基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法技术

本发明专利技术公开了一种基于芯片集成光路的光纤

【技术实现步骤摘要】
基于芯片集成光路的光纤
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空间光通信信号转换方法


[0001]本专利技术属于集成光学、非线性光学、半导体物理、光纤通信和自由空间光通信的交叉学科领域，具体是指一种通过芯片集成光路光电效应和光学非线性效应实现毋须探测器和光源的光纤通信信号
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自由空间光通信信号转换方法，尤其涉及一种基于芯片集成光路的光纤
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空间光通信信号转换方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]与传统分立器件自由空间光路和全光纤光路相比，芯片集成光路具有体积小、功耗低、性能稳定、集成度高、可批量生产、可光电集成等诸多优势，是光通信系统、光计算系统、全光信号处理系统、微波光子系统等大规模复杂光学系统的首选技术方案。依托芯片集成光路制备的各种光学器件，包括波分复用器、光学定向耦合器、光学滤波器、非线性波长转换器、非线性光学频率梳光源等，在现代光通信系统中扮演着不可或缺的角色。
[0003]按照传输介质可将光通信系统分为自由空间光通信系统(或无线光通信系统)和光纤通信系统：自由空间光通信系统重点考虑通信双方精准跟瞄、光学信道畸变补偿、太阳光背景去噪滤波等因素；光纤通信系统则重点考虑单纤传输带宽拓展、多光学自由度复用和无中继传输距离提升；两者最大差异在于通信波长，前者通常位于808nm附近以保证最低自由空间传输损耗，后者通常位于1550nm附近以求最低光纤传输损耗，受波长差异限制，现阶段往往需要成对配置的探测器
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光源才能实现两者信号互通，限制了光纤通信网络和自由空间光通信网络的有效互连。

