一種光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，屬于集成光子器件，與現(xiàn)有的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器相比可以實(shí)現(xiàn)集成以及更小的設(shè)計(jì)尺寸。本發(fā)明由在襯底上自下而上依次生長的包層、下導(dǎo)波層和上導(dǎo)波層構(gòu)成，所述上導(dǎo)波層為圖形層，由沿z方向依次排列的輸入波導(dǎo)、第一準(zhǔn)直透鏡、第一閃耀光柵、第二準(zhǔn)直透鏡、傅里葉變換透鏡、第三準(zhǔn)直透鏡、第二閃耀光柵、第四準(zhǔn)直透鏡、輸出波導(dǎo)構(gòu)成，各組成部分的材料相同。本發(fā)明體積小，與現(xiàn)有制作工藝兼容，可方便地進(jìn)行單片集成，在超短光脈沖通信系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)對輸入時(shí)間脈沖的時(shí)域傅里葉變換功能。
【專利說明】一種光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成光子器件，具體涉及一種光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器。

【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，超短脈沖技術(shù)取得了革命性的進(jìn)展，而時(shí)間透鏡在超短脈沖技術(shù)中起到重要作用，其主要應(yīng)用于脈沖壓縮技術(shù)、時(shí)間成像技術(shù)，以及正交頻分復(fù)用技術(shù)等領(lǐng)域。
[0003]傳統(tǒng)的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器由輸入色散媒質(zhì)、引入二階相位調(diào)制的時(shí)間透鏡、輸出色散媒質(zhì)組成。由于基于電光相位調(diào)制的時(shí)間透鏡易于實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定，因此以電光相位調(diào)制器作為時(shí)間透鏡是最常用的方法。但是由于電光相位調(diào)制器只能在調(diào)制中心附近進(jìn)行近似的二階相位調(diào)制，致使時(shí)間透鏡受到孔徑限制，此外基于電光相位調(diào)制的時(shí)間透鏡組成的時(shí)間成像系統(tǒng)的一個(gè)重要問題是分辯率較低。見Quantum Electronics, IEEEJournal of, 2000.36(4):p.430-437.此外，時(shí)間透鏡還可以利用非線性晶體的和頻和差頻以及光線的交叉相位調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。上述的幾個(gè)實(shí)現(xiàn)方法都是使用分立的光電器件，因此就會(huì)有難以集成的困難以及相對較大的幾何尺寸。最近，美國康乃爾大學(xué)提出來了一種在硅基光波導(dǎo)上完成的基于四波混頻(FWM)效應(yīng)的時(shí)間透鏡，他們用兩個(gè)這樣的四波混頻透鏡構(gòu)成了一個(gè)時(shí)間望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。這種時(shí)間透鏡對輸入脈沖可以有超過ΙΟΟπ的相移，但是利用四波混頻效應(yīng)對輸入脈沖產(chǎn)生的幅度噪聲將會(huì)增大，且對于工作波長精確度要求高，以及需要產(chǎn)生特定的泵浦光脈沖。見〃Silicon photonics:Silicon’s time lens, 〃NatPhoton, vol.3，pp.8-10, 2009.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種具有體積小、與現(xiàn)有制作工藝兼容和可方便地進(jìn)行單片集成的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，其在超短光脈沖通信系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)對輸入時(shí)間脈沖的時(shí)域傅里葉變換功能，屬于集成光子器件。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明提供的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，其由在襯底上自下而上依次生長的包層、下導(dǎo)波層和上導(dǎo)波層構(gòu)成。
