一种集成全维度高速光场调控的方法和装置转让专利
申请号 : CN202010833973.9
文献号 : CN111999914B
文献日 : 2021-08-31
发明人 : 王健 , 郑爽 , 杜竫
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种集成全维度高速光场调控的方法,其特征在于,利用光子集成方法将对光场一维时间的调控和对光场三维空间的调控结合在一起,光场先经过一维时间维度上幅度、相位的调控,再经过三维空间维度上幅度、相位、偏振的调控,进而实现全维度的全矢量高速光场调控,其中,一维时间维度上的幅度和相位以及三维空间维度上的幅度、相位、偏振均可以同时且独立调控;
所述一维时间维度上的相位调控通过相移器改变波导折射率或者过耦合微环来实现,相移器是热光相移器或者电光相移器;所述一维时间维度上的幅度调控通过可调光衰减器或者集成光放大器来实现,可调光衰减器是马赫‑曾德尔干涉仪或者临界耦合微环或者电吸收效应器件;所述一维时间维度上的幅度和相位同时调控通过级联的幅度调控和相位调控或者嵌套马赫‑曾德尔干涉仪来实现;所述三维空间维度上的幅度、相位、偏振调控通过N×N个阵列单元来实现,每个阵列单元提供其所在局部位置的空间幅度、相位、偏振调控,其中,相位调控通过相移器改变波导折射率或者过耦合微环来实现,相移器是热光相移器或者电光相移器,幅度调控通过可调光衰减器或者集成光放大器来实现,可调光衰减器是马赫‑曾德尔干涉仪或者临界耦合微环或者电吸收效应器件,偏振调控通过正交偏振合束器结合相位和幅度调控来实现,正交偏振合束器是二维光栅或者超材料或者超表面或者表面结构,局部位置的空间幅度、相位、偏振调控通过引入波矢失配将光子集成器件的波导模式光场耦合到自由空间中。
2.根据权利要求1所述的集成全维度高速光场调控的方法,其特征在于,所述光子集成方法是利用微纳尺寸的光子集成器件实现全维度的全矢量高速光场调控;所述相位的调控通过改变光程来实现,即光程差引起相移;所述幅度的调控通过相干光场干涉原理来实现,即两路同频率同偏振的相干光场干涉时,彼此间的相对相移不同会引起干涉场的幅度改变,相对相移为0时,干涉相长,幅度最大,相对相移为π时,干涉相消,幅度为0;所述偏振的调控通过正交偏振光场叠加原理来实现,即两路同频率的正交偏振光场叠加时,根据两路光场相对幅度大小和相对相移情况不同,合成所有偏振态光场,可以遍历偏振态邦加球上所有点。
3.一种集成全维度高速光场调控的装置,其特征在于,包括依次连接的光源、光场一维时间调控模块和光场三维空间调控模块,所述光场一维时间调控模块先对光源产生的光场进行一维时间维度上的幅度、相位调控,所述光场三维空间调控模块再对光场进行三维空间维度上的幅度、相位、偏振调控,进而实现全维度高速光场调控,其中,一维时间维度上的幅度和相位以及三维空间维度上的幅度、相位、偏振均可以同时或独立调控;
所述光场一维时间调控模块由级联的相移器和幅度控制器或者嵌套马赫‑曾德尔干涉仪构成;所述光场三维空间调控模块沿总线等功率分为N个支路,每个支路再沿线等功率分为N个单元,即由N×N个阵列单元构成,其中N≥2,每个阵列单元由第一相移器、分束器、2个幅度控制器、第二相移器、正交偏振合束器构成,其中,第一相移器与分束器连接,分束器将光分为两路,第一路连接一个幅度控制器和第二相移器,第二路连接另一个幅度控制器,之后两路通过正交偏振合束器合束并耦合到自由空间输出。
