CN113820853B - 多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器 - Google Patents

多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器 Download PDF

Info

Publication number
CN113820853B
CN113820853B CN202010560000.2A CN202010560000A CN113820853B CN 113820853 B CN113820853 B CN 113820853B CN 202010560000 A CN202010560000 A CN 202010560000A CN 113820853 B CN113820853 B CN 113820853B
Authority
CN
China
Prior art keywords
modulation
phase
value
optical converter
modulation unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010560000.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113820853A (zh
Inventor
张�林
贺梦霞
杨志群
殷祥
周锐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Co Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Co Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Priority to CN202010560000.2A priority Critical patent/CN113820853B/zh
Publication of CN113820853A publication Critical patent/CN113820853A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113820853B publication Critical patent/CN113820853B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本申请提供了一种多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器，所述多平面光转换器包括多个调制平面，每个调制平面包括多个像素点，所述方法包括：确定第一调制平面中的第一像素点的目标调制相位；根据所述目标调制相位，从N个候选调制相位中确定第一调制相位，其中，所述N个候选调制相位中的第n个候选调制相位的值为n×2π/N，n∈[1,N]，N≥2；根据所述第一调制相位，加工所述的第一像素点对应的调制单元，根据本申请的方案，能够使用于加工调制单元的相位限定在N个以内，能够降低器件成本和加工带来的误差，同时也降低对加工过程不必要的精度要求，能够支持批量加工，并且，能够降低加工难度，提高加工效率。

Description

多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器
技术领域
本申请实施例涉及通信领域，并且更具体地，涉及多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器。
背景技术
近年来，随着高清视频、物联网以及云计算等新兴业务的快速发展，人们对带宽的需求不断增加。目前而言，单模光纤已经逼近其理论传输的极限，而少模通信技术利用其新的空间复用维度有望极大地提升光纤通信的容量，进而突破单模光纤的理论传输极限。作为下一代光通信重点研究的方向，如何实现模式信号的复用和转换功能成为少模通信中的关键技术。
