一种集成全维度高速光场调控的方法和装置与流程
本发明属于光场调控领域，更具体地，涉及一种集成全维度高速光场调控的方法和装置。
背景技术：
光波作为电磁波的一种普遍存在于自然界中，除了满足最为基本的能量需求之外，光波的应用极为广泛。值得注意的是，与光有关的所有应用几乎都是围绕光波的基本维度资源展开。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。
光波的应用归根结底是对光场基本维度资源的调控。对光场三维空间的调控已应用于多个领域。例如，对光场三维空间偏振的调控可以产生远小于正常尺寸的聚焦光斑，能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
在光通信研究领域，对光波一维时间复振幅(幅度、相位)的调控主要体现在各种调制格式加载到光载波上，如二进制开关键控(ook)、多进制相移键控(m-psk)、多进制正交幅度调制(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。
值得注意的是，目前光场调控常用的相位型或幅度型液晶空间光调制器虽然使用方便，但尺寸较大，且通常仅对光场的某一个维度进行调控，局限性体现在单一器件难以实现空间幅度、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。
未来的光场调控技术主要有以下几个发展趋势：①光学器件的小型化和集成化；②光场三维空间幅度、相位、偏振的同时调控；③更高的光场调控响应速度。特别地，在光通信应用领域中，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。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种集成全维度高速光场调控的方法和装置，目的在于突破现有光场调控方案大多仅适用于光场单一物理维度调控的局限性，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。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种集成全维度高速光场调控的方法，该方法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(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。
进一步地，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(一维时间+三维空间)的全矢量高速光场调控，为全维度光场调控提供紧凑、高速、稳定的集成化解决方案。
更进一步地，所述高速光场调控通过光子集成器件的热光或者电光等调控机理来实现。
更进一步地，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，即两路相干光场(同频率同偏振)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。
更进一步地，所述一维时间维度上的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，所述一维时间维度上的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，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。
本发明另一方面提供了一种集成全维度高速光场调控的装置，其特征在于，包括光源、光场一维时间调控模块、光场三维空间调控模块，所述光源、光场一维时间调控模块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。
更进一步地，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，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。
更进一步地，当光场一维时间调控速率不是特别高的时候(比如10g及以下速率)，由于光子集成器件整体尺寸小，各个阵列单元之间延时的影响较小；但是当光场一维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。
更进一步地，所述的光场三维空间调控模块具有很强的扩展性和可变性，可以为方形阵列结构，也可以根据不同的系统需要设计不同的阵列排列方式和阵列规模大小，包括环形分布等。
更进一步地，所述相移器可以是波导型热光或者电光相移器或者微环(过耦合)相移器；所述幅度控制器可以是马赫-曾德尔干涉仪或者微环(临界耦合)或者电吸收效应等可调光衰减器，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。
更进一步地，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；所述微环(过耦合)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。
更进一步地，所述热光相移器可以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。
更进一步地，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可以是硅(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。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、传统光场调控大多简单调控光场单一或少数物理维度资源。相比之下，本发明采用的光场调控方法和装置能够同时、任意、独立调控三维空间(幅度、相位、偏振)和一维时间(幅度、相位)，即可以实现全维度资源光场调控。
2、传统基于液晶空间光调制器的光场调控尺寸大、响应速度慢。相比之下，本发明采用的光场调控方法和装置集成度高、结构紧凑尺寸小、响应速度快，同时分辨率高，可以实现集成全维度高速光场调控。
3、本发明采用的光场调控方法和装置通过改变光程调节相位，通过相干光场干涉调节幅度，通过正交偏振光场叠加调节偏振，该基本原理具有最普遍的相位、幅度、偏振调控适用性，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。
4、本发明采用的光场调控方法和装置通过n×n个阵列单元来实现三维空间幅度、相位和偏振的调控，其具有可扩展性和可变性，阵列单元的数目和阵列的排布形式可以灵活改变和调整。
5、本发明采用的光场调控方法和装置可以实际应用于光场一维时间上幅度和相位的调控以及三维空间上幅度、相位和偏振的调控，特别地，可以高速可重构地产生各种类型的涡旋光场、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
图1是本发明提供的相位维度调控的原理示意图；
图2是本发明提供的幅度维度调控的原理示意图；
图3是本发明提供的偏振维度调控的原理示意图；
图4是本发明提供的集成全维度高速光场调控装置的结构示意图；
图5是本发明提供的集成全维度高速光场调控装置中一维时间调控模块的示意图；
