基于二维材料横向二倍频效应的集成光学自相关器的制作方法

本发明涉及一种二维材料和微纳光子集成器件，特别涉及一种集成光学自相关器，属于超短脉冲测量领域。

背景技术：

超短脉冲光在超快光谱、强场物理、光通信、生物医学等领域发挥着重要的作用。近年来，用于超短脉冲测量的光学自相关测量方法得到了广泛的研究和应用。随着微纳光子集成技术的发展，片上集成的超短脉冲测量技术有利于提供一个灵活集成的平台，实现集脉冲产生、光学处理以及测量模块于一体的光芯片。现有的集成光学自相关器有两类：一是基于光子晶体硅波导横向发射的三次谐波效应，通过外部调节时延使得波导两侧输入的脉冲光在波导内部相遇重叠去激发三次谐波，利用三次谐波的空间光分布去表征脉冲光信息，时间分辨率约为50fs；二是基于硅探测器阵列的双光子吸收原理，采用光子晶体波导或脊型波导的结构实现对脉冲光的测量。然而，上述的片上超短脉冲测量方法中，前者集成度不高，需要在基片的外部使用比较多的器件(如偏振控制器、光纤分束器、光衰减器、延时器等)，通过调节时延去控制波导两侧脉冲光在波导内相遇激发三次谐波，对时延调节的精确度要求比较高，同时光子晶体波导的制作精度要求比较高，器件的插入损耗较大，非线性转换效率也不高；后者时间分辨率较差，制作工艺复杂。从实用的角度考虑，有必要给出一种集成度高、制作工艺简单、成本廉价、非线性转换效率高、时间分辨率高的全集成光学自相关器，进一步优化集成光学自相关器的工作性能，以此满足目前超短脉冲技术飞速发展的需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于二维材料横向二倍频效应的集成光学自相关器，克服现有技术中片上耦合系统的集成度较低的缺陷，在具有高时间分辨率的同时大大提高了片上耦合系统的集成度。

本发明解决上述技术问题采用的技术手段为：

本发明基于二维材料横向二倍频效应的集成光学自相关器包括基片、片上耦合系统、二维材料薄膜、凸透镜和成像相机；所述片上耦合系统包括光栅耦合器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一s型波导、第二s型波导、第三s型波导、第四s型波导、第一圆弧形波导、第二圆弧形波导、第三圆弧形波导、第四圆弧形波导、第一直波导和第二直波导，所述第一分束器、第二分束器和第三分束器为50:50的1×2分束器；光栅耦合器的输出端与第一分束器的输入端连接，第一分束器的第一输出端与第二分束器的输入端连接，第一分束器的第二输出端与第三分束器的输入端连接；第二分束器的第一输出端与第一s型波导的一端连接，第二分束器的第二输出端与第三s型波导的一端连接，第一s型波导的另一端与第一圆弧形波导的一端连接，第一圆弧形波导的另一端与第一直波导的一端连接，第一直波导的另一端与第二圆弧形波导的一端连接，第二圆弧形波导的另一端与第二s型波导的一端连接，第二s型波导的另一端与第三分束器的第一输出端连接；第三s型波导的另一端与第三圆弧形波导的一端连接，第三圆弧形波导的另一端与第二直波导的一端连接，第二直波导的另一端与第四圆弧形波导的一端连接，第四圆弧形波导的另一端与第四s型波导的一端连接，第四s型波导的另一端与第三分束器的第二输出端连接；所述片上耦合系统集成于基片上，所述二维材料薄膜为具有二阶非线性效应的单层薄膜，二维材料薄膜完全覆盖第一直波导和第二直波导，二维材料薄膜激发的倍频光经凸透镜进入成像相机成像。

进一步地，本发明还包括延时器，所述第四圆弧形波导的另一端通过延时器与第四s型波导的一端连接，其中，所述第四圆弧形波导的另一端与延时器的一端连接，延时器的另一端与第四s型波导的一端连接。

进一步地，本发明所述第二分束器与第三分束器成镜像对称分布，第一s型波导与第二s型波导成镜像对称分布，第三s型波导与第四s型波导成镜像对称分布，第一圆弧形波导与第二圆弧形波导成镜像对称分布，第三圆弧形波导与第四圆弧形波导成镜像对称分布。