综合考虑低模式串扰、低插入损耗、大模式复用数等技术指标，多平面光转换器件可以用来实现多个模式的复用或转换，作为模分复用系统中尤为关键的一类器件近年来受到了人们的广泛关注。
目前已知的多平面光转换器件中，通过在多个平面处设置调制单元，可以实现光传输波前的连续转换。
在加工该调制单元时，首先计算调试单元对应的优化的相位，进而根据优化后的相位加工平面上的光调制单元。
在现有技术中，上述优化的相位的取值为0到2π内的任意相位值，难以实现批量加工，并且加工难度较大，加工成本较高，加工效率低下。
发明内容
本申请提供一种多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器，能够实现批量加工，降低加工难度和成本，提高加工效率。
第一方面，提供一种多平面光转换器的加工方法，所述多平面光转换器包括多个调制平面，每个调制平面包括多个像素点，所述方法包括：确定第一调制平面中的第一像素点的目标调制相位；根据所述目标调制相位，从N个候选调制相位中确定第一调制相位，其中，所述N个候选调制相位中的第n个候选调制相位的值为n×2π/N，n∈[1,N]，n为整数，N≥2；根据所述第一调制相位，加工所述的第一像素点对应的调制单元。
根据本申请的方案，能够使用于加工调制单元的相位限定在N个以内，能够降低器件成本和加工带来的误差，同时也降低对加工过程不必要的精度要求，能够支持批量加工，并且，能够降低加工难度，提高加工效率。
可选地，所述调制单元包括但不限于以下至少一种调制单元：
相位片、空间光调制器或超表面器件。
在一种实现方式中，每个调制平面上的多个像素点离散分布。
在一种实现方式中，N≤64。
可选地，所述方法还包括：根据所述调制单元的参数，确定所述N的值，其中，所述调制单元的参数包括以下至少一种参数：调制单元的结构、调制单元的材料、调制单元的加工工艺。
从而能够灵活应对不同的应用场景，进一步提高本申请的实用性。
可选地，所述第一调制相位是N个候选调制相位中与所述目标调制相位的差值的绝对值最小的相位。
从而能够容易的从N个候选调制相位中确定第一调制相位。
可选地，所述根据所述目标调制相位，从N个候选调制相位中确定第一调制相位，包括：根据目标调制相位和第一偏移值，确定第一调制相位。
可选地，所述方法还包括：根据所述调制单元的参数，确定所述第一偏移值，其中，所述调制单元的参数包括以下至少一种参数：
调制单元的结构、调制单元的材料、调制单元的加工工艺。
从而能够灵活应对不同的应用场景，进一步提高本申请的实用性。
可选地，所述第一偏移值是根据第一系数和所述N个候选调制相位中相邻相位之间的相位间隔的乘积确定的。
可选地，所述第一系数的值大于0，且，所述第一系数的值小于或等于0.5。
可选地，所述第一系数是根据所述目标调制相位与第二调制相位之间的差值确定的，所述第二调制相位是N个候选调制相位中与所述目标调制相位的差值的绝对值最小的相位。
可选地，所述多个调制平面中相邻的两个调制平面之间填充有第一介质，所述第一介质的折射率与所述多平面光转换器所连接的光纤的折射率的差异在预设范围内。
在一种实现方式中，所述预设范围为[0，0.2]。
从而，相比于将多个调制平面直接放置在空气中，可以减小光在基底与空气界面上的反射，进一步提高本申请的多平面光转换器的效果和实用性。
可选地，所述第一介质的材料与所述光纤的材料相同，从而降低器件损耗。
可选地，所述第一介质的材料包括二氧化硅。
第二方面，提供一种多平面光转换器，其特征在于，包括多个调制平面，每个调制平面包括多个像素点，其中，第一调制平面中的第一像素点对应的调制单元是根据第一调制相位加工的，所述第一调制相位的值为n×2π/N中的一个值，n∈[1,N]，n为整数，N≥2。
可选地，所述调制单元包括但不限于以下至少一种调制单元：
相位片、空间光调制器或超表面器件。
在一种实现方式中，每个调制平面上的多个像素点离散分布。
在一种实现方式中，N≤64。
可选地，所述N的值是根据所述调制单元的参数确定的，其中，所述调制单元的参数包括以下至少一种参数：调制单元的结构、调制单元的材料、调制单元的加工工艺。