4.根据权利要求3所述的集成全维度高速光场调控的装置,其特征在于,所述每个阵列单元中还包括光延时线,用于调节各个阵列单元具有相同延时以保持时间同步;所述的光场三维空间调控模块为方形分布的阵列结构或者环形分布的阵列结构。
5.根据权利要求3所述的集成全维度高速光场调控的装置,其特征在于,所述相移器是波导型热光或者电光相移器或者过耦合微环相移器;所述幅度控制器是马赫‑曾德尔干涉仪或者临界耦合微环或者电吸收效应可调光衰减器或者能提供增益的集成光放大器;所述嵌套马赫‑曾德尔干涉仪由分束器、2个马赫‑曾德尔干涉仪、π/2相移器、合束器构成,其中,分束器将光分为两路,第一路连接一个马赫‑曾德尔干涉仪和π/2相移器,第二路连接另一个马赫‑曾德尔干涉仪,之后两路通过合束器合束输出;所述正交偏振合束器是二维光栅或者超材料或者超表面或者表面结构正交偏振合束器。
6.根据权利要求5所述的集成全维度高速光场调控的装置,其特征在于,所述马赫‑曾德尔干涉仪由分束器、相移器、合束器构成,其中,分束器将光分为两路,其中一路连接相移器,之后两路通过合束器合束输出;所述过耦合微环相移器由一个直波导和微环耦合构成,微环工作在过耦合状态;所述临界耦合微环由一个直波导和微环耦合构成,微环工作在过耦合状态;所述正交偏振合束器辅助以分布式布拉格反射光栅等反射器以改进耦合输出效率。
7.根据权利要求5所述的集成全维度高速光场调控的装置,其特征在于,所述热光相移器采用在波导上方一段距离覆盖热电阻材料或者利用波导本身因离子注入而掺杂的电阻型波导来改变波导折射率进行热光相移调谐;所述电光相移器根据不同材料体系采用载流子注入型或者载流子耗尽型或者线性电光效应或者二阶电光效应。
8.根据权利要求3至7任一项所述的集成全维度高速光场调控的装置,其特征在于,所述的集成全维度高速光场调控的装置,其光子集成器件材料体系是硅Si、二氧化硅SiO2、磷化铟InP、砷化镓GaAs、铌酸锂LiNbO3、铌酸锂薄膜、聚合物Polymer、表面等离子体、相变材料其中的一种或者多材料混合。
说明书 :
一种集成全维度高速光场调控的方法和装置
技术领域
背景技术
度资源展开。光波的基本维度资源包括幅度、相位、偏振、时间、频率/波长以及空间分布。除
了人们熟知的幅度、相位、偏振、时间、频率/波长等维度资源外,光场的空间分布作为光波
仅剩的但又十分丰富的维度资源近年来受到非常广泛的关注。完整的光场空间分布包括空
间幅度、空间相位和空间偏振,不同的光场空间分布可以表现为不同的模式,比如线偏振
(LP)模式、矢量模式、轨道角动量模式等。
用于超分辨光学成像:如共焦显微镜、二次谐波显微镜、三次谐波显微镜、暗场成像等。三维
空间具有径向或角向偏振分布的光束能用于实现对微小粒子的捕获。三维空间具有圆柱偏
振的光束由于具有平顶聚焦和更长的聚焦深度等特性可以用于实现激光加工。另外,具有
圆偏振态的光波的光子含有自旋角动量(SAM),角动量大小为 ( 为约化普朗克常数),
具有三维空间螺旋相位结构的光波的光子含有轨道角动量(OAM),角动量大小为 (l为拓
扑电荷数)。当这些具有自旋角动量或轨道角动量光波的传播方向被物体改变或光波被物
体吸收时,光波和物体之间会发生动量转换。当具有SAM的光束(即圆偏振光)会聚到流体中
的微粒上时,微粒受到光力的作用也会获得SAM并发生自转效应,而当具有OAM的光束(涡旋
光束)会聚到流体上的微粒时,微粒受到光力的作用也会获得OAM并沿特定的轨道旋转,类
似于行星围绕恒星的旋转运动。因此,具有圆偏振或三维螺旋相位结构的光波能应用于各
种粒子操控的领域,如光学捕获、光镊、光学扳手、光学打结等。与此同时,光场调控还应用