技术实现思路

[0004]基于现有技术的问题，本专利技术要解决的技术问题是如何自由空间光通信信号照射覆盖在传输波导上表面的二维层状材料(或直接照射波导上表面)通过光电效应(或双光子吸收效应)产生自由载流子并调制传输波导折射率，将通信信号复制到光纤通信载波上；以及如何通过高非线性波导内非线性效应将光纤通信信号复制到自由空间光通信载波上并通过光栅耦合器实现自由空间光通信信号输出。
[0005]为了达到上述效果，本专利技术提供的基于芯片集成光路的光纤
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空间光通信信号转换方法，通过二维层状材料覆层光电效应或芯片集成波导双光子吸收效应产生自由载流子、改变波导折射率、调制传输光场相位分布、实现自由空间光通信信号向光纤通信信号转换；通过波导内非线性效应致波长转换实现光纤通信信号向自由空间光通信信号转换。
[0006]优选的，上述方法具体包括：
[0007]S101、分别优化设计自由空间光通信信号接收所需波导横截面结构、波导长度以及波导空间排布，将二维层状材料无损转移至波导表面，优化设计晶格和结构参数，二维层状材料紧密贴合波导上表面和侧表面或仅贴合上表面；
[0008]S102、分别优化设计非线性波长转换所需波导横截面结构、波导长度，自由空间光通信信号通过光栅耦合器输出，输出方向与波导平面夹角应尽可能接近90度、耦合损耗尽
可能低、输出模场应尽可能为标准平行光；
[0009]S103、芯片集成光路制备工艺中所有器件厚度一致、包括标准刻蚀工艺和材料转移工艺步骤；
[0010]S104、自由空间光通信信号将依次按照二维层状材料、自由载流子、波导折射率、光纤通信载波相位分布、光纤通信载波其它光学自由度的顺序转换为光纤通信信号，光纤通信信号按照非线性波长转换、光栅耦合器的顺序输出自由空间光通信信号。
[0011]优选的，上述自由载流子通过双光子吸收效应在传输波导内产生。
[0012]优选的，上述S101中自由空间光通信信号接收所需波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低且波导折射率变化灵敏，波导长度需优化设计以兼顾低传输损耗和大调制深度，波导空间排布需优化设计使二维层状材料尽可能精准覆盖，可通过化学气相沉积等方法将二维层状材料无损转移至波导表面，晶格和结构参数需优化设计使单位光场强度产生的自由载流子浓度最大、耗散时间最短，二维层状材料可紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面。
[0013]优选的，上述S102中非线性波长转换所需波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低且非线性系数最大，波导长度需优化设计以兼顾低传输损耗和高非线性响应，自由空间光通信信号可通过光栅耦合器输出，输出方向与波导平面夹角应尽可能接近90度、耦合损耗尽可能低、输出模场应尽可能为标准平行光。
[0014]优选的，上述方法具体包括：
[0015]步骤1、光纤通信载波在二氧化硅衬底上的硅基波导内传输，硅基波导上表面覆盖二硫化钼二维层状材料；
[0016]步骤2、自由空间光通信信号通过精准跟瞄系统会聚照射二维层状材料并产生自由载流子，自由载流子致波导折射率改变对光纤通信载波相位进行调制，实现从自由空间光通信信号向光纤通信信号的转换；
[0017]步骤3、光纤通信信号和泵浦光场同时输入作为非线性介质的硅基波导，通过光学非线性效应产生自由空间光载波，实现从光纤通信信号向自由空间光通信信号的转换。
[0018]优选的，上述方法自由空间光通信信号照射覆盖在传输波导上表面的二维层状材料或直接照射波导上表面，通过光电效应在二维层状材料内产生自由载流子或通过双光子吸收效应在传输波导内产生自由载流子，通过自由载流子致波导折射率变化将通信信号调制于光纤通信载波，生成光纤通信信号自由度包括但不限于相位、强度、偏振、模式。
[0019]优选的，上述方法通过高非线性波导内非线性效应将泵浦光场能量和光纤通信信号分布转移至自由空间光通信波长上，并将自由空间光通信信号沿垂直芯片方向导出。
[0020]一种实现如上述基于芯片集成光路的光纤
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空间光通信信号转换方法的系统，包括：
[0021]自由空间光通信信号向光纤通信信号转换装置，用于自由空间光通信信号向光纤通信信号转换，即自由空间光通信信号照射覆盖在传输波导上表面的二维层状材料或直接照射波导上表面，通过光电效应在二维层状材料内产生自由载流子或通过双光子吸收效应在传输波导内产生自由载流子，通过自由载流子致波导折射率变化将通信信号调制于光纤通信载波；
[0022]光纤通信信号向自由空间光通信信号转换装置，用于通过高非线性波导内的非线
性效应包括但不限于频率上转换、四波混频，将泵浦光场能量和光纤通信信号分布转换至自由空间光通信波长上，通过光栅耦合器导出。
[0023]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
[0024]一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0025]与现有技术相比，本专利技术能够在不使用光源和探测器的前提下实现光纤通信信号和自由空间光通信信号的直接转换，打通了光纤通信网络和自由空间光通信网络的光学直连链路，方法可行、结构简单、易于实施，为机固互联全光通信网络奠定坚实基础。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于芯片集成光路的光纤
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空间光通信信号转换方法，通过二维层状材料覆层光电效应或芯片集成波导双光子吸收效应产生自由载流子、改变波导折射率、调制传输光场相位分布、实现自由空间光通信信号向光纤通信信号转换；通过波导内非线性效应致波长转换实现光纤通信信号向自由空间光通信信号转换。2.根据权利要求1所述的基于芯片集成光路的光纤
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空间光通信信号转换方法，其特征在于，所述方法具体包括：S101、分别优化设计自由空间光通信信号接收所需波导横截面结构、波导长度以及波导空间排布，将二维层状材料无损转移至波导表面，优化设计晶格和结构参数，二维层状材料紧密贴合波导上表面和侧表面或仅贴合上表面；S102、分别优化设计非线性波长转换所需波导横截面结构、波导长度，自由空间光通信信号通过光栅耦合器输出，输出方向与波导平面夹角应尽可能接近90度、耦合损耗尽可能低、输出模场应尽可能为标准平行光；S103、芯片集成光路制备工艺中所有器件厚度一致、包括标准刻蚀工艺和材料转移工艺步骤；S104、自由空间光通信信号将依次按照二维层状材料、自由载流子、波导折射率、光纤通信载波相位分布、光纤通信载波其它光学自由度的顺序转换为光纤通信信号，光纤通信信号按照非线性波长转换、光栅耦合器的顺序输出自由空间光通信信号。3.根据权利要求1或2所述的基于芯片集成光路的光纤
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空间光通信信号转换方法，其特征在于，所述自由载流子通过双光子吸收效应在传输波导内产生。4.根据权利要求2所述的基于芯片集成光路的光纤
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空间光通信信号转换方法，其特征在于，所述S101中自由空间光通信信号接收所需波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低且波导折射率变化灵敏，波导长度需优化设计以兼顾低传输损耗和大调制深度，波导空间排布需优化设计使二维层状材料尽可能精准覆盖，可通过化学气相沉积等方法将二维层状材料无损转移至波导表面，晶格和结构参数需优化设计使单位光场强度产生的自由载流子浓度最大、耗散时间最短，二维层状材料可紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面。5.根据权利要求2所述的基于芯片集成光路的光纤
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空间光通信信号转换方法，其特征在于，所述S102中非线性波长转换所需波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低且非线性系数最大，波导长度需优化设计以兼顾低传输损耗和高非线性响应，自由空间光通信信号可通过光栅耦合器输出，输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭凯，王增，陈浩，闫培光，
申请(专利权)人：军事科学院系统工程研究院网络信息研究所，
类型：发明
国别省市：