进一步地，本发明所述片上耦合系统还包括第三直波导，所述第三s型波导的另一端通过第三直波导与第三圆弧形波导的一端连接，其中，第三s型波导的另一端与第三直波导的一端连接，第三直波导的另一端与第三圆弧形波导的一端连接。

进一步地，本发明所述片上耦合系统还包括第四直波导，所述光栅耦合器的输出端通过第四直波导与第一分束器的输入端连接，其中，所述光栅耦合器的输出端与第四直波导的一端连接，第四直波导的另一端与第一分束器的输入端连接。

进一步地，本发明所述片上耦合系统还包括第五s型波导和第六s型波导，所述第一分束器的第一输出端通过第五s型波导与第二分束器的输入端连接，其中，第一分束器的第一输出端与第五s型波导的一端连接，第五s型波导的另一端与第二分束器的输入端连接；第一分束器的第二输出端通过第六s型波导与第三分束器的输入端连接，其中，第一分束器的第二输出端与第六s型波导的一端连接，第六s型波导的另一端与第三分束器的输入端连接。

进一步地，本发明所述第五s型波导与第六s型波导成镜像对称分布。

进一步地，本发明所述片上耦合系统还包括第五直波导和第六直波导，所述第一s型波导的另一端通过第五直波导与所述第一圆弧形波导的一端连接，其中，第一s型波导的另一端与第五直波导的一端连接，第五直波导的另一端与第一圆弧形波导的一端连接；第二圆弧形波导的另一端通过第六直波导与所述第二s型波导的一端连接，其中，第二圆弧形波导的另一端与第六直波导的一端连接，第六直波导的另一端与第二s型波导的一端连接。

进一步地，本发明所述第五直波导和第六直波导成镜像对称分布。

进一步地，本发明所述延时器的时延为0～2ps。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)现有技术的自相关器在基片的外部设置分束器、延时器、偏振控制器和衰减器等装置，需要搭建精密的光路以及精细地调节时延才能使得脉冲光在直波导中汇合，集成度不高。本发明不需要在基片的外部添加分束器、延时器、偏振控制器和衰减器等装置，片上耦合系统本身即实现了光脉冲的等比例分束、延时以及与二维材料薄膜耦合的功能，片上耦合系统的集成度高。(2)本发明利用脉冲光的两个传输路径的结构设计，使得第一直波导两侧的脉冲光能够在第一直波导中汇合，第二直波导两侧的脉冲光能够在第二直波导中汇合，利用脉冲光在第一直波导或第二直波导中传输的倏逝场，激发二维材料薄膜的横向二倍频效应即可表征脉冲信息，时间分辨率可高达十飞秒量级。(3)由于本发明设置了脉冲光的两个传输路径，只要第一传输路径中的第一直波导两侧的脉冲光时延差与第二传输路径中的第二直波导两侧的脉冲光时延差存在差异，则从第一组成像中提取的第一组倍频光的空间分布与从第二组成像中提取的第二组倍频光的空间分布将会存在空间偏移量，利用两组倍频光空间分布的偏移量就可以实现脉冲光传输的群折射率测量，因此，本发明可省去现有技术中常用的延时器；(4)本发明也可进一步通过在第二传输路径中设置延时器，来调节第二直波导两侧的脉冲光时延差与第一直波导两侧的脉冲光时延差之间的差异，操作更加方便、高效；尤其是当两个传输路径中的相关器件呈镜像对称分布时，由于第一直波导两侧的脉冲光时延差为0，此时第二直波导两侧脉冲光的时延差等于延时器引入的时延，由此可进一步提高本发明自相关器的测量精确度。(5)本发明的二维材料薄膜完全覆盖第一直波导和第二直波导，脉冲光在第一直波导或第二直波导传播时，通过倏逝场将能量耦合进入二维材料薄膜中，进而激发二维材料的横向二倍频效应。这样既能提供较长的光与物质相互作用距离，也能实现二阶非线性效应，并且，非线性的转换效率较高，第一组和第二组倍频光的空间分布与脉冲光的脉宽之间的转换有很高的准确度。(6)本发明集成光学自相关器结构简单、紧凑，不需要设计光子晶体波导等精细波导结构，制作工艺简单，成本较低。