[0007]該光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器基于平面光波導(dǎo)技術(shù)，由任何能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)，與現(xiàn)有制作工藝兼容，可由平面波導(dǎo)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)光刻及刻蝕工藝制作，體積小，能夠方便地與其他相同材料體系的器件進(jìn)行單片集成。
[0008]所述上導(dǎo)波層為圖形層，由沿z方向依次排列的輸入波導(dǎo)、第一準(zhǔn)直透鏡、第一閃耀光柵、第二準(zhǔn)直透鏡、傅里葉變換透鏡、第三準(zhǔn)直透鏡、第二閃耀光柵、第四準(zhǔn)直透鏡、輸出波導(dǎo)構(gòu)成。
[0009]所述襯底由能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料制成，該材料包括單晶硅、磷化銦、砷化鎵、藍(lán)寶石或碳化硅。
[0010]所述包層由能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料制成，該材料包括二氧化硅、磷化銦、銦鎵砷磷、砷化鎵、招鎵砷、氮化鎵，銦鎵氮或招鎵氮。
[0011]所述上導(dǎo)波層和下導(dǎo)波層均采用能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料，該材料包括非晶硅、銦鎵砷磷、砷化鎵、氮化鎵、銦鎵氮或鋁鎵氮。
[0012]本發(fā)明提供的上述光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，其用途是:該光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器在超短光脈沖通信系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入時(shí)間脈沖的精確的時(shí)域傅里葉變換功倉泛。
[0013]該光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器在超短光脈沖通信系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，包括以下步驟:
[0014]A.光脈沖從輸入波導(dǎo)入射，在輸出波導(dǎo)接收；
[0015]B.第一準(zhǔn)直透鏡、第三準(zhǔn)直透鏡有對光準(zhǔn)直的作用，在其焦平面得到平行光；
[0016]C.第二準(zhǔn)直透鏡、第四準(zhǔn)直透鏡有對光聚焦的作用，在其焦平面得到聚焦光斑；
[0017]D.所述第一閃耀光柵起到分光的作用，不同頻率的光經(jīng)過光柵后有不同的偏轉(zhuǎn)方向，最終把不同頻率分量的光聚焦在第二準(zhǔn)直透鏡的焦平面的不同位置；第二閃耀光柵的作用與第一閃耀光柵的作用正好相反，將不同方向傳播的所有頻率分量的光變?yōu)榫赝环较騻鞑サ钠叫泄猓?br> [0018]E.所述傅里葉變換透鏡的作用是進(jìn)行空間傅里葉變換，在其后焦平面得到輸入場的空間傅里葉變換。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的主要優(yōu)點(diǎn):
[0020]1.本發(fā)明可由平面波導(dǎo)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)光刻及刻蝕工藝制作，上導(dǎo)波層中準(zhǔn)直透鏡、閃耀光柵和傅里葉變換透鏡的頂面為同一水平面，輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的頂面為同一水平面。本發(fā)明基于平面光波導(dǎo)技術(shù)，可由任何能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)，與現(xiàn)有制作工藝兼容，體積小，并可方便地與其他相同材料體系的器件進(jìn)行單片集成，因此有相對較低的制造成本。
[0021]2.本發(fā)明屬于光無源器件，不需要對器件本身加任何形式的電信號(hào)、光信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)源。