于量子信息处理以及光通信中。
幅度调制(m‑QAM)等;对光波偏振、时间、频率/波长的调控体现在基于这些维度资源的复用
光通信技术上,如偏振复用(PDM)、时分复用(TDM)、波分复用(WDM)、正交频分复用 (OFDM)
等;对三维空间幅度、相位、偏振的调控主要应用于空分复用 (SDM)、模分复用(MDM)中。近
年来,基于轨道角动量模式(涡旋光场)、矢量光场和结构光场的光通信(自由空间、光纤、水
下等)受到了越来越多的关注。
现空间幅度、相位、偏振的任意独立调控,同时现有空间光调制器的调控速率很低。近年来,
基于光子集成平台的相控阵研究比较多,但是也仅仅聚焦在光场的相位维度上。显然,单一
维度或者某几个维度的调控对于复杂结构光场的产生和应用远远不够。
信应用领域中,为了应对大数据时代对于信息容量的需求,实现高速大容量光通信和光互
连,光场调控的重要发展趋势如下:①一维时间光场幅度和相位调控加载更高速率的数据
信息;②三维空间幅度、相位、偏振调控产生任意的全矢量光场,便于灵活选择不同模式基
多路光场进行模分复用;③高速光场调控;④光场调控器件小型化和集成化。鉴于此,研究
基于光子集成技术的全维度高速光场调控具有十分重要的意义。
发明内容
性,目标是对光场三维空间(幅度、相位、偏振) 和一维时间(幅度、相位)的全维度实现集
成、高速、任意、独立的调控。
一起,光场先经过一维时间维度上幅度、相位的调控,再经过三维空间维度上幅度、相位、偏
振的调控,进而实现全维度(一维时间+三维空间)的全矢量高速光场调控,其中,一维时间
维度上的幅度和相位以及三维空间维度上的幅度、相位、偏振均可以同时且独立调控。
解决方案。
相对相移不同会引起干涉场的幅度改变,相对相移为0时,干涉相长,幅度最大,相对相移为
π时,干涉相消,幅度为0;所述偏振物理参数的调控通过正交偏振光场叠加原理来实现,即
两路正交偏振光场(同频率)叠加时,根据两路光场相对幅度大小和相对相移情况不同,可
以合成所有偏振态光场,可以遍历偏振态邦加球上所有点。
曾德尔干涉仪或者临界耦合微环或者电吸收效应等可调光衰减器或者集成光放大器来实
现,所述一维时间维度上的幅度和相位同时调控(复振幅调控)可以通过级联的幅度调控和
相位调控或者嵌套马赫‑曾德尔干涉仪等来实现;所述三维空间维度上的幅度、相位、偏振
调控可以通过N×N个阵列单元来实现,每个阵列单元提供局域的空间幅度、相位、偏振调
控,其中,相位调控可以通过热光或者电光等相移器改变波导折射率或者过耦合微环等来
实现,幅度调控可以通过马赫‑曾德尔干涉仪或者临界耦合微环或者电吸收效应等可调光
衰减器或者集成光放大器来实现,偏振调控可以通过二维光栅或者超材料或者超表面或者
表面结构等正交偏振合束器结合相位和幅度调控来实现,局域的空间幅度、相位、偏振调控
通过光栅或者表面结构等引入波矢失配将光子集成器件的波导模式光场耦合到自由空间
中。
和光场三维空间调控模块依次连接。所述光场一维时间调控模块先对光源产生的光场进行
一维时间维度上的幅度、相位调控,所述光场三维空间调控模块再对光场进行三维空间维
度上的幅度、相位、偏振调控,进而实现全维度(一维时间+三维空间)高速光场调控,其中,
一维时间维度上的幅度和相位以及三维空间维度上的幅度、相位、偏振均可以同时且独立
调控。
路再沿线等功率分为N个单元,这样所述光场三维空间调控模块由N×N个阵列单元构成(N
≥2),每个阵列单元由第一相移器、分束器、2个幅度控制器、第二相移器、正交偏振合束器
