基于多平面光转换的可编程像素模线性干涉仪

可编程线性光学干涉仪是光信号处理、量子信息处理和光子计算中的核心基本单元。现有的光子集成实现使用 Mach-Zehnder 干涉仪网格实现任意 $M$ 模态单位变换，其占地面积和累积损耗随 $O(M^2)$ 光组件而增长。本文分析并实验演示了一种用于在空间像素模态上实现线性光变换的可编程架构，即多平面光转换 (MPLC)。在此架构中，沿横向晶格排列的 $M$ 个空间模态经历单位变换并映射到几何形状相同的 $M$ 个输出模态，经过一序列编程相位掩模和自由空间传播段。数值仿真表明，任意 $M$ 模态单位变换可通过大约以 $M$ 线性比例的相位平面数目实现预期高保真度。使用基于空间光调制器的 MPLC，我们实验演示了可编程干涉仪作用于最高 16 个空间像素模态，包括可调 beamsplitter、Hadamard 单位变换、空间置换、提升-Bell 测量单位变换以及对选定模态子集的部分单位变换。这些结果表明，MPLC 基于像素模态干涉仪是可编程线性光学的有前景的架构，适用于经典和量子光 Interconnect、光子开关和量子信息处理。