【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及天文光子学领域，尤其涉及一种芯片型光波导模式梳理器及光谱分析系统。
技术介绍
1、天文学(astronomy)是一门通过数学、物理和化学等方法研究地球以外物体和现象起源及演化的自然科学，天文光子学(astrophotonics)是光子学(photonics)在天文仪器中的应用，由于光子器件具有体积小、集成度高等优势，正逐渐取代传统仪器中的大体积自由空间光学器件(如透镜、棱镜和光栅等)，实现小型化、轻型化的观测设备。多模光纤作为成熟的光子器件，被广泛用于可见光和近红外天文观测中，用于接收经过镜面汇聚的空间光斑并传输至后端进行光谱分析。然而，光子学中用于光谱分析的器件(如阵列波导光栅awg)通常是建立在单模波导体系中。因此，在天文观测中，亟需一种能够将多模光纤中的光场无损转换至单模波导体系的一种器件。
2、目前从多模到单模转换的解决方案一般采用光子灯笼(photonic lantern)，光子灯笼的输入端为一根多模光纤，通过拉锥波导结构将光场分散到多根单模光纤中，后对每根单模光纤中的光场进行单独处理。然而，光子灯笼器件实现无损转换的条件是输入输出端光场可以存在的模式数(即自由度)相同，这就要求输出端所包含的单模光纤数需与输入多模光纤中所支持的模式数相同，而标准的多模光纤通常支持数百个模式，无损传输需要连接数百根单模光纤，导致器件体积庞大，系统复杂，难以制备。实际上，光子灯笼作为一种无源器件只是分散了复杂光场，并没有从本质上解决从多模到单模波导体系的无损、自适应转换问题。例如在大气层背景辐射滤波的应用中，光子
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提出一种芯片型光波导模式梳理器及光谱分析系统。芯片型光波导模式梳理器建立在三维多模光波导体系下，通过多个电极加热，改变材料折射率，使之在空间中呈现二次曲线叠加的分布，等效为多参数可调透镜组，对几乎任意光场均可实现聚焦效果，实现梳理任意复杂的模场至单模、类高斯光斑的功能。其主要应用在天文观测的后端光谱分析系统中，通过实现复杂多模到单模的无损转化，高效连接单模波导体系下的光谱分析器件。此外，本专利技术的芯片型光波导模式梳理器结构简单，器件设计难度及工艺成本较低，具有较高的应用前景。
2、具体技术方案如下：
3、一种芯片型光波导模式梳理器，包括：一个具有热光效应的三维多模光波导，布置在所述三维多模光波导四周的两个以上电极；
4、所述三维多模光波导与所述电极的轴线沿第一方向平行布置，所述第一方向为光传播方向；所述三维多模光波导的输入端作为芯片型光波导模式梳理器的输入用于与多模输入体系连接，所述三维多模光波导的输出端作为芯片型光波导模式梳理器的输出用于与单模输出体系连接；
5、所述三维多模光波导满足如下条件：当两个电极加热时，在三维多模光波导内部产生二次曲线型的折射率分布，即，与自由空间中的单个透镜功能相同；当对多个电极加热时，在三维多模光波导内部产生的折射率分布等效于二次曲线的叠加，即等效成自由空间的透镜组，用于实现所述三维多模光波导中光场的汇聚，从而将多模输入体系光场梳理成单模形态，即，在三维多模光波导的输出端汇聚成单模输出。
6、当向电极通入电流时，欧姆效应产生热场，其温度的分布遵循泊松方程，泊松方程的解为二次(平方)曲线，温度场的分布由近似线性热光效应转换成折射率梯度分布。因此，在加热条件下，折射率的空间分布也可近似为二次曲线。此时波导层区域形成平方介质，与渐变折射率光纤类似，可对发散的光场进行汇聚。多个电极同时加热可形成复杂的等效透镜组，等效透镜组的参数包括每个透镜的孔径、焦距和透镜数，且每个参数均动态可调。其中，两个电极间的间距越大，等效的单个透镜的孔径越大；加载在两个电极上的功率越大，等效的单个透镜的焦距就越短；同时工作的电极数越多，组成透镜组的等效透镜个数也越多。
7、进一步地，所述三维多模光波导的截面分布在第二方向和第三方向所构成的平面内，所述第一方向、第二方向、第三方向两两垂直；所述三维多模光波导在第二方向和第三方向均支持若干个模式。
8、进一步地，所述多模输入体系选自多模光纤、多模光波导、自由空间的复杂光场中的任意一种；所述单模输出体系选自单模光纤或单模光波导中的任意一种。
9、进一步地，所述三维多模光波导包括波导层和包覆所述波导层的包层；两个以上电极布置在所述波导层的周围。
10、进一步地，沿第三方向，所述包层分为上包层和下包层，且两个以上电极分布在所述波导层的上方和下方；所述波导层的上方和下方的电极均沿第二方向排列；用于实现在第三方向的加热效果。
11、进一步地，所述波导层的上方的电极位于所述上包层的表面，所述波导层的下方的电极位于下包层的内部。
12、进一步地，沿第三方向，所述包层分为上包层和下包层，且两个以上电极分布在所述波导层的前侧和后侧；所述波导层的前侧和后侧的电极均沿第三方向排列，用于实现在第二方向的加热效果。
13、进一步地，所述波导层的折射率大于所述上包层的折射率和下包层的折射率。