构成,其中,第一相移器与分束器连接,分束器将光分为两路,第一路连接一个幅度控制器
和第二相移器,第二路连接另一个幅度控制器,之后两路通过正交偏振合束器合束并耦合
到自由空间输出。
时间调控速率较高的时候(比如40G及以上速率),各个阵列单元之间的延时会引起较大影
响,会引起全维度光场调控的时间维度错位交叠(各阵列单元时间不同步),此时在每个阵
列单元中增加光延时线以调节各个阵列单元具有相同延时以保持时间同步。
括环形分布等。
等可调光衰减器,也可以是能提供增益的集成光放大器;所述嵌套马赫‑曾德尔干涉仪由分
束器、2个马赫‑曾德尔干涉仪、π/2相移器、合束器构成,其中,分束器将光分为两路,第一路
连接一个马赫‑曾德尔干涉仪和π/2相移器,第二路连接另一个马赫‑曾德尔干涉仪,之后两
路通过合束器合束输出;所述正交偏振合束器可以是二维光栅或者超材料或者超表面或者
表面结构等正交偏振合束器。
相移器由一个直波导和微环耦合构成,微环工作在过耦合状态;所述微环(临界耦合)由一
个直波导和微环耦合构成,微环工作在过耦合状态;所述正交偏振合束器可以辅助以分布
式布拉格反射光栅等反射器以改进耦合输出效率。
电光相移器根据不同材料体系可以采用载流子注入型(等离子色散效应)或者载流子耗尽
型或者线性电光效应(普克尔效应)或者二阶电光效应(克尔效应)等,比如硅的载流子注入
型(等离子色散效应)或者载流子耗尽型,铌酸锂和铌酸锂薄膜的线性电光效应(普克尔效
应)。相比于热光调控,电光调控可以实现更高速的调控。
膜、聚合物(Polymer)、表面等离子体、相变材料以及多材料混合(如硅与磷化铟、硅与铌酸
锂薄膜等)等现有光子集成器件已经用到的材料体系。
时间(幅度、相位),即可以实现全维度资源光场调控。
实现集成全维度高速光场调控。
控适用性,即支撑了一维时间的幅度和相位调控,又实现了三位空间的幅度、相位和偏振调
控,这是以往光场调控原理所不具备的。
活改变和调整。
型的涡旋光场、矢量光场等结构光场及其阵列,可以支撑各种复杂光场的产生及其在通信
和非通信领域的广泛应用。
附图说明
具体实施方式
不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
时间维度上幅度、相位的调控,再经过三维空间维度上幅度、相位、偏振的调控,进而实现全
维度(一维时间+三维空间) 的全矢量高速光场调控,其中,一维时间维度上的幅度和相位
以及三维空间维度上的幅度、相位、偏振均可以同时且独立调控。
相时(相对相移为π),干涉相消。
独立控制。
控器件,使光场获得三维空间上幅度、相位和偏振的调控,从而实现集成全维度高速光场调
控。
上幅度和相位的调控。然后通过光场三维空间调控模块3,其由N×N(N≥2)个阵列单元组成
(图4中示意为10×10 个阵列单元),具体构成方式是先沿总线等功率分为N个支路,每个支
路再沿线等功率分为N个单元。每个阵列单元可以任意独立调控该阵列单元所在空间位置
处的幅度、相位和偏振。通过同时调控N×N个阵列单元即可实现对光场三维空间维度上幅
度、相位和偏振的调控。最后,从光场三维空间调控模块向自由空间面发射经过集成全维度
高速调控的光场。
度调控;其中一路同样利用热光或者电光调制来引入相移使两路光场的相位差保持90°,最
后两路光场合束到一路,从而光场获得一维时间上幅度和相位的同时高速调控。
束。首先,波导中的光场被分束器一分为二,分束器第一输出端和第二输出端的输出功率比
为1:1,其中第一输出端连接马赫‑曾德尔干涉仪23,到达I路;第二输出端连接马赫‑曾德尔
