利用光学结构激射状态和非激射状态切换实现编码的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用光学结构激射状态和非激射状态切换实现编码的方法，属于光电材料和器件技术领域。通过调控皮秒时间量级内单个脉冲功率，利用可发光、有谐振腔特性、Q值高的光学结构在分束器、可调反射镜、连续衰减片等光学元件组合搭建的光路中实现激射状态和非激射状态的转变，由于两种状态下的光辐射携带参数不同，参数分别与“1”和“0”对应，实现了二进制高带宽编码，甚至在二进制编码的光路基础上略作改进，能实现三进制编码。编码的可调谐带宽高达0.1THz，有利于促进高带宽信息处理光学微芯片的发展。

A coding method based on the switching of lasing state and non lasing state of optical structure

【技术实现步骤摘要】
利用光学结构激射状态和非激射状态切换实现编码的方法
本专利技术属于光电材料和器件
，特别涉及一种利用光学结构激射状态和非激射状态切换实现高带宽编码的方法。
技术介绍
近年随着生长技术和精密加工技术的进步，微结构的尺度已经可以达到纳米量级，人们将包含微米、亚微米量级的精细结构的材料统称为微纳材料，从此光学研究可以从大的光学平台集成到了微结构中，提供了更多的调控电磁波的方法和工具，丰富了激光物理以及非线性光学等众多领域的研究。微结构在激光激发下往往会产生由于尺寸和形状引起的不寻常的效果，如光波导，光学腔等，这一过程中包含了许多信息的产生或者是对原来光信息的转变，已经有许多利用微结构的荧光寿命、强度或峰位进行信息编码的研究应用。已经有许多基于已有光源输出的光，后期被动的调制光信号，从而实现编码的报道，然而几乎没有利用本身就能激射的微型激光器直接编码的报道。随着超快技术的快速发展，脉冲的弛豫时间可达到飞秒量级，飞秒量级的超短脉冲成为探索物理、生物和化学等领域超快过程的重要手段。利用飞秒量级的脉冲激光进行高速率高带宽的光学编码得到了广泛的研究，可调谐编码带宽可实现到太赫兹甚至以上，这意味着同时能够传输的数据量更大，所以研究在光通信领域中如何利用超快脉冲激光进行编码具有实际意义。而现有的大部分光编码方法的缺点，是它们都是基于已有光源输出的光，然后后期被动的去调制光信号。被动调制下基底光的性质是不可改变的，完全依靠于调制手段的准确实现编码的保真，而且被动调制中不管码值是“1”或“0”都需要基底光，不利于节省能耗。
技术实现思路
本专利技术的目的是为顺应编码技术日益小型化和高带宽的时代发展要求，提供的一种利用光学结构激射状态和非激射状态切换实现高带宽编码的方法，该方法主动调控激光源，减少了编码能耗，获得了大的编码带宽。实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种利用光学结构激射状态和非激射状态切换实现编码的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：选取一光学结构，自身为发光材料或组成部分是可发光材料，具有光学谐振腔特性，光腔品质因子Q值至少100，材料化学构成不限，置于样品台上；步骤2：在激光器输出激光传输光路上，用数个分束器把一束总光脉冲分成数束分路光脉冲，正对分束器的出射面位置搭建可调反射镜，调节反射镜相对于分束器的远近位置从而调控各个分路光脉冲到达光学结构的时刻和各个分路光脉冲之间的时间间隔；步骤3：在分束器和可调反射镜之间放置连续可调衰减片，旋转衰减片控制到达光学结构的各个分路光脉冲的激发能量密度大于或小于光学结构的光学激射阈值Pth，光学结构在对应的激发能量密度下分别处于激射状态或非激射状态，另外在第一分束器后其中一光路放置倍频晶体来获得波长减半的光脉冲，此光路称作倍频光路，另一光路保留原波长光脉冲；步骤4：各个可调控的分路光脉冲经过合束器汇合成一束光经分束器和物镜照射到样品台上放置的光学结构上，实现光学代码信息的植入，光学结构的诱导辐射光场携带高带宽编码序列；步骤5：光路终端设置透镜、光谱仪和条纹相机收集光学结构受光脉冲激发时间内的光辐射信号，获得光辐射信号中的参数信息即发光强度I、偏振度P和相干度c；步骤6：把已获得的激射状态和非激射状态下光辐射信号参数中的一种或几种，分别对应于二进制编码的“1”和“0”，用光谱仪和条纹相机读取或校验这段光脉冲激发时间内生成的光学编码序列。步骤2所述总光脉冲的脉冲半高宽至多τrad/2，时间参数τrad是光学结构工作在激射状态下的光辐射脉冲的半高宽，可调节的脉冲间隔时间至少τra d。步骤2所述调控各个分路光脉冲之间的时间间隔，是改变各分路的传播光程实现不同分路光脉冲的时间延迟。步骤3所述光学激射阈值Pth由选取的光学结构自身决定，值在10-9～1J/cm2。步骤3所述的分脉冲输入到光学结构中的最大能量密度至少达到Pth。步骤5所述的条纹相机的探测时间精度至少为单个光辐射脉冲半高宽τrad的1/3。步骤5所述的发光强度I直接由光谱仪和条纹相机测得，偏振度P是通过旋转收集光路上搭建的偏振片，利用光谱仪和条纹相机获得最大和最小发光强度按公式(Imax-Imin)/(Imax+Imin)计算而得，相干度c是光辐射经过收集光路上搭建的迈克尔逊干涉仪然后用条纹相机测得亮条纹光强和暗条纹光强，按公式(I亮-I暗)/(I亮+I暗)计算而得。步骤6获得的编码带宽的上限至少达0.1THz。步骤6所述的二进制编码“1”和“0”的定义为：发光强度I、偏振度P和相干度c中任意一种或几种，在单个码时间间隔内：ⅰ）取值最大值大于x，则此码值定义为“1”、ⅱ）平均值大于x，则此码值定义为“1”、ⅲ）时间积分总和大于x，则此码值定义为“1”或ⅳ）人为设定一个更小的时间间隔参数s，在单个码时间间隔内任意选取一个长为s的时间间隔积分，积分最大值大于x，则此码值定义为“1”；其中，所述x为人为定义值，以能实现光学结构激射状态和非激射状态下光辐射参数数值的区分为准。步骤3所述的倍频光路是产生与原波长光路不同频率的激发光脉冲，倍频光路用于直接激发光学结构，原波长光脉冲用于非线性双光子吸收调控光学结构的发光时间包络，将两种频率的光脉冲组合激发光学样品获得双峰形状的辐射光脉冲时间包络，新增的发光时间包络信息将单一频率光脉冲激励下的二进制码值“1/0”扩展至“2/1/0”三进制码值。本专利技术步骤2中的总光脉冲利用脉冲泵浦设备或组合集成的脉冲激励装置来激发，光脉冲也能换成电脉冲，控制各个电脉冲的单次激发能量密度大于或小于光学结构的激射阈值,值在10-12~10-3C/cm2,光学结构在对应的电脉冲下处于激射或非激射状态，同时控制电脉冲激发光学结构的起止时刻，来控制编码的触发和终止，同时控制各个电脉冲的激发时刻，来控制编码序列时间信息的写入，同时控制电脉冲的激发脉冲时间间隔，实现编码带宽的调节。本专利技术的优势有：1）利用光学结构在激射和非激射状态下辐射场性质的显著差异，实现不同码值的高区分度和鉴别度。2）利用光学结构激射和非激射状态之间的可快速切换性质，实现光学超快编码。本专利技术的编码带宽实现到了最高0.1THz，属于高带宽编码大于10GHz的范畴。3）光学结构辐射光场的强度I、偏振度P和相干度c物理参量在激射和非激射状态切换过程中满足捆绑特征，三者在状态切换过程中同时变化，大大提高码值的可信度，并可用于编码序列的纠错。4）本专利技术主动控制发光结构的发光过程，同时完成辐射光场载体的产生、编码信息的植入，并实现了对后期码值信息的读取和鉴别操作。本专利技术同时具有超快编码和解码功能。5）由于本专利技术是通过控制辐射光场载体的产生，从源头上写入编码信息，给出节省编码能耗的可行方案，例如强度码值“0”的生成不需注入能量就能实现。6）光学结构的激射和非激射行为可与双光子吸收等非线性效应结合，从而实现三进制等高阶编码，进一步拓展本专利技术的编码带宽范围。附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用光学结构激射状态和非激射状态切换实现编码的方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：/n步骤1：选取一光学结构，自身为发光材料或组成部分是可发光材料，具有光学谐振腔特性，光腔品质因子Q值至少100，材料化学构成不限，置于样品台上；/n步骤2：在激光器输出激光传输光路上，用数个分束器把一束总光脉冲分成数束分路光脉冲，正对分束器的出射面位置搭建可调反射镜，调节反射镜相对于分束器的远近位置从而调控各个分路光脉冲到达光学结构的时刻和各个分路光脉冲之间的时间间隔；/n步骤3：在分束器和可调反射镜之间放置连续可调衰减片，旋转衰减片控制到达光学结构的各个分路光脉冲的激发能量密度大于或小于光学结构的光学激射阈值P