可选地，所述第一调制相位是根据所述第一像素点的目标调制相位确定的，所述第一调制相位是N个候选调制相位中与所述目标调制相位的差值的绝对值最小的相位。
可选地，所述第一调制相位是根据目标调制相位和第一偏移值确定的。
可选地，所述第一偏移值是根据所述调制单元的参数确定的，其中，所述调制单元的参数包括以下至少一种参数：调制单元的结构、调制单元的材料、调制单元的加工工艺。
可选地，所述第一偏移值是根据第一系数和所述N个候选调制相位中相邻相位之间的相位间隔的乘积确定的。
可选地，所述第一系数的值大于0，且，所述第一系数的值小于或等于0.5。
可选地，所述第一系数是根据所述目标调制相位与第二调制相位之间的差值确定的，所述第二调制相位是N个候选调制相位中与所述目标调制相位的差值的绝对值最小的相位。
可选地，所述多个调制平面中相邻的两个调制平面之间填充有第一介质，所述第一介质的折射率与所述多平面光转换器所连接的光纤的折射率的差异在预设范围内。
可选地，所述第一介质的材料与所述光纤的材料相同，从而降低器件损耗。
可选地，所述第一介质的材料包括二氧化硅。
第三方面，提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括：计算机程序(也可以称为代码，或指令)，当所述计算机程序被运行时，使得计算机执行所述第一方面及其各种可能实现方式中的方法。
第四方面，提供了一种计算机可读介质，所述计算机可读介质存储有计算机程序(也可以称为代码，或指令)当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述所述第一方面及其各种可能实现方式中的方法。
附图说明
图1是多平面光转换器的结构的一例的示意图。
图2是多平面光转换器的结构的另一例的示意图。
图3是多平面光转换器的结构的再一例的示意图。
图4是本申请的加工方法的一例的流程图。
图5是目标调制相位的确定过程的一例的流程图。
图6是N值与加工效率之间的关系的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
多平面光转换器(Multi-Plane Light Converter：MPLC)是一种空间模式转化的器件，在多个离散的平面处对空间传播的光束进行多次连续的波前变换从而实现模式的转变。
作为模式复用器时，多个单模光纤(Input SMF array)的模场作为输入经酉空间变换后可转化为多个正交的线性偏振的模式(Linearly Polarized Mode，LP)或厄米高斯模式(Hermite-Gaussian Mode，HG)模式，其中酉空间变换可通过在至少一个离散的平面处设置对应的超表面或相位片(Phase plate)或空间光调制器来实现光传输波前的连续变换，完成后通过少模或多模光纤输出。除此以外，多平面光转换器也可作为模式转换器以实现少模光纤中不同模式间的轮循。相比于其它模式复用/转换器，该方案的模式串扰相对较低。
本发明涉及的MPLC包括一个或多个平面(或者说，调制平面或相位调制平面)。
如图1所示，每个平面上分布(例如，离散分布)有多个像素点，每个像素点可引入不同的相位(或者说，调制相位)，以调制入射光场(或者说，入射光或输入光)。
其中，每个像素点上排布着一个或多个单元(或者说，调制单元)。
例如，该多个调制平面中的每个调制平面可以包括一个面状的基底。
其中，该基底起到承托作用调制单元的作用。
在一种实现方式中，该调制单元为设置在该基底上的空间光调制器。
在另一种实现方式中，该调制单元为通过例如蚀刻等方式形成在该基底上的相位片。
再另一种实现方式中，该调制单元为配置在该基底上的微纳结构，即，该配置有微纳结构基底形成为超表面。例如，该微纳结构可以为柱状结构。
如图2所示，该MPLC可采用透射式结构，即，输入光在透射穿过多个平面的过程中经过该多个平面的调制后形成符合要求的输出光。
或者，如图3所示，该MPLC可以采用反射式结构。
其中，该MPLC由一个反射式调制平面及一个反射器构成，或者，该MPLC由两个反射式调制平面构成。
从而，输入光在经过多个平面的反射的过程中经过调制平面的调制后形成符合要求的输出光。