14、进一步地，所述电极由适用于欧姆效应的电热材料制成。
15、一种光谱分析系统，包括：多模输入体系、所述的芯片型光波导模式梳理器、单模输出体系、光谱分析器件；所述多模输入体系与所述芯片型光波导模式梳理器件的输入端相连；所述单模输出体系与所述芯片型光波导模式梳理器件的输出端相连，单模输出体系输出的光信号被光谱分析器件接收。
16、本专利技术的有益效果是：
17、本专利技术提供了一种芯片型光波导模式梳理器，该模式梳理器采用了三维波导结构，以多模光纤作为波导的输入，通过多个电极在波导结构中形成的等效透镜组，可以将复杂的多模输入体系所支持的光场低损耗的汇聚至单模输出体系。本专利技术有效的解决了现有的从多模到单模转换高损耗、系统复杂的问题，实现了宽波段、偏振无关的模式梳理功能。
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1.一种芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，包括：一个具有热光效应的三维多模光波导，布置在所述三维多模光波导四周的两个以上电极；
2.根据权利要求1所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，所述三维多模光波导的截面分布在第二方向和第三方向所构成的平面内，所述第一方向、第二方向、第三方向两两垂直；所述三维多模光波导在第二方向和第三方向均支持若干个模式。
3.根据权利要求1所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，所述多模输入体系选自多模光纤、多模光波导、自由空间的复杂光场中的任意一种；所述单模输出体系选自单模光纤或单模光波导中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，所述三维多模光波导包括波导层和包覆所述波导层的包层；两个以上电极布置在所述波导层的周围。
5.根据权利要求4所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，沿第三方向，所述包层分为上包层和下包层，且两个以上电极分布在所述波导层的上方和下方；所述波导层的上方和下方的电极均沿第二方向排列；用于实现在第三方向的加热效果。
6.根据权利要求5
7.根据权利要求4所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，沿第三方向，所述包层分为上包层和下包层，且两个以上电极分布在所述波导层的前侧和后侧；所述波导层的前侧和后侧的电极均沿第三方向排列，用于实现在第二方向的加热效果。
8.根据权利要求5或7所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，所述波导层的折射率大于所述上包层的折射率和下包层的折射率。
9.根据权利要求1所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，所述电极由适用于欧姆效应的电热材料制成。
10.一种光谱分析系统，其特征在于，包括：多模输入体系、权利要求1-9任意一项所述的芯片型光波导模式梳理器、单模输出体系、光谱分析器件；所述多模输入体系与所述芯片型光波导模式梳理器件的输入端相连；所述单模输出体系与所述芯片型光波导模式梳理器件的输出端相连，单模输出体系输出的光信号被光谱分析器件接收。
...【技术特征摘要】
1.一种芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，包括：一个具有热光效应的三维多模光波导，布置在所述三维多模光波导四周的两个以上电极；
2.根据权利要求1所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，所述三维多模光波导的截面分布在第二方向和第三方向所构成的平面内，所述第一方向、第二方向、第三方向两两垂直；所述三维多模光波导在第二方向和第三方向均支持若干个模式。
3.根据权利要求1所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，所述多模输入体系选自多模光纤、多模光波导、自由空间的复杂光场中的任意一种；所述单模输出体系选自单模光纤或单模光波导中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，所述三维多模光波导包括波导层和包覆所述波导层的包层；两个以上电极布置在所述波导层的周围。
5.根据权利要求4所述的芯片型光波导模式梳理器，其特征在于，沿第三方向，所述包层分为上包层和下包层，且两个以上电极分布在所述波导层的上方和下方；所述波导层的上方和下方的电极均沿第二方向排列；用于实现在第三方向的加热效果...
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