[0022]3.本發(fā)明的整體器件尺寸為600μπι (寬度)*350μπι (高度)*5mm (長度)，而傳統(tǒng)的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器主要由電光相位調(diào)制器和單模色散光纖等分立光學(xué)器件構(gòu)成，其中電光相位調(diào)制器尺寸一般為幾十或幾百毫米，如美國E0SPACE生產(chǎn)的鈮酸鋰電光相位調(diào)制器，其尺寸為88.4*8.9*8.9mm，單模色散光纖的長度一般為幾百米。因此本發(fā)明比起傳統(tǒng)的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器有很小的尺寸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的y方向的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明的俯視圖。
[0025]圖3為準(zhǔn)直透鏡俯視圖。
[0026]圖4為閃耀光柵俯視圖。
[0027]圖5為傅里葉變換透鏡俯視圖。
[0028]圖6是時(shí)域輸出波形示意圖。
[0029]圖7是兩個(gè)不同脈沖寬度的輸入脈沖示意圖。
[0030]圖8是仿真得到的兩個(gè)不同脈沖寬度的輸入脈沖的輸出脈沖示意圖。
[0031]圖中:1.輸入波導(dǎo)；2.第一準(zhǔn)直透鏡；3.第一閃耀光柵；4.第二準(zhǔn)直透鏡；5.傅里葉變換透鏡；6.第三準(zhǔn)直透鏡；7.第二閃耀光柵；8.第四準(zhǔn)直透鏡；9.輸出波導(dǎo)；10.上導(dǎo)波層；11.下導(dǎo)波層；12.包層；13.襯底。

【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限定本發(fā)明。
[0033]本發(fā)明提供的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，其結(jié)構(gòu)如如圖1所示，由在襯底13上自下而上依次生長的包層12、下導(dǎo)波層11和上導(dǎo)波層10構(gòu)成，其中:襯底13為晶體硅，包層12為二氧化硅，下導(dǎo)波層11和上導(dǎo)波層10均為非晶硅。
[0034]所述包層12從X方向的高度為0.5微米。
[0035]所述下導(dǎo)波層從X方向的高度為0.45微米。
[0036]參見圖2，所述上導(dǎo)波層為圖形層，由沿z方向依次排列的輸入波導(dǎo)1、第一準(zhǔn)直透鏡2、第一閃耀光柵3、第二準(zhǔn)直透鏡4、傅里葉變換透鏡5、第三準(zhǔn)直透鏡6、第二閃耀光柵
7、第四準(zhǔn)直透鏡8、輸出波導(dǎo)9構(gòu)成，各組成部分的材料相同，均為非晶硅。
[0037]所述各組成部分的連接關(guān)系是:輸入波導(dǎo)I的輸出端面和第一準(zhǔn)直透鏡2的輸入端面連為一體，第一準(zhǔn)直透鏡2的輸出端面和第一閃耀光柵3的輸入端面不接觸，第一閃耀光柵3的輸出端面和第二準(zhǔn)直透鏡4的輸入端面不接觸，第二準(zhǔn)直透鏡4的輸出端面和傅里葉變換透鏡5的輸入端面不接觸，傅里葉變換透鏡5的輸出端面和第三準(zhǔn)直透鏡6的輸入端面不接觸，第三準(zhǔn)直透鏡6的輸出端面和第二閃耀光柵7的輸入端面不接觸，第二閃耀光柵7的輸出端面和第四準(zhǔn)直透鏡8的輸入端面不接觸，所述準(zhǔn)直透鏡、閃耀過光柵和傅里葉變換透鏡的頂面為同一水平面，第四準(zhǔn)直透鏡8的輸出端面和輸出波導(dǎo)9的輸入端面連為一體。
[0038]除輸入波導(dǎo)1、輸出波導(dǎo)9分別作為發(fā)射和接收端外，本發(fā)明從功能上分為A部分(由第一準(zhǔn)直透鏡2、第一閃耀光柵3和第二準(zhǔn)直透鏡4組成)、B部分(傅里葉變換透鏡
5)和C部分(由第三準(zhǔn)直透鏡6、第二閃耀光柵7和第四準(zhǔn)直透鏡8組成)三個(gè)部分。這些平面光學(xué)衍射器件可以在由同種材料構(gòu)成的襯底上米用統(tǒng)一的光刻和刻蝕工藝制作，光在垂直方向上始終是被由包層12和上波導(dǎo)層10、下導(dǎo)波層11所構(gòu)成的平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)引。A部分位于輸入光波導(dǎo)I之后，其作用是在輸出空域得到輸入時(shí)間脈沖的傅里葉變換出部分的作用是對A部分的輸出做空間傅里葉變換；C部分的作用是在時(shí)域得到B部分輸出的空間分布的傅里葉變換，最后輸出的時(shí)間脈沖形狀即為輸入時(shí)間脈沖的傅里葉變換。本發(fā)明的整體作用就是在輸入波導(dǎo)I輸入一個(gè)超短時(shí)間脈沖，經(jīng)過該時(shí)域傅里葉變換器后，在輸出波導(dǎo)9得到的時(shí)間脈沖的形狀即為輸入時(shí)間脈沖的時(shí)域傅里葉變換。