在本申请中，相邻的两个调制平面之间配置有填充介质，其中，该填充介质的折射率与该MPLC所连接的光纤(例如，输入光纤或输入光纤)的折射率的偏差在预设范围内，例如，该预设范围为[0,0.2]。
在一种实施方式中，该填充介质的折射率与该MPLC所连接的光纤的折射率相同或近似相同。
或者，该填充介质的折射率与该MPLC所连接的光纤(例如，输入光纤或输入光纤)的材料相同。
例如，该填充介质的材料可以为二氧化硅。
从而，与不设置填充介质的情况(即，相邻的两个调制平面之间的介质为空气)相比，能够减小光在基底与空气界面上的反射。
应理解，以上列举的在相邻的两个调制平面之间配置有填充介质的方案仅为示例性说明，本申请并未限定于此，例如，相邻的两个调制平面之间的介质也可以是空气或基底的材料等。
下面，对上述调制单元的加工过程进行详细说明。
其中，如上所述MPLC所包括的各平面上的各调制单元的加工过程相似，以下，为了便于理解和区分，以针对MPLC的某一平面(记做平面#A，即第一调制平面的一例)上的某一像素点(记做，像素点#A，即，第一像素点A)对应的调制单元(记做调制单元#A，即，第一调制单元的一例)的加工过为例，结合图4对本申请的加工方法100进行详细说明。
如图4所示，在S110，计算机设备等可以计算调制单元#A对应的目标调制相位(记做，相位#A)。
其中，某一调制单元加工完成后，能够对所射入的光进行调制，该调制单元的目标相位可以理解为能够使经过MPLC调制后的光满足设计要求的相位。
例如，通过多个平面上不同像素点处不同的性质调制入射光场的振幅、相位等参数，入射光场和(期望得到的)目标光场分别沿正、反向传播，通过优化调节平面上的相位分布(或者说，优化调节平面上各调制单元的相位)，经过多次迭代，使得入射光场与目标光场匹配。
图5示出了该目标调制相位的计算过程的一例，如图5所示，首先，计算机设备等确定输入函数fi和输出函数bi(i＝1,2,3,……M)和待加工的MPLC的参数。
其中，fi可以理解为用于优化第i个平面的输入光场对应的函数，bi可以理解为用于优化第i个平面的输出的目标光场对应的函数。
并且，该fi和bi的获取或确定方式可以与现有技术相似，这里为了避免赘述，省略其详细说明。
MPLC的参数包括例如，MPLC所使用(或者说，包括)的平面个数M及相邻平面间的距离z等。
在计算过程中，模拟分别沿正向(光实际传播方向)、反向(传播方向的逆方向)传播fi和bi。
在MPLC采用透射式结构的情况下，当fi、bi分别传播至第i个平面的左右两侧时，使用例如，梯度下降算法等优化算法，对第i个平面上的相位分布进行优化，其中，使得fi通过第i个平面时与bi匹配，第i个平面优化完成后进行第i+1个平面优化，依此类推，当所有的平面都优化一遍之后，判断输入场到达输出位置时是否与目标光场足够匹配，若不满足要求，在此时得到的相位分布基础上再次重复整个优化过程，直到输出场与目标光场一致其中，i∈[1，M]。
在MPLC采用反射式结构的情况下，当fi、bi分别传播至第i个平面的入射光位置和反射光位置时，基于上述方式进行优化。
从而，可以根据经过上述优化后的各平面上的相位分布(即，各像素点对应的相位)，确定各位置上的调制单元的目标调制相位。
另外，该S110描述的确定目标调制相位的过程也可以与现有技术相同或相似，本申请并未特别限定。
在S120，计算机设备等根据如上所述确定的相位#A，从N个候选相位(或者说，候选调制相位)中，确定作为调制单元#A的加工相位的相位#B。
具体地说，在本申请中，可以将2π个相位划分为N等分，从而形成该N个候选相位。即，所述N个候选相位中的第n个候选调制相位的值为n×2π/N，n∈[1,N]，N≥2。
在本申请中，该N的值为有限值。
在一种实现方式中，该N的值的大小可以根据以下一种或多种参数决定：
1.待加工的调制单元的结构(或者说类型)
即，待加工的调制单元的结构(例如，结构的加工难度等)不同，使用的N的值的大小也不同。
例如，该结构可以包括但不限于空间光调制器结构、超表面结构(或者说，微纳结构)或相位片结构等。
在本申请中，不同结构对应的N的值的大小可以根据实验或管理员配置等方式确定。
