[发明专利]一种光学时域傅里叶变换器

说明书

技术领域

本发明属于集成光子器件，具体涉及一种光学时域傅里叶变换器。

背景技术

近些年来，超短脉冲技术取得了革命性的进展，而时间透镜在超短脉冲技术中起到重要作用，其主要应用于脉冲压缩技术、时间成像技术，以及正交频分复用技术等领域。

传统的光学时域傅里叶变换器由输入色散媒质、引入二阶相位调制的时间透镜、输出色散媒质组成。由于基于电光相位调制的时间透镜易于实现，性能稳定，因此以电光相位调制器作为时间透镜是最常用的方法。但是由于电光相位调制器只能在调制中心附近进行近似的二阶相位调制，致使时间透镜受到孔径限制，此外基于电光相位调制的时间透镜组成的时间成像系统的一个重要问题是分辩率较低。见Quantum Electronics,IEEE Journal of,2000.36(4):p.430-437.此外，时间透镜还可以利用非线性晶体的和频和差频以及光线的交叉相位调制来实现。上述的几个实现方法都是使用分立的光电器件，因此就会有难以集成的困难以及相对较大的几何尺寸。最近，美国康乃尔大学提出来了一种在硅基光波导上完成的基于四波混频(FWM)效应的时间透镜，他们用两个这样的四波混频透镜构成了一个时间望远镜系统。这种时间透镜对输入脉冲可以有超过100π的相移，但是利用四波混频效应对输入脉冲产生的幅度噪声将会增大，且对于工作波长精确度要求高，以及需要产生特定的泵浦光脉冲。见Silicon photonics:Silicon's time lens,Nat Photon,vol.3,pp.8-10,2009.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有体积小、与现有制作工艺兼容和可方便地进行单片集成的光学时域傅里叶变换器，其在超短光脉冲通信系统中，可以实现对输入时间脉冲的时域傅里叶变换功能，属于集成光子器件。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的光学时域傅里叶变换器，其由在衬底上自下而上依次生长的包层、下导波层和上导波层构成。

该光学时域傅里叶变换器基于平面光波导技术，由任何能够形成平面光波导的介质材料实现，与现有制作工艺兼容，可由平面波导技术的标准光刻及刻蚀工艺制作，体积小，能够方便地与其他相同材料体系的器件进行单片集成。

所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导、第一准直透镜、第一闪耀光栅、第二准直透镜、傅里叶变换透镜、第三准直透镜、第二闪耀光栅、第四准直透镜、输出波导构成。

所述衬底由能够形成平面光波导的介质材料制成，该材料包括单晶硅、磷化铟、砷化镓、蓝宝石或碳化硅。

所述包层由能够形成平面光波导的介质材料制成，该材料包括二氧化硅、磷化铟、铟镓砷磷、砷化镓、铝镓砷、氮化镓，铟镓氮或铝镓氮。

所述上导波层和下导波层均采用能够形成平面光波导的介质材料，该材料包括非晶硅、铟镓砷磷、砷化镓、氮化镓、铟镓氮或铝镓氮。

本发明提供的上述光学时域傅里叶变换器，其用途是：该光学时域傅里叶变换器在超短光脉冲通信系统中应用时，能够实现对输入时间脉冲的精确的时域傅里叶变换功能。

该光学时域傅里叶变换器在超短光脉冲通信系统中应用时，包括以下步骤：

A.光脉冲从输入波导入射，在输出波导接收；

B.第一准直透镜、第三准直透镜有对光准直的作用，在其焦平面得到平行光；

C.第二准直透镜、第四准直透镜有对光聚焦的作用，在其焦平面得到聚焦光斑；

D.所述第一闪耀光栅起到分光的作用，不同频率的光经过光栅后有不同的偏转方向，最终把不同频率分量的光聚焦在第二准直透镜的焦平面的不同位置；第二闪耀光栅的作用与第一闪耀光栅的作用正好相反，将不同方向传播的所有频率分量的光变为均沿同一方向传播的平行光；

E.所述傅里叶变换透镜的作用是进行空间傅里叶变换，在其后焦平面得到输入场的空间傅里叶变换。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

1.本发明可由平面波导技术的标准光刻及刻蚀工艺制作，上导波层中准直透镜、闪耀光栅和傅里叶变换透镜的顶面为同一水平面，输入波导和输出波导的顶面为同一水平面。本发明基于平面光波导技术，可由任何能够形成平面光波导的介质材料实现，与现有制作工艺兼容，体积小，并可方便地与其他相同材料体系的器件进行单片集成，因此有相对较低的制造成本。

2.本发明属于光无源器件，不需要对器件本身加任何形式的电信号、光信号作为驱动源。