一种光学时域傅里叶变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种光学时域傅里叶变换器，属于集成光子器件，与现有的光学时域傅里叶变换器相比可以实现集成以及更小的设计尺寸。本发明由在衬底上自下而上依次生长的包层、下导波层和上导波层构成，所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导、第一准直透镜、第一闪耀光栅、第二准直透镜、傅里叶变换透镜、第三准直透镜、第二闪耀光栅、第四准直透镜、输出波导构成，各组成部分的材料相同。本发明体积小，与现有制作工艺兼容，可方便地进行单片集成，在超短光脉冲通信系统中，可以实现对输入时间脉冲的时域傅里叶变换功能。
【专利说明】一种光学时域傅里叶变换器
【技术领域】
[0001]本发明属于集成光子器件，具体涉及一种光学时域傅里叶变换器。
【背景技术】
[0002]近些年来，超短脉冲技术取得了革命性的进展，而时间透镜在超短脉冲技术中起到重要作用，其主要应用于脉冲压缩技术、时间成像技术，以及正交频分复用技术等领域。
[0003]传统的光学时域傅里叶变换器由输入色散媒质、引入二阶相位调制的时间透镜、输出色散媒质组成。由于基于电光相位调制的时间透镜易于实现，性能稳定，因此以电光相位调制器作为时间透镜是最常用的方法。但是由于电光相位调制器只能在调制中心附近进行近似的二阶相位调制，致使时间透镜受到孔径限制，此外基于电光相位调制的时间透镜组成的时间成像系统的一个重要问题是分辩率较低。见Quantum Electronics, IEEEJournal of, 2000.36(4):p.430-437.此外，时间透镜还可以利用非线性晶体的和频和差频以及光线的交叉相位调制来实现。上述的几个实现方法都是使用分立的光电器件，因此就会有难以集成的困难以及相对较大的几何尺寸。最近，美国康乃尔大学提出来了一种在硅基光波导上完成的基于四波混频(FWM)效应的时间透镜，他们用两个这样的四波混频透镜构成了一个时间望远镜系统。这种时间透镜对输入脉冲可以有超过ΙΟΟπ的相移，但是利用四波混频效应对输入脉冲产生的幅度噪声将会增大，且对于工作波长精确度要求高，以及需要产生特定的泵浦光脉冲。见〃Silicon photonics:Silicon’s time lens, 〃NatPhoton, vol.3，pp.8-10, 2009.
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供一种具有体积小、与现有制作工艺兼容和可方便地进行单片集成的光学时域傅里叶变换器，其在超短光脉冲通信系统中，可以实现对输入时间脉冲的时域傅里叶变换功能，属于集成光子器件。
[0005]本发明解决其技术问题采用以下的技术方案:
[0006]本发明提供的光学时域傅里叶变换器，其由在衬底上自下而上依次生长的包层、下导波层和上导波层构成。
[0007]该光学时域傅里叶变换器基于平面光波导技术，由任何能够形成平面光波导的介质材料实现，与现有制作工艺兼容，可由平面波导技术的标准光刻及刻蚀工艺制作，体积小，能够方便地与其他相同材料体系的器件进行单片集成。
[0008]所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导、第一准直透镜、第一闪耀光栅、第二准直透镜、傅里叶变换透镜、第三准直透镜、第二闪耀光栅、第四准直透镜、输出波导构成。
[0009]所述衬底由能够形成平面光波导的介质材料制成，该材料包括单晶硅、磷化铟、砷化镓、蓝宝石或碳化硅。
[0010]所述包层由能够形成平面光波导的介质材料制成，该材料包括二氧化硅、磷化铟、铟镓砷磷、砷化镓、招镓砷、氮化镓，铟镓氮或招镓氮。
[0011]所述上导波层和下导波层均采用能够形成平面光波导的介质材料，该材料包括非晶硅、铟镓砷磷、砷化镓、氮化镓、铟镓氮或铝镓氮。
[0012]本发明提供的上述光学时域傅里叶变换器，其用途是:该光学时域傅里叶变换器在超短光脉冲通信系统中应用时，能够实现对输入时间脉冲的精确的时域傅里叶变换功倉泛。