干涉仪21,到达Q路。I路中的光场受到马赫‑曾德尔干涉仪23和调控元件 24的调控获得一
维时间上幅度的调控,Q路中的光场受到马赫‑曾德尔干涉仪21和调控元件22的调控同样获
得一维时间上幅度的调控,Q路中的光场受到相移器25的调控,使其与I路中光场的相位相
差90°,最后I路和Q 路中的光场经过合束器合束到一路后其光场获得一维时间上幅度和相
位的同时调控。
控产生的影响。在光传输到每个单元之后,利用波导的热光或电光效应对总光场的相位进
行调控,之后光场被等功率均分为x和y两路,两路都利用马赫‑曾德尔干涉仪对各自的光场
进行幅度调控,其中一路还额外利用波导的热光或电光效应来引入相移,从而调节x 和y两
路光场之间的相位差,最后通过二维光栅结构使两路光场辐射到自由空间中,同时两路光
场的偏振态在自由空间中保持正交并进行叠加输出,具有可调幅度和相位的两路正交偏振
光叠加可以得到任意偏振态及幅度,这样每个阵列单元面发射输出的光场就实现了幅度、
相位和偏振的调控。通过同时调节N×N个阵列单元,进而实现光场三维空间幅度、相位和偏
振的调控。
子晶体光栅40。经过一维时间调控后的光场通过耦合器31将光场均分到每个阵列单元中,
延时器2用于进行阵列单元的延时补偿,相位调制器33用于进行阵列单元的总相位调控,从
相位调制器33出来的光场平均分为两路,其中一路的光场通过马赫‑曾德尔干涉仪34和调
控元件35进行该路光场的幅度调控,另一路的光场通过马赫‑曾德尔干涉仪36和调控元件
37进行该路光场的幅度调控,其中一路的光场还通过相位调制器38调控两路光场的相位
差,然后两路光场通过二维光子晶体光栅40进行合束,两路光场以正交偏振态叠加后耦合
到自由空间,分布式布拉格反射光栅39用于提升二维光子晶体光栅40的效率,从二维光子
晶体光栅40耦合到自由空间的光场实现了其所在局部空间位置的幅度、相位和偏振的任意
且独立调控。最后,通过同时控制N×N个阵列单元可以实现对光场三维空间的调控。
图8是针对阵列单元的幅度调控,所示是阵列单元出射光强随电极施加电压的周期变化曲
线。随着电极电压的增大,热光或电光效应引起波导的传输相移改变,马赫‑曾德尔干涉仪
结构的输出强度随之改变,进而影响光出射强度。当马赫‑曾德干涉仪结构两臂的波导传输
相移差为π时,光出射强度为0,通过施加不同的电压,可以分别控制阵列单元中x路和y路的
出射光强。图9是针对阵列单元的相位调控测试。随着施加在波导上方电极电压的增大,传
输相移的改变可以覆盖整个2π,因此通过施加不同的电压,可以分别控制x路和y路的相位。
过偏振片时,在某一个旋转角度具有最大强度,在另一个相差90度的旋转角度有最小的强
度分布。图10 (b)和10(c)分别是实验产生左右旋圆偏振光场的测试结果。当圆偏光经过旋
转的单个偏振片时,透射强度始终保持均匀;当先通过四分之一波片时,圆偏光可转换为线
偏光,因此当先后经过四分之一波片和偏振片时,光强会周期性变化。图8至图10(c) 表明
该装置能成功实现对光场三维空间幅度、相位、偏振的调控。
度控制,可以进一步在远场得到复杂的结构光场分布。
过相机可以观测到环形强度分布的涡旋光,其中x偏振的是‑1阶涡旋光,y偏振的是+1阶涡
旋光。通过同轴和倾斜干涉可以分别得到螺旋形干涉条纹和叉形干涉条纹,正负阶数的涡
旋光螺旋形干涉条纹具有不同的旋向,倾斜干涉条纹也有不同的指向。
场。
旋光场。
幅度、相位,进而调控出射光场的幅度、相位、偏振三个维度,实现远场处径向偏振光场。
证。
在本发明的保护范围之内。