[0039]輸入光波導(dǎo)I中的光首先進(jìn)入A部分的第一準(zhǔn)直透鏡，在Y-Z平面得到近似平面波，經(jīng)過第一閃耀光柵后，不同頻率分量的光被聚焦到第二準(zhǔn)直透鏡后焦平面的不同位置，于是A部分輸出的空間分布就是輸入時(shí)間脈沖的傅里葉變換；B部分的作用是對A部分輸出的空間分布做空間傅里葉變換，輸出的空間場分布即為從輸入波導(dǎo)輸入的時(shí)間脈沖的形狀；C部分完全等同于A部分反轉(zhuǎn)放置在B部分之后，根據(jù)互易原理，C部分輸出的時(shí)間脈沖的時(shí)域形狀是為輸入空間分布的傅里葉變換。最終我們得到的輸出時(shí)間脈沖的形狀即為輸入時(shí)間脈沖的傅里葉變換，因此完成了在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)傅里葉變換的功能。
[0040]光脈沖從輸入波導(dǎo)I入射，在輸出波導(dǎo)9接收。所述輸入波導(dǎo)I和輸出波導(dǎo)9均為水平截面矩形的長方體，其尺寸為:X方向高度0.04微米，y方向?qū)挾?微米，Z方向長度為10微米。
[0041]第一準(zhǔn)直透鏡2、第三準(zhǔn)直透鏡6有對光準(zhǔn)直的作用，在其焦平面得到平行光。
[0042]第二準(zhǔn)直透鏡4、第四準(zhǔn)直透鏡8有對光聚焦的作用，在其焦平面得到聚焦光斑。
[0043]所述第一準(zhǔn)直透鏡2、第二準(zhǔn)直透鏡4、第三準(zhǔn)直透鏡6、第四準(zhǔn)直透鏡8均為扁平柱體。該扁平柱體由連為一體的兩部分構(gòu)成，如圖3所示，其中:第一部分水平截面形狀為矩形，其尺寸為:x方向高度I微米，I方向?qū)挾?07微米，z方向長度296微米。
[0044]第二部分水平截面形狀為半橢圓形，其長軸a和短軸b分別滿足:
[0045]a = "〃., , b = f In 11 ^Hl ,
"/.+"http://V/?// +nL
[0046]式中:nH為透鏡內(nèi)的等效折射率值(即上波導(dǎo)層、下導(dǎo)波層、包層和襯底總的等效折射率)為3.4 為背景材料系(包括下導(dǎo)波層、包層和襯底)里的有效折射率值為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為透鏡的焦距值，為628微米。
[0047]第一閃耀光柵3起到分光的作用，不同頻率的光經(jīng)過光柵后有不同的偏轉(zhuǎn)方向，最終把不同頻率分量的光聚焦在第二準(zhǔn)直透鏡4的焦平面的不同位置。也就是說，后焦平面的空間上每一個(gè)點(diǎn)的光場對應(yīng)于入射波的每一個(gè)頻譜分量。第二閃耀光柵7的作用與第一閃耀光柵3的作用正好相反,將不同方向傳播的所有頻率分量的光變?yōu)榫赝环较騻鞑サ钠叫泄狻?br> [0048]所述第一閃耀光柵3、第二閃耀光柵7均由65個(gè)完全相同的直角三棱柱沿y方向依次緊密排列，如圖4所示，其尺寸為--沿y方向邊長為7.7微米，沿z方向邊長為3.8微米，X方向高度為I微米。
[0049]傅里葉變換透鏡5的作用是進(jìn)行空間傅里葉變換，在其后焦平面得到輸入場的空間傅里葉變換。所述傅里葉變換透鏡5為扁平柱體，其橫截面如圖5所示，由兩端相同的圓弧圍成，圓弧半徑為190微米，沿y方向?qū)挾葹?30微米。
[0050]所述x、y、z方向分別為沿紙面垂直向上方向、垂直紙面向外方向、沿紙面向右方向。
[0051]本發(fā)明提供的上述光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，與之前傳統(tǒng)的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器相比，優(yōu)勢明顯:本發(fā)明基于平面光波導(dǎo)技術(shù)，可由任何能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)，與現(xiàn)有制作工藝兼容，可由平面波導(dǎo)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)光刻及刻蝕工藝制作，體積小，并可方便地與其他相同材料體系的器件進(jìn)行單片集成。
[0052]經(jīng)模擬仿真測試，其結(jié)果如下:
[0053]選取一個(gè)中心波長為1550nm的高斯脈沖作為輸入光脈沖,脈沖寬度為65fs,使用時(shí)域光束傳輸法(TD-BPM)對器件進(jìn)行仿真，經(jīng)過該光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器后，最后的輸出脈沖形狀如圖6所示，實(shí)線表示仿真的輸出結(jié)果，虛線表示輸入脈沖時(shí)間波形的理想傅里葉變換，從圖中可見，仿真結(jié)果與理想傅里葉變換波形基本一致，實(shí)現(xiàn)了對輸入脈沖的時(shí)域傅里葉變換功能。