[0013]该光学时域傅里叶变换器在超短光脉冲通信系统中应用时，包括以下步骤:
[0014]A.光脉冲从输入波导入射，在输出波导接收；
[0015]B.第一准直透镜、第三准直透镜有对光准直的作用，在其焦平面得到平行光；
[0016]C.第二准直透镜、第四准直透镜有对光聚焦的作用，在其焦平面得到聚焦光斑；
[0017]D.所述第一闪耀光栅起到分光的作用，不同频率的光经过光栅后有不同的偏转方向，最终把不同频率分量的光聚焦在第二准直透镜的焦平面的不同位置；第二闪耀光栅的作用与第一闪耀光栅的作用正好相反，将不同方向传播的所有频率分量的光变为均沿同一方向传播的平行光；
[0018]E.所述傅里叶变换透镜的作用是进行空间傅里叶变换，在其后焦平面得到输入场的空间傅里叶变换。
[0019]本发明与现有技术相比具有以下的主要优点:
[0020]1.本发明可由平面波导技术的标准光刻及刻蚀工艺制作，上导波层中准直透镜、闪耀光栅和傅里叶变换透镜的顶面为同一水平面，输入波导和输出波导的顶面为同一水平面。本发明基于平面光波导技术，可由任何能够形成平面光波导的介质材料实现，与现有制作工艺兼容，体积小，并可方便地与其他相同材料体系的器件进行单片集成，因此有相对较低的制造成本。
[0021]2.本发明属于光无源器件，不需要对器件本身加任何形式的电信号、光信号作为驱动源。
[0022]3.本发明的整体器件尺寸为600μπι (宽度)*350μπι (高度)*5mm (长度)，而传统的光学时域傅里叶变换器主要由电光相位调制器和单模色散光纤等分立光学器件构成，其中电光相位调制器尺寸一般为几十或几百毫米，如美国E0SPACE生产的铌酸锂电光相位调制器，其尺寸为88.4*8.9*8.9mm，单模色散光纤的长度一般为几百米。因此本发明比起传统的光学时域傅里叶变换器有很小的尺寸。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明的y方向的结构示意图。
[0024]图2为本发明的俯视图。
[0025]图3为准直透镜俯视图。
[0026]图4为闪耀光栅俯视图。
[0027]图5为傅里叶变换透镜俯视图。
[0028]图6是时域输出波形示意图。
[0029]图7是两个不同脉冲宽度的输入脉冲示意图。
[0030]图8是仿真得到的两个不同脉冲宽度的输入脉冲的输出脉冲示意图。
[0031]图中:1.输入波导；2.第一准直透镜；3.第一闪耀光栅；4.第二准直透镜；5.傅里叶变换透镜；6.第三准直透镜；7.第二闪耀光栅；8.第四准直透镜；9.输出波导；10.上导波层；11.下导波层；12.包层；13.衬底。
【具体实施方式】
[0032]下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
[0033]本发明提供的光学时域傅里叶变换器，其结构如如图1所示，由在衬底13上自下而上依次生长的包层12、下导波层11和上导波层10构成，其中:衬底13为晶体硅，包层12为二氧化硅，下导波层11和上导波层10均为非晶硅。
[0034]所述包层12从X方向的高度为0.5微米。
[0035]所述下导波层从X方向的高度为0.45微米。
[0036]参见图2，所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导1、第一准直透镜2、第一闪耀光栅3、第二准直透镜4、傅里叶变换透镜5、第三准直透镜6、第二闪耀光栅
7、第四准直透镜8、输出波导9构成，各组成部分的材料相同，均为非晶硅。
[0037]所述各组成部分的连接关系是:输入波导I的输出端面和第一准直透镜2的输入端面连为一体，第一准直透镜2的输出端面和第一闪耀光栅3的输入端面不接触，第一闪耀光栅3的输出端面和第二准直透镜4的输入端面不接触，第二准直透镜4的输出端面和傅里叶变换透镜5的输入端面不接触，傅里叶变换透镜5的输出端面和第三准直透镜6的输入端面不接触，第三准直透镜6的输出端面和第二闪耀光栅7的输入端面不接触，第二闪耀光栅7的输出端面和第四准直透镜8的输入端面不接触，所述准直透镜、闪耀过光栅和傅里叶变换透镜的顶面为同一水平面，第四准直透镜8的输出端面和输出波导9的输入端面连为一体。
