوافقة مع تقنية CMOS:

أ. قارن شبكة تقسيم الاستقطاب (PSGC)

• التصميم: جهاز متماثل ذو أربعة منافذ يعتمد على شبكة بريغ (Bragg grating) منتظمة ذات تماثل رباعي.
• الوظيفة:
  • كمحلل: يقوم بتفكيك شعاع الفضاء الحر الساقط (عند السقوط العمودي) إلى مكوناته الاستقطابية الأفقية ($E_x$) والعمودية ($E_y$)، وربطها بمنافذ موجية محددة.
  • كمولد: يعمل كمدور للاستقطاب، حيث يربط أنماط quasi-TE من المنافد الموجية إلى شعاع فضاء حر بحالة استقطاب محددة.
• التماثل: يعتمد الجهاز على التماثل الأفقي لشعاع السقوط العمودي المتمركز على شبكة مربعة ثنائية الأبعاد. وتتلقى المنافذ المتقابلة سعة وطوراً متساويين للمدخلات المتماثلة.

ب. شبكة فوتونية شجرية ثنائية المرحلة (Two-Stage Binary Tree Photonic Mesh)

• الهيكل: شبكة من مقاييس تداخل ماخ-زيندر (MZIs) مرتبة في طوبولوجيا شجرية ثنائية تربط منافذ الـ PSGC الأربعة بمنفذ واحد للتركيز (focusing grating coupler).
• التحكم: يحتوي كل MZI على مشتتات طور قابلة للضبط ($\theta$ لنسبة الانقسام و $\phi$ للطور النسبي) يتم تنفيذها عبر سخانات نيتريد التيتانيوم (تأثير الحرارة الضوئية).
• أنماط التشغيل:
  • وضع المولد (Synthesizer Mode): تقوم الشبكة بتوليد سعات معقدة تعسفية عند منافذ الـ PSGC عن طريق ضبط مشتتات الطور، وبالتالي توليد أي حالة استقطاب على كرة بوينكاريه.
  • وضع المحلل (Analyzer Mode): تعمل الشبكة بشكل عكسي. حيث تقوم خوارزمية التكوين الذاتي (بناءً على تقليل القدرة في المنافذ غير المستخدمة) بضبط مشتتات الطور بشكل تكراري لإعادة دمج مخرجات الـ PSGC الأربعة تداخلياً في منفذ مخرج واحد. الإعدادات المطلوبة لتحقيق هذا التداخل البناء تشفر حالة الاستقطاب المدخلة.

3. المساهمات الرئيسية

• قابلية إعادة التشكيل ثنائية الاتجاه: يعمل الجهاز كمولد استقطاب قابل للبرمجة بالكامل ومحلل قابل لإعادة التشكيل على شريحة واحدة.
• التحليل غير المدمر: على عكس قياسات ستوكس التقليدية، يستخرج هذا الهيكل معلومات الاستقطاب عبر إعدادات مشتت الطور المطلوبة لتوجيه الضوء، مما يترك الإشارة الضوئية سليمة للمعالجة اللاحقة (مثل التحليل الطيفي).
• تغطية كاملة لكرة بوينكاريه: أظهر النظام القدرة على توليد وتحليل حالات استقطاب تعسفية، بما في ذلك الاستقطابات الخطية، والإهليلجية، والدائرية.
• تصنيع متوافق مع CMOS: تم تصنيع الجهاز باستخدام عمليات مصانع تجارية قياسية (Advanced Micro Foundry)، مما يضمن القابلية للتوسع والتكرار.

4. النتائج التجريبية

تم توصيف الجهاز باستخدام مقياس استقطاب ذي لوحة ربع موجة دوارة ومصدر ليزر قابل للضبط عند 1.55 ميكرومتر.

أداء مولد الاستقطاب:

• حالات الأساس: نجح في توليد جميع حالات الأساس الست الأساسية (الاستقطاب الخطي الأفقي/العمودي، الخطي $\pm 45^\circ$، والدائري اليميني/اليساري).
• الحالات التعسفية: أظهر القدرة على توليد حالات وسيطة تغطي كامل كرة بوينكاريه.
• الدقة:
  • جذر متوسط مربع الخطأ (RMSE) لسعة الاستقطاب الأفقي: 1.7% (-17.7 dB).
  • RMSE لفرق الطور بين الاستقطابات المتعامدة: 0.005$\pi$ راديان.

أداء محلل الاستقطاب:

• قياس ستوكس: نجح في قياس معاملات ستوكس لحالات الاستقطاب الخطي المدخلة.
• الدقة:
  • RMSE لسعة الاستقطاب الأفقي: 2.9% (-15.4 dB).
  • RMSE لفرق الطور: 0.07$\pi$ راديان.
• الطبيعة غير المدمرة: تم توجيه الإشارة بنجاح إلى منفذ مخرج واحد دون كشف مباشر، مما حافظ عليها للمعالجة اللاحقة.

الكفاءة والفقد:

• فقد الإدخال في PSGC: تم قياس أدنى فقد في الإدخال بقيمة -4.5 dB (نمط TE) و -4.3 dB (نمط TM).
• عرض النطاق الترددي: حافظ على عرض نطاق قدره 42–45 نانومتر عند مستوى 1 ديسيبل.
• فقد الاستقطاب المعتمد على الاستقطاب (PDL): لوحظ أقصى PDL قدره 1.2 dB عند حواف النطاق (1.565 ميكرومتر)، ويعزى ذلك إلى عدم التماثل في التصنيع.

5. الأهمية والأثر

يمثل هذا العمل تقدماً كبيراً في الفوتونيات المتكاملة من خلال إلغاء الحاجة إلى بصريات الاستقطاب الخارجية. وتشمل الآثار الرئيسية ما يلي:

• تكامل الأنظمة: يتيح أنظمة استقطاب مدمجة ومستقلة مناسبة لأجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة، والدوائر الفوتونية الكمومية، والمستشعرات المحمولة.
• المعالجة المتقدمة للإشارات: تسمح الطبيعة غير المدمرة للتحليل بتتبع الاستقطاب وتعويضه في الوقت الفعلي مع الحفاظ على الإشارة للكشف المتماسك اللاحق أو التحليل الطيفي.
• القابلية للتوسع: يمهد استخدام عمليات CMOS القياسية الطريق للإنتاج الضخم لدوائر الفوتونيات المتكاملة القوية والمدعومة بالاستقطاب.
• التطبيقات المستقبلية: يوفر هذا المنصة أساساً لتتبع الاستقطاب في الوقت الفعلي، والتعويض التكيفي، وإمكانية تحليل الضوء جزئي التماسك من خلال توسيع التقنية لتحليل التماسك المكاني والزماني.