附图说明

图1为本发明的集成光学自相关器的一种优选实施方式的结构示意图；

图2为脉冲光在第一直波导或第二直波导传输的有效折射率及群折射率曲线图；

图3为脉冲光从光栅耦合器的输出端传输到第一直波导两侧及中心位置的时域场强分布图；

图4为脉冲光从光栅耦合器输出端传输到第二直波导两侧的时域场强分布图。

图中：1-基片，2-光栅耦合器，3-第四直波导，4-第一分束器，5-1-第五s型波导，5-2-第六s型波导，6-第二分束器，7-第三分束器，8-1-第一s型波导，8-2-第二s型波导，9-1-第三s型波导，9-2-第四s型波导，10-1-第五直波导，10-2-第六直波导，11-第三直波导，12-延时器，13-1-第一圆弧形波导，13-2-第二圆弧形波导，13-3-第三圆弧形波导，13-4-第四圆弧形波导，14-第一直波导，15-第二直波导，16-二维材料薄膜，17-凸透镜，18-成像相机。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1，作为本发明的第一种实施方式，基于二维材料横向二倍频效应的集成光学自相关器包括基片1、片上耦合系统、二维材料薄膜16、凸透镜17和成像相机18；片上耦合系统包括光栅耦合器2、第一分束器4、第二分束器6、第三分束器7、第一s型波导8-1、第二s型波导8-2、第三s型波导9-1、第四s型波导9-2、第一圆弧形波导13-1、第二圆弧形波导13-2、第三圆弧形波导13-3、第四圆弧形波导13-4、第一直波导14、第二直波导15和延时器12，其中，第一分束器4、第二分束器6和第三分束器7为50:50的1×2分束器。光栅耦合器2的输出端与第一分束器4的输入端连接，第一分束器4的第一输出端与第二分束器6的输入端连接，第一分束器4的第二输出端与第三分束器7的输入端连接。第二分束器6的第一输出端与第一s型波导8-1的一端连接，第二分束器6的第二输出端与第三s型波导9-1的一端连接，第一s型波导8-1的另一端与第一圆弧形波导13-1的一端连接，第一圆弧形波导13-1的另一端与第一直波导14的一端连接，第一直波导14的另一端与第二圆弧形波导13-2的一端连接，第二圆弧形波导13-2的另一端与第二s型波导8-2的一端连接，第二s型波导8-2的另一端与第三分束器7的第一输出端连接。第三s型波导9-1的另一端与第三圆弧形波导13-3的一端连接，第三圆弧形波导13-3的另一端与第二直波导15的一端连接，第二直波导15的另一端与第四圆弧形波导13-4的一端连接，第四圆弧形波导13-4的另一端与第四s型波导9-2的一端连接，第四s型波导9-2的另一端与第三分束器7的第二输出端连接。片上耦合系统集成于基片1上，二维材料薄膜16为具有二阶非线性效应的单层薄膜，二维材料薄膜16完全覆盖第一直波导14和第二直波导15，二维材料薄膜16激发的倍频光经凸透镜17进入成像相机18成像。

以下说明脉冲光在本发明的第一种实施方式的集成光学自相关器中的传输路径。脉冲光经光栅耦合器2传输到第一分束器4后分为两个支路输出，其中，第一支路脉冲光由第一分束器4的第一输出端传输到第二分束器6，第二支路脉冲光由第一分束器4的第二输出端传输到第三分束器7。

其中，第一支路脉冲光由第二分束器6的第一输出端输出后依次经由第一s型波导8-1、第一圆弧形波导13-1后传输到第一直波导14的一侧；第二支路脉冲光由第三分束器7的第一输出端输出后依次经由第二s型波导8-2、第二圆弧形波导13-2后传输到第一直波导14的另一侧，由此形成两个支路脉冲光的第一传输路径。在第一传输路径中，第一直波导14两侧的脉冲光在第一直波导14处汇合后，脉冲光的能量通过倏逝场耦合进入二维材料薄膜16，由此，脉冲光在二维材料薄膜16的脉冲重叠区域激发产生横向发射的第一组倍频光，该第一组倍频光经凸透镜17收集后进入成像相机18进行第一组成像，从第一组成像中可提取得到第一组倍频光的空间分布。