[0038]除输入波导1、输出波导9分别作为发射和接收端外，本发明从功能上分为A部分(由第一准直透镜2、第一闪耀光栅3和第二准直透镜4组成)、B部分(傅里叶变换透镜
5)和C部分(由第三准直透镜6、第二闪耀光栅7和第四准直透镜8组成)三个部分。这些平面光学衍射器件可以在由同种材料构成的衬底上米用统一的光刻和刻蚀工艺制作，光在垂直方向上始终是被由包层12和上波导层10、下导波层11所构成的平板波导结构导引。A部分位于输入光波导I之后，其作用是在输出空域得到输入时间脉冲的傅里叶变换出部分的作用是对A部分的输出做空间傅里叶变换；C部分的作用是在时域得到B部分输出的空间分布的傅里叶变换，最后输出的时间脉冲形状即为输入时间脉冲的傅里叶变换。本发明的整体作用就是在输入波导I输入一个超短时间脉冲，经过该时域傅里叶变换器后，在输出波导9得到的时间脉冲的形状即为输入时间脉冲的时域傅里叶变换。
[0039]输入光波导I中的光首先进入A部分的第一准直透镜，在Y-Z平面得到近似平面波，经过第一闪耀光栅后，不同频率分量的光被聚焦到第二准直透镜后焦平面的不同位置，于是A部分输出的空间分布就是输入时间脉冲的傅里叶变换；B部分的作用是对A部分输出的空间分布做空间傅里叶变换，输出的空间场分布即为从输入波导输入的时间脉冲的形状；C部分完全等同于A部分反转放置在B部分之后，根据互易原理，C部分输出的时间脉冲的时域形状是为输入空间分布的傅里叶变换。最终我们得到的输出时间脉冲的形状即为输入时间脉冲的傅里叶变换，因此完成了在时域实现傅里叶变换的功能。
[0040]光脉冲从输入波导I入射，在输出波导9接收。所述输入波导I和输出波导9均为水平截面矩形的长方体，其尺寸为:X方向高度0.04微米，y方向宽度2微米，Z方向长度为10微米。
[0041]第一准直透镜2、第三准直透镜6有对光准直的作用，在其焦平面得到平行光。
[0042]第二准直透镜4、第四准直透镜8有对光聚焦的作用，在其焦平面得到聚焦光斑。
[0043]所述第一准直透镜2、第二准直透镜4、第三准直透镜6、第四准直透镜8均为扁平柱体。该扁平柱体由连为一体的两部分构成，如图3所示，其中:第一部分水平截面形状为矩形，其尺寸为:x方向高度I微米，I方向宽度207微米，z方向长度296微米。
[0044]第二部分水平截面形状为半椭圆形，其长轴a和短轴b分别满足:
[0045]a = "〃., , b = f In 11 ^Hl ,
"/.+"//V/?// +nL
[0046]式中:nH为透镜内的等效折射率值(即上波导层、下导波层、包层和衬底总的等效折射率)为3.4 为背景材料系(包括下导波层、包层和衬底)里的有效折射率值为3.22 ；nH和％均可由有效折射率法(Effective Index Method)或者模式求解(Mode solver)得至IJ。f为透镜的焦距值，为628微米。
[0047]第一闪耀光栅3起到分光的作用，不同频率的光经过光栅后有不同的偏转方向，最终把不同频率分量的光聚焦在第二准直透镜4的焦平面的不同位置。也就是说，后焦平面的空间上每一个点的光场对应于入射波的每一个频谱分量。第二闪耀光栅7的作用与第一闪耀光栅3的作用正好相反,将不同方向传播的所有频率分量的光变为均沿同一方向传播的平行光。
[0048]所述第一闪耀光栅3、第二闪耀光栅7均由65个完全相同的直角三棱柱沿y方向依次紧密排列，如图4所示，其尺寸为--沿y方向边长为7.7微米，沿z方向边长为3.8微米，X方向高度为I微米。
[0049]傅里叶变换透镜5的作用是进行空间傅里叶变换，在其后焦平面得到输入场的空间傅里叶变换。所述傅里叶变换透镜5为扁平柱体，其横截面如图5所示，由两端相同的圆弧围成，圆弧半径为190微米，沿y方向宽度为230微米。
[0050]所述x、y、z方向分别为沿纸面垂直向上方向、垂直纸面向外方向、沿纸面向右方向。