图6是本发明提供的集成全维度高速光场调控装置中三维空间调控模块阵列单元示意图；
图7是本发明提供的集成全维度高速光场调控装置中阵列单元的出光示意图；
图8是本发明实施例中阵列单元出射光幅度调控实验结果；
图9是本发明实施例中阵列单元出射光相位调控实验结果；
图10(a)是本发明实施例中阵列单元出射光线偏振调控实验结果；
图10(b)是本发明实施例中阵列单元出射光左旋圆偏振调控实验结果；
图10(c)是本发明实施例中阵列单元出射光右旋圆偏振调控实验结果；
图11是本发明实施例中实验测试的4×4个阵列单元构成的光场三维空间调控模块的近场光斑；
图12是本发明实施例中实验和仿真得到的远场处的偏振各异的涡旋光场分布；
图13是本发明实施例中实验得到的远场x偏振宽谱-1阶涡旋光场分布；
图14是本发明实施例中实验得到的近场和远场处的x偏振+2阶涡旋光场分布；
图15是本发明实施例中实验得到的远场x偏振2阶涡旋光场局部分布以及干涉图样；
图16是本发明实施例中实验得到的近场和远场径向偏振光场分布；
图17是本发明实施例中实验和仿真得到的宽谱径向偏振光场分布；
图18是本发明实施例中实验得到的四种矢量偏振光场分布；
图19是本发明实施例中实验得到的另外四种矢量偏振光场分布；
图20是本发明实施例中实验和仿真分别得到的径向偏振的矢量涡旋光(-1阶)分布。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。
本发明提供一种集成全维度高速光场调控的方法，具体调控原理如下：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(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。
如图1所示，本发明提供了相位维度调控的原理示意图，通过改变光程差引起的相移实现相位调控。
如图2所示，本发明提供了幅度维度调控的原理示意图，利用相干光场干涉(同频率同偏振)来实现幅度的调控，当两路光场同相时(相对相移为0)，干涉相长；当两路光场反相时(相对相移为π)，干涉相消。
如图3所示，本发明提供了偏振维度调控的原理示意图，通过两路正交的x和y线偏振光(同频率)来合成任意的偏振态，其中这两路正交的x和y线偏振光的幅度、相位均可以独立控制。
本发明提供一种集成全维度高速光场调控的方法，具体实施方式如下：
基于上述调控原理，入射光场首先通过一维时间集成调控器件，将高速电信号加载在光上，使光场获得一维时间上幅度和相位的高速调控，然后光场通过三维空间集成调控器件，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。
本发明提供一种集成全维度高速光场调控的装置，具体说明如下：
该装置包括光源1、光场一维时间调控模块2、光场三维空间调控模块3，三者依次连接。光源1发出的激光在集成光波导中通过光场一维时间调控模块2后获得一维时间维度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。
如图5所示，本发明提供的一种光场一维时间调控的方法和装置。
本发明提供的一种光场一维时间调控方法，具体实施方式：
光场首先被等功率地分为两路，两路均有马赫-曾德尔干涉仪结构，通过对马赫-曾德尔干涉仪结构中一个臂进行热光或者电光调制来引入相移，从而实现一维时间上的幅度调控；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。
本发明提供的一种光场一维时间调控装置，具体说明如下：
光源1发出的激光经过分束器之后，通过正交路(q路)马赫-曾德尔干涉仪21、调控元件22、同相路(i路)马赫-曾德尔干涉仪23、调控元件24、q路相移器25，最后经合束器合束。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。
如图6和图7所示，本发明提供的一种光场三维空间调控的方法和装置。
本发明提供的一种光场三维空间调控的方法，具体实施方式：
光场通过耦合结构被等功率均分为n×n个阵列单元。在每个阵列单元中，光场首先利用不同长度波导进行延时补偿，以消除每个阵列单元间不同光程差对光场一维时间调控产生的影响。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。
本发明提供的一种实现光场三维空间调控的装置，具体说明如下：
该装置包括n×n个阵列单元，每个阵列单元包括耦合器31、延时器32、相位调制器33和38、马赫-曾德尔干涉仪34和36、调控元件35和37、分布式布拉格反射光栅39、二维光子晶体光栅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。
对本发明提供的一种集成全维度光场调控装置的阵列单元的实验测试结果如图8和图9所示。实验中所用光场的真空中波长为1550nm，随后的仿真中使用4×4个阵列单元。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。
如图10(a)、10(b)、10(c)中三幅图所示是利用阵列单元来产生不同偏振态的光。其中，图10(a)是实验产生x偏振、y偏振、45度线偏振光场的测试结果。当产生的线偏振光经过偏振片时，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。
如图11所示是实验测试的4×4个阵列单元构成的光场三维空间调控模块的近场光斑。通过对每个阵列单元的x路和y路的调控，可以实现出射光场幅度、相位、偏振的全维度控制，可以进一步在远场得到复杂的结构光场分布。
如图12所示是实验和仿真得到的远场处的偏振各异的涡旋光场分布。通过对每个阵列单元x路和y路的相位的独立控制，使阵列单元之间具有螺旋型的相位分布。在远场，通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。
如图13所示是实验得到的远场x偏振宽谱-1阶涡旋光场分布。由于阵列单元的光栅的工作波段可以覆盖1530～1590nm，甚至更宽，因此在实验中，可以得到宽谱的涡旋光场。
如图14所示是实验得到的近场和远场处的x偏振+2阶涡旋光场分布。这里为了得到更纯的2阶涡旋光场，仅阵列外部一圈的单元用来辐射光，在远场可以得到阵列的2阶涡旋光场。
如图15所示是实验得到的远场x偏振2阶涡旋光场局部分布以及干涉图样。
如图16所示是实验得到的近场和远场径向偏振光场分布。径向偏振光属于最基本的矢量光，具有各向异性的空间偏振分布。在实验中，通过控制每个阵列单元的x路和y路的幅度、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。
如图17所示是实验和仿真得到的宽谱径向偏振光场分布。该器件产生的矢量光场可以覆盖1530至1560nm。同时，其空间偏振分布特性经过旋转检偏器得以验证。
如图18和19所示是实验得到的八种矢量偏振光场分布。同时，其空间偏振分布特性经过旋转检偏器得以验证。
如图20所示是实验和仿真分别得到的径向偏振的矢量涡旋光场(-1阶)分布，其空间偏振分布特性经过旋转检偏器得以验证，同时可以分解为左右旋圆偏振再次得以验证。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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