【技术特征摘要】
1.一种利用光学结构激射状态和非激射状态切换实现编码的方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：选取一光学结构，自身为发光材料或组成部分是可发光材料，具有光学谐振腔特性，光腔品质因子Q值至少100，材料化学构成不限，置于样品台上；
步骤2：在激光器输出激光传输光路上，用数个分束器把一束总光脉冲分成数束分路光脉冲，正对分束器的出射面位置搭建可调反射镜，调节反射镜相对于分束器的远近位置从而调控各个分路光脉冲到达光学结构的时刻和各个分路光脉冲之间的时间间隔；
步骤3：在分束器和可调反射镜之间放置连续可调衰减片，旋转衰减片控制到达光学结构的各个分路光脉冲的激发能量密度大于或小于光学结构的光学激射阈值Pth，光学结构在对应的激发能量密度下分别处于激射状态或非激射状态，另外在第一分束器后其中一光路放置倍频晶体来获得波长减半的光脉冲，此光路称作倍频光路，另一光路保留原波长光脉冲；
步骤4：各个可调控的分路光脉冲经过合束器汇合成一束光经分束器和物镜照射到样品台上放置的光学结构上，实现光学代码信息的植入，光学结构的诱导辐射光场携带高带宽编码序列；
步骤5：光路终端设置透镜、光谱仪和条纹相机收集光学结构受光脉冲激发时间内的光辐射信号，获得光辐射信号中的参数信息即发光强度I、偏振度P和相干度c；
步骤6：把已获得的激射状态和非激射状态下光辐射信号参数中的一种或几种，分别对应于二进制编码的“1”和“0”，用光谱仪和条纹相机读取或校验这段光脉冲激发时间内生成的光学编码序列。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2所述总光脉冲的脉冲半高宽至多τrad/2，时间参数τrad是光学结构工作在激射状态下的光辐射脉冲的半高宽，可调节的脉冲间隔时间至少τra d。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2所述调控各个分路光脉冲之间的时间间隔，是改变各分路的传播光程实现不同分路光脉冲的时间延迟。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢微，费萌，董红星，钟义驰，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31