第一支路脉冲光由第二分束器6的第二输出端输出后依次经由第三s型波导9-1、第三圆弧形波导13-3后传输到第二直波导15的一侧；第二支路脉冲光由第三分束器7的第二输出端依次经由第四s型波导9-2、第四圆弧形波导13-3后传输到第二直波导15的另一侧，由此形成两个支路脉冲光的第二传输路径。在第二传输路径中，第二直波导15两侧的脉冲光在第二直波导15处汇合，脉冲光的能量通过倏逝场耦合后进入二维材料薄膜16，由此，脉冲光在二维材料薄膜16的脉冲重叠区域激发产生横向发射的第二组倍频光，该第二组倍频光经凸透镜17收集后进入成像相机18进行第二组成像，从第二组成像中可提取得到第二组倍频光的空间分布。

从第一组成像或第二组成像中提取倍频光的空间分布，倍频光的空间分布经高斯拟合处理后，利用公式(1)所示的倍频光的空间分布与脉冲光宽度的转换关系，可计算得到进入光栅耦合器2的脉冲光宽度：

公式(1)中，t为脉冲光宽度，fwhm为第一组或第二组倍频光的空间分布经高斯拟合处理后得到的曲线的半高全宽，c为真空中的光速，ng为脉冲光传输的群折射率。

ng可利用公式(2)所示的群折射率与脉冲光传输的有效折射率关系计算得到：

公式(2)中，λ表示脉冲光波长；neff表示脉冲光在第一直波导或第二直波导中传输的有效折射率，可通过有限元分析法计算得到。

当第一直波导14两侧脉冲光的时延差与第二直波导15两侧脉冲光的时延差存在差异时，第一组倍频光和第二组倍频光在空间上存在偏移量，因此，ng也可利用公式(3)和公式(4)所示的倍频光空间偏移量与脉冲光传输的群折射率之间的转换关系计算得到。具体地说，根据从第一组成像和第二组成像中分别提取出来的第一组倍频光和第二组倍频光的空间分布，可以得到第一组倍频光和第二组倍频光在空间上的偏移量，进而利用公式(3)和公式(4)所示的倍频光空间偏移量与脉冲光传输的群折射率之间的转换关系，测量得到脉冲光传输的群折射率ng。

|δτ|＝|τ1-τ2|(4)

公式(3)和公式(4)中，τ1为第一直波导两侧脉冲光的时延差，τ2为第二直波导两侧脉冲光的时延差，δτ为第一直波导两侧脉冲光的时延差与第二直波导两侧脉冲光的时延差的差值，δτ≠0；δz为第一组倍频光和第二组倍频光在空间上的偏移量。

作为本发明的优选实施方式，可通过在第二传输路径中使用延时器12对第四s型波导9-2的输出光引入时延，利用延时器12来调整δτ的值。通常，延时器12的时延可根据实际情况设置为0～2ps。具体地说，参见图1，在第四圆弧形波导13-4与第四s型波导9-2之间连接有延时器12，其中，延时器12的一端与第四圆弧形波导13-4连接，延时器12的另一端与第四s型波导9-2连接。此时，第二支路脉冲光由第三分束器7的第二输出端依次经由第四s型波导9-2、延时器12、第四圆弧形波导13-3后传输到第二直波导15的另一侧，形成两个支路脉冲光的第二传输路径。

由上可见，本发明通过片上耦合系统中的分束器和波导将输入的脉冲光分成两路传输路径，利用从两路传输路径中获得的第一组成像或第二组成像，可以提取第一组倍频光或第二组倍频光的空间分布，进而计算得到脉冲光的脉冲宽度。此外，可通过在其中一路传输路径中设置延时器12，来对两路传输路径中的直波导两侧脉冲光的时延差的差值δτ进行调整，实现脉冲光传输的群折射率的测量。可见，除了凸透镜17和成像相机18这两个成像器件以外，本发明自相关器的其他组件均可集成于片上耦合系统中，尤其是现有技术中只能设置在基片外部的分束器和延时器，在本发明中也能够置于片上耦合系统中，大大提高了片上耦合系统的集成度。

