本发明专利技术公开了一种集成全维度高速光场调控的方法和装置。该方法通过改变光程调控相位，通过光场干涉调控幅度，通过正交偏振光场叠加调控偏振，利用光子集成实现一维时间和三维空间全维度高速光场调控。该装置包括光源、光场一维时间调控模块和光场三维空间调控模块，一维时间调控模块由相移器和幅度控制器或嵌套马赫‑曾德尔干涉仪构成，三维空间调控模块由N×N阵列单元构成，每个单元由分束器、相移器、幅度控制器和正交偏振合束器构成以调控局部幅度、相位和偏振，同时控制N×N阵列单元实现三维空间幅度、相位和偏振调控。本发明专利技术可对光场多维度同时、任意、独立调控，尺寸小、响应快、可扩展，可高速可重构产生各种复杂光场并支撑通信和非通信应用。
【技术实现步骤摘要】
一种集成全维度高速光场调控的方法和装置
本专利技术属于光场调控领域，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。
技术介绍
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(为约化普朗克常数)，具有三维空间螺旋相位结构的光波的光子含有轨道角动量(OAM)，角动量大小为(l为拓扑电荷数)。当这些具有自旋角动量或轨道角动量光波的传播方向被物体改变或光波被物体吸收时，光波和物体之间会发生动量转换。当具有SAM的光束(即圆偏振光)会聚到流体中的微粒上时，微粒受到光力的作用也会获得SAM并发生自转效应，而当具有OAM的光束(涡旋光束)会聚到流体上的微粒时，微粒受到光力的作用也会获得OAM并沿特定的轨道旋转，类似于行星围绕恒星的旋转运动。因此，具有圆偏振或三维螺旋相位结构的光波能应用于各种粒子操控的领域，如光学捕获、光镊、光学扳手、光学打结等。与此同时，光场调控还应用于量子信息处理以及光通信中。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。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术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，按照本专利技术的一方面，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。本专利技术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，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种集成全维度高速光场调控的方法，其特征在于，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。/n
【技术特征摘要】
1.一种集成全维度高速光场调控的方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的集成全维度高速光场调控的方法，其特征在于，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的全矢量高速光场调控；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，即两路同频率同偏振的相干光场干涉时，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；所述偏振的调控通过正交偏振光场叠加原理来实现，即两路同频率的正交偏振光场叠加时，根据两路光场相对幅度大小和相对相移情况不同，合成所有偏振态光场，可以遍历偏振态邦加球上所有点。
3.根据权利要求1所述的集成全维度高速光场调控的方法，其特征在于，所述一维时间维度上的相位调控通过相移器改变波导折射率或者过耦合微环来实现，相移器是热光相移器或者电光相移器；所述一维时间维度上的幅度调控通过可调光衰减器或者集成光放大器来实现，可调光衰减器是马赫-曾德尔干涉仪或者临界耦合微环或者电吸收效应器件；所述一维时间维度上的幅度和相位同时调控通过级联的幅度调控和相位调控或者嵌套马赫-曾德尔干涉仪来实现；所述三维空间维度上的幅度、相位、偏振调控通过N×N个阵列单元来实现，每个阵列单元提供其所在局部位置的空间幅度、相位、偏振调控，其中，相位调控通过相移器改变波导折射率或者过耦合微环来实现，相移器是热光相移器或者电光相移器，幅度调控通过可调光衰减器或者集成光放大器来实现，可调光衰减器是马赫-曾德尔干涉仪或者临界耦合微环或者电吸收效应器件，偏振调控通过正交偏振合束器结合相位和幅度调控来实现，正交偏振合束器是二维光栅或者超材料或者超表面或者表面结构，局部位置的空间幅度、相位、偏振调控通过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。
4.一种集成全维度高速光场调控的装置，其特征在于，包括依次连接的光源、光场一维时间调控模块和光场三维空间调控模块，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、偏振均可以同时或独立调控。
5.根据权利要求4所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：王健，郑爽，杜竫，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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