[0051]本发明提供的上述光学时域傅里叶变换器，与之前传统的光学时域傅里叶变换器相比，优势明显:本发明基于平面光波导技术，可由任何能够形成平面光波导的介质材料实现，与现有制作工艺兼容，可由平面波导技术的标准光刻及刻蚀工艺制作，体积小，并可方便地与其他相同材料体系的器件进行单片集成。
[0052]经模拟仿真测试，其结果如下:
[0053]选取一个中心波长为1550nm的高斯脉冲作为输入光脉冲,脉冲宽度为65fs,使用时域光束传输法(TD-BPM)对器件进行仿真，经过该光学时域傅里叶变换器后，最后的输出脉冲形状如图6所示，实线表示仿真的输出结果，虚线表示输入脉冲时间波形的理想傅里叶变换，从图中可见，仿真结果与理想傅里叶变换波形基本一致，实现了对输入脉冲的时域傅里叶变换功能。
[0054]然后，如图7所示，选择中心波长1550nm，脉冲宽度分别为30fs和90fs的两个斯高脉冲作为输入光脉冲，仿真得到的输出结果如图8所示，实线为脉冲宽度为30fs的输入脉冲的输出波形，虚线为脉冲宽度为90fs的输入脉冲的输出波形。从图中可以看出输入脉冲宽度越窄，它的输出脉冲就越宽，这与时域波形越窄，其频谱就越宽的实际情况相一致，因此可以用来实现脉冲展宽或压缩的功能。
【权利要求】
1.一种光学时域傅里叶变换器，其特征是由在衬底(13)上自下而上依次生长的包层(12)、下导波层(11)和上导波层(10)构成。
2.根据权利要求1所述的光学时域傅里叶变换器，其特征是该光学时域傅里叶变换器基于平面光波导技术，由任何能够形成平面光波导的介质材料实现，与现有制作工艺兼容，可由平面波导技术的标准光刻及刻蚀工艺制作，体积小，能够方便地与其他相同材料体系的器件进行单片集成。
3.根据权利要求1所述的光学时域傅里叶变换器，其特征是所述上导波层(10)为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导(I)、第一准直透镜(2)、第一闪耀光栅(3)、第二准直透镜(4)、傅里叶变换透镜(5)、第三准直透镜(6)、第二闪耀光栅(7)、第四准直透镜(8)、输出波导(9)构成。
4.根据权利要求1所述的光学时域傅里叶变换器，其特征是所述衬底(13)由能够形成平面光波导的介质材料制成，该材料包括单晶硅、磷化铟、砷化镓、蓝宝石或碳化硅。
5.根据权利要求1所述的光学时域傅里叶变换器，其特征是所述包层(12)由能够形成平面光波导的介质材料制成，该材料包括二氧化硅、磷化铟、铟镓砷磷、砷化镓、铝镓砷、氮化镓,铟镓氮或铝镓氮。
6.根据权利要求1所述的光学时域傅里叶变换器，其特征是所述上导波层(10)和下导波层(11)均采用能够形成平面光波导的介质材料，该材料包括非晶硅、铟镓砷磷、砷化镓、氮化镓、铟镓氮或铝镓氮。
7.权利要求1至6中任一权利要求所述光学时域傅里叶变换器的用途，其特征是该光学时域傅里叶变换器在超短光脉冲通信系统中应用时，能够实现对输入时间脉冲的时域傅里叶变换功能。
8.根据权利要求7所述的用途，其特征是应用时，包括以下步骤: A.光脉冲从输入波导(I)入射，在输出波导(9)接收； B.第一准直透镜(2)、第三准直透镜(6)有对光准直的作用，在其焦平面得到平行光； C.第二准直透镜(4)、第四准直透镜(8)有对光聚焦的作用，在其焦平面得到聚焦光斑； D.所述第一闪耀光栅(3)起到分光的作用，不同频率的光经过光栅后有不同的偏转方向，最终把不同频率分量的光聚焦在第二准直透镜(4)的焦平面的不同位置；第二闪耀光栅(7)的作用与第一闪耀光栅(3)的作用正好相反，将不同方向传播的所有频率分量的光变为均沿同一方向传播的平行光； E.所述傅里叶变换透镜(5)的作用是进行空间傅里叶变换，在其后焦平面得到输入场的空间傅里叶变换。
【文档编号】G02F1/35GK104181746SQ201410391247
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】李洵, 李春生, 唐瑞 申请人:华中科技大学