Research and simulation of analytical polarization control enabled by optical computing on an integrated photonics chip
本文提出并模拟了一种集成光子芯片上的新型解析偏振控制（APC）方法，该方法利用光学计算和四相移器架构来实现高速、无尽的偏振控制，而不依赖于低效的盲搜索程序。
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光不仅通过其亮度携带信息，还通过其波振动的方向来携带信息。这种振动方向被称为偏振，是工程师利用其在光纤中传输数据、捕捉详细医学图像以及构建量子计算机的一种基本属性。然而，当光在玻璃纤维或微小的硅芯片中传播时，往往会被材料本身或外部振动所扰乱，导致信号退化。为了解决这个问题，科学家们使用了被称为偏振控制器（polarization controllers）的设备，这些设备可以旋转并扭转光线，使其恢复到正确的形状。几十年来，这些控制器一直像是在暴风雨中试图调收音机的人一样工作：它们盲目地旋转旋钮，检查信号，再次旋转，然后重复这个过程，直到噪声消失。这种试错法既缓慢又低效，尤其是在信号需要每秒进行数千次校正时。
研究人员最近提出了一种更聪明的方法来处理这个问题，即将光本身视为一台计算器。与其盲目寻找合适的设置，不如采用一种解析方法，测量光的当前状态，精确计算出需要旋转多少度，然后通过一步精准的操作应用该校正。这种方法依赖于控制光波在穿过计算机芯片上的微观结构时相对时间差的能力。虽然这种解析思路以前曾在硅芯片上被探索过，但之前的尝试存在一个关键缺陷：它们无法完美补偿芯片结构中微小且不可避免的不完美之处，并且在光的状态发生快速变化时，难以保持校正过程的平稳运行。由于缺乏解决这些问题的方案，实现下一代网络所需的快速、精准控制仍然遥不可及。
在一项新的研究中，来自山西大学及多家行业合作伙伴的研究团队设计并模拟了一个解决了这些问题的完整系统。他们为硅芯片上的设备设计了一个蓝图，该设备使用四个不同的光调节单元（即相位移位器）来操纵光的偏振。其设计的核心是一种测量光的状态、利用光本身进行数学计算并立即应用必要校正的方法。至关重要的是，他们增加了一个此前设计中所缺失的第四个调节单元。这个额外的单元充当了精细调节器，补偿了芯片内部会导致测量精度受损的微小结构缺陷。通过加入这个第四个移位器，研究人员展示了该设备可以围绕所有三个可能的旋转轴纠正光的路径，从而确保信号保持纯净且强劲。
团队还解决了“无尽控制”的问题。在数字系统中，数字通常会发生回绕；例如，时钟从12点跳回1点。同样，当光的形态连续变化时，标准系统中的控制信号会达到极限并突然跳回零，从而导致光强产生短暂但具有破坏性的闪烁。研究人员开发了一种聪明的切换机制来预判这些跳变。当控制信号接近极限时，系统会悄悄地将工作负载转移到电路的另一部分，从而使校正过程能够平稳持续，而不会撞上障碍。这确保了即使在偏振状态快速且连续变化时，光强也能保持稳定。
为了测试他们的想法，研究人员对他们的设计进行了详细的计算机模拟。他们模拟了光通过其四移位器结构时的行为，首先通过校准系统以考虑芯片的物理缺陷。模拟证实，他们的方法可以在单个循环内将光锁定在理想状态，这比旧有的盲搜方法所需的多次循环有了巨大的进步。他们发现，如果没有这种特殊的“无尽控制”开关，每当系统重置数字时，光强就会发生闪烁。在开启开关的情况下，光保持得非常稳定。此外，他们发现第四个相位移位器对于实现高质量信号至关重要。当他们模拟没有这个第四单元的系统时，输出质量显著下降，尤其是在芯片的不完美程度超过特定阈值时。在加入第四个单元后，系统能够维持高水平的信号纯度，能够实现大于40分贝的消光比，这意味着不需要的光被抑制了超过一万倍。
该研究并未声称已经制造出了物理设备；结果完全基于严谨的计算机模拟。然而，这些发现为制造这些控制器提供了一个清晰且实用的蓝图。研究人员建议，通过将他们的解析设计与现有的硬件加速器（如现场可编程门阵列，FPGA）相结合，将能够制造出运行速度极快的偏振控制器。这种进步对于未来的光网络和数据中心至关重要，在这些领域，维持光信号的完整性是核心任务。这项工作表明，通过从盲目搜索转向拥抱解析光学计算，我们可以创建出不仅更快而且比以往更准确、更可靠的集成光子芯片。
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