利用公式(5)可计算本发明自相关器的时间分辨率m：

公式(5)中，r为成像装置的分辨率，c为真空中的光速，ng为脉冲光传输的群折射率。

以下以具体的实例进行说明。在本实例中，两路传输路径中使用的波导均为硅波导，硅波导的宽度为400nm、厚度为220nm，自相关器的工作波长为1550nm。参见图2，作为本发明的第一种实施方式，通过有限元分析法计算得到脉冲光传输的有效折射率neff，利用公式(2)得到脉冲光在第一直波导14或第二直波导15传输的群折射率ng。如图2所示，当自相关器的工作波长为1550nm时，脉冲光传输的群折射率ng为4.6。凸透镜17和成像相机18作为常用的成像装置，它们的分辨率r通常为400nm。由此，根据公式(5)计算得到本实例的自相关器的时间分辨率m为10fs。现有技术中的自相关器的时间分辨率较高者可达到50fs，与此相比，本发明自相关器的时间分辨率m进一步提高到10fs。

第一分束器4、第二分束器6、第三分束器7均为50:50的1×2分束器，结构简单紧凑，集成于基片1上即可实现对脉冲光的等比例分束，大大提高了集成度。此外，50:50的1×2分束器可使第一直波导14两侧的脉冲光功率相等，第二直波导15两侧的脉冲光功率相等，确保第一组倍频光和第二组倍频光的空间分布与脉冲光宽度之间的转换有很高的准确度，进而提高集成光学自相关器的测量准确度。

参见图1，作为本发明的优选实施方式，为降低第三s型波导9-1与第三圆弧形波导13-3之间的连接或插入损耗，片上耦合系统还可包括第三直波导11，由此，第三s型波导9-1的一端与第二分束器6的第二输出端连接，第三s型波导9-1的另一端则通过第三直波导11与第三圆弧形波导13-3的一端连接。具体地说，第三s型波导9-1的另一端与第三直波导11的一端连接，第三直波导11的另一端与第三圆弧形波导13-3的一端连接。

同理，参见图1，作为本发明的优选实施方式，为降低光栅耦合器2与第一分束器4之间的连接或插入损耗，片上耦合系统还可包括第四直波导3，由此，光栅耦合器2的输出端通过第四直波导3与第一分束器4的输入端连接，其中，光栅耦合器2的输出端与第四直波导3的一端连接，第四直波导3的另一端与第一分束器4的输入端连接。

同理，参见图1，作为本发明的优选实施方式，为降低第一分束器4与第二分束器6之间的连接或插入损耗，以及第一分束器4与第三分束器7之间的连接或插入损耗，片上耦合系统还可包括第五s型波导5-1和第六s型波导5-2，由此，第一分束器4的第一输出端通过第五s型波导5-1与第二分束器6的输入端连接，第一分束器4的第二输出端通过第六s型波导5-2与第三分束器7的输入端连接。具体地说，第一分束器4的第一输出端与第五s型波导5-1的一端连接，第五s型波导5-1的另一端与第二分束器6的输入端连接；第一分束器4的第二输出端与第六s型波导5-2的一端连接，第六s型波导5-2的另一端与第三分束器7的输入端连接。

同理，参见图1，作为本发明的优选实施方式，为降低第一s型波导8-1与第一圆弧形波导13-1之间的连接或插入损耗，降低第二圆弧形波导13-2与第二s型波导8-2之间的连接或插入损耗。片上耦合系统还可包括第五直波导10-1和第六直波导10-2。由此，第一s型波导8-1的一端与第二分束器6的第一输出端连接，第一s型波导8-1的另一端则通过第五直波导10-1与第一圆弧形波导13-1的一端连接；第二圆弧形波导13-2的一端与第一直波导14连接，第二圆弧形波导13-2的另一端则通过第六直波导10-2与第二s型波导8-2的一端连接。具体地说，第一s型波导8-1的另一端与第五直波导10-1的一端连接，第五直波导10-1的另一端与第一圆弧形波导13-1的一端连接；第二圆弧形波导13-2的另一端与第六直波导10-2的一端连接，第六直波导10-2的另一端与第二s型波导8-2的一端连接。