[0054]然后，如圖7所示，選擇中心波長1550nm，脈沖寬度分別為30fs和90fs的兩個(gè)斯高脈沖作為輸入光脈沖，仿真得到的輸出結(jié)果如圖8所示，實(shí)線為脈沖寬度為30fs的輸入脈沖的輸出波形，虛線為脈沖寬度為90fs的輸入脈沖的輸出波形。從圖中可以看出輸入脈沖寬度越窄，它的輸出脈沖就越寬，這與時(shí)域波形越窄，其頻譜就越寬的實(shí)際情況相一致，因此可以用來實(shí)現(xiàn)脈沖展寬或壓縮的功能。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，其特征是由在襯底(13)上自下而上依次生長的包層(12)、下導(dǎo)波層(11)和上導(dǎo)波層(10)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，其特征是該光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器基于平面光波導(dǎo)技術(shù)，由任何能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)，與現(xiàn)有制作工藝兼容，可由平面波導(dǎo)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)光刻及刻蝕工藝制作，體積小，能夠方便地與其他相同材料體系的器件進(jìn)行單片集成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，其特征是所述上導(dǎo)波層(10)為圖形層，由沿z方向依次排列的輸入波導(dǎo)(I)、第一準(zhǔn)直透鏡(2)、第一閃耀光柵(3)、第二準(zhǔn)直透鏡(4)、傅里葉變換透鏡(5)、第三準(zhǔn)直透鏡(6)、第二閃耀光柵(7)、第四準(zhǔn)直透鏡(8)、輸出波導(dǎo)(9)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，其特征是所述襯底(13)由能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料制成，該材料包括單晶硅、磷化銦、砷化鎵、藍(lán)寶石或碳化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，其特征是所述包層(12)由能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料制成，該材料包括二氧化硅、磷化銦、銦鎵砷磷、砷化鎵、鋁鎵砷、氮化鎵,銦鎵氮或鋁鎵氮。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器，其特征是所述上導(dǎo)波層(10)和下導(dǎo)波層(11)均采用能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料，該材料包括非晶硅、銦鎵砷磷、砷化鎵、氮化鎵、銦鎵氮或鋁鎵氮。
7.權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器的用途，其特征是該光學(xué)時(shí)域傅里葉變換器在超短光脈沖通信系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入時(shí)間脈沖的時(shí)域傅里葉變換功能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用途，其特征是應(yīng)用時(shí)，包括以下步驟: A.光脈沖從輸入波導(dǎo)(I)入射，在輸出波導(dǎo)(9)接收； B.第一準(zhǔn)直透鏡(2)、第三準(zhǔn)直透鏡(6)有對光準(zhǔn)直的作用，在其焦平面得到平行光； C.第二準(zhǔn)直透鏡(4)、第四準(zhǔn)直透鏡(8)有對光聚焦的作用，在其焦平面得到聚焦光斑； D.所述第一閃耀光柵(3)起到分光的作用，不同頻率的光經(jīng)過光柵后有不同的偏轉(zhuǎn)方向，最終把不同頻率分量的光聚焦在第二準(zhǔn)直透鏡(4)的焦平面的不同位置；第二閃耀光柵(7)的作用與第一閃耀光柵(3)的作用正好相反，將不同方向傳播的所有頻率分量的光變?yōu)榫赝环较騻鞑サ钠叫泄猓? E.所述傅里葉變換透鏡(5)的作用是進(jìn)行空間傅里葉變換，在其后焦平面得到輸入場的空間傅里葉變換。
【文檔編號(hào)】G02F1/35GK104181746SQ201410391247
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】李洵, 李春生, 唐瑞 申請人:華中科技大學(xué)