作为本发明的更优选实施方式，镜像对称分布的设计可使第一直波导14两侧的脉冲光时延差为0，第二直波导15两侧脉冲光的时延差等于延时器12引入的时延，由此可进一步提高本发明自相关器的测量精确度。具体地说，参见图1，可使第二分束器6与第三分束器7成镜像对称分布，第一s型波导8-1与第二s型波导8-2成镜像对称分布，第三s型波导9-1与第四s型波导9-2成镜像对称分布，第一圆弧形波导13-1与第二圆弧形波导13-2成镜像对称分布，第三圆弧形波导13-3与第四圆弧形波导13-4成镜像对称分布，第五s型波导5-1与第六s型波导5-2成镜像对称分布，第五直波导10-1和第六直波导10-2成镜像对称分布。

以下说明脉冲光从光栅耦合器2的输出端传输到第一直波导14两侧及中心位置的时域场强分布。参见图3，作为上述本发明的更优选实施方式，第一直波导14两侧的脉冲光时延差为0。图3(a)为脉冲光从光栅耦合器2的输出端输出后依次经由第一分束器4、第五s型波导5-1、第二分束器6、第一s型波导8-1，第五直波导10-1、第一圆弧形波导13-1传输到第一直波导14一侧的时域场强分布图；图3(b)为脉冲光从光栅耦合器2的输出端输出后依次经由第一分束器4、第六s型波导5-2、第三分束器7、第二s型波导8-2、第六直波导10-2、第二圆弧形波导13-2传输到第一直波导14另一侧的时域场强分布图；图3(c)为脉冲光从光栅耦合器2的输出端输出后经第一分束器4输出的第一支路脉冲光和第二支路脉冲光由第一传输路径传输到第一直波导14中心位置的时域场强分布图。由图3(a)和图3(b)可见，脉冲光从光栅耦合器2输出端输出后传输到第一直波导14两侧的时间为2.7ps，第一直波导14两侧的脉冲光时延差为0，场强相等，分别占总场强的20％，确保了第一组倍频光的空间分布与脉冲光脉宽转换关系有很高的准确度。如图3(c)所示，脉冲光从光栅耦合器2输出端输出经过3.2ps后在第一直波导14的中心位置相遇并完全重叠，所以当二维材料薄膜16完全覆盖第一直波导14时，脉冲光的能量通过倏逝场耦合进入二维材料薄膜16，由此，脉冲光在二维材料薄膜16的脉冲重叠区域激发产生横向发射的第一组倍频光。

以下说明脉冲光从光栅耦合器2的输出端传输到第二直波导15两侧的时域场强分布。参见图4，作为上述本发明的更优选实施方式，第二直波导15两侧脉冲光的时延差等于延时器12引入的时延。图4(a)为脉冲光从光栅耦合器2的输出端输出后依次经由第一分束器4、第五s型波导5-1、第二分束器6、第三s型波导9-1、第三直波导11、第三圆弧形波导13-3传输到第二直波导15一侧的时域场强分布图；图4(b)为脉冲光从光栅耦合器2的输出端输出后依次经由第一分束器4、第六s型波导5-2、第三分束器7、第四s型波导9-2、延时器12、第四圆弧形波导13-4传输到第二直波导15另一侧的时域场强分布图。由图4(a)和图4(b)可见，脉冲光从光栅耦合器2输出端传输到第二直波导15两侧对应的时间为2.6ps和3.7ps，由延时器12引入的第二直波导15两侧的脉冲光时延差为1.1ps。当二维材料薄膜16完全覆盖第二直波导15时，第二直波导15两侧的脉冲光能量通过倏逝场耦合进入二维材料薄膜16，脉冲光在二维材料薄膜16的脉冲重叠区域激发产生横向发射的第二组倍频光，第二直波导15两侧脉冲光场强相等，分别占总场强的20％，确保了第二组倍频光的空间分布与脉冲光脉宽转换关系有很高的准确度。