2.待加工的调制单元的材料
即，待加工的调制单元的材料(例如，材料的加工难度等)不同，使用的N的值的大小也不同。
在本申请中，不同材料对应的N的值的大小可以根据实验或管理员配置等方式确定。
3.待加工的调制单元的加工工艺
即，待加工的调制单元的加工工艺(例如，加工复杂度、误差，倒角及谐振等)不同，使用的N的值的大小也不同。
在本申请中，不同加工工艺对应的N的值的大小可以根据实验或管理员配置等方式确定。
例如，该N的值可以根据实验获得。
具体地说，可以为N设置初始值，并根据本申请的方案进行调制单元的试做。
并根据试做结果，调节N的值。
例如，在使用透射式结构时，可以根据试做的调制单元的透射率小于规定的阈值(例如，90％)时，可以采用降低N值的方式进行调节。
再例如，在使用反射式结构时，可以根据试做的调制单元的反射率小于规定的阈值(例如，90％)时，可以采用降低N值的方式进行调节。
再例如，在试做的调制单元的加工误差敏感度较大的情况下，可以采用降低N值的方式进行调节。
再例如，在后述相位#A与相位#B相差较大时，可以采用降低N值的方式进行调节。
图6示出了经过试验获得的N的取值与加工效率的关系的示意图，如图6所示，不同规模的像素分布下，当N＝16时，加工效率的提升最为明显。当N的值超过64时，加工效率不再提升。因此，根据本申请提供的试验数据，在一种可能的实现方式中，该N的值的取值小于或等于64。在另一种可能的实现方式中，N的取值大于或等于16。
作为示例而非限定，在本申请中，可以采用以下任意一种方式确定相位#B。
方式1
计算机设备等计算N个候选相位中的每个候选相位与该相位#A的差的绝对值，进而获得N个绝对值(记做，绝对值#1)，该N个绝对值#1与该N个候选相位一一对应，每个绝对值#1是基于所述对应的候选相位确定的。
从而，可以根据所获得的N个绝对值#1，确定相位#B。
例如，可以将N个绝对值#1中最小绝对值对应的候选相位确定为相位#B。
应理解，以上列举的根据绝对值#1确定相位的方式仅为示例性说明，本申请并未特别限定，例如，也可以将N个绝对值#1中小于或等于阈值#1的任意一个绝对值对应的候选相位确定为相位#B，其中，该阈值#1可以由实验方式获得或管理员设定，本申请并未特别限定。再例如，也可以将N个绝对值#1按从小到大顺序排列，并将序号小于或等于阈值#2的任意一个绝对值对应的候选相位确定为相位#B，其中，该阈值#2可以由实验方式获得或管理员设定，本申请并未特别限定。
作为示例而非限定，设N＝36，则该N个候选相位分别为10°，20°，……，360°；
假设相位#A的值为68°，则相位#B为70°。
方式2
在本申请中，N个候选相位中的每个候选相位对应一个相位区间。
例如，相邻的两个相位之间的相位范围中，较小的一半相位范围可以属于该相邻的两个相位中较小的相位的相位区间，较大的一半相位范围可以属于该相邻的两个相位中较大的相位的相位区间。
具体地说，可以对于三个按大小顺序连续排列候选相位，按从小到大的顺序依次为相位#1、相位#2和相位#3，即，相位#1＜相位#2＜相位#3，则该相位#1与相位#2之间的相位范围为[X，Y]，其中，X为相位#1的值，Y为相位#2的值，则该相位#2与相位#3之间的相位范围为[Y，Z]，其中，Z为相位#3的值。
则该相位#2对应的相位区间可以为[(Y-X)/2,(Z-Y)/2)；
或者，该相位#2对应的相位区间可以为((Y-X)/2,(Z-Y)/2]。
从而，可以将该相位#A所属于的相位区间对应的相位作为相位#B。
方式3
计算机设备等可以根据相位#A与预设的偏移值#A(即，第一偏移值的一例)，确定相位#C。
其中，该相位#C可以为相位#A与偏移值#A之和，或者，该相位#C可以为相位#A与偏移值#A之差，本申请并未特别限定。
例如，计算机设备等计算N个候选相位中的每个候选相位与该相位#C的差的绝对值，进而获得N个绝对值(记做，绝对值#2)，该N个绝对值#2与该N个候选相位一一对应，每个绝对值#2是基于所述对应的候选相位确定的。
从而，可以根据所获得的N个绝对值#2，确定相位#B。
例如，可以将N个绝对值#2中最小绝对值对应的候选相位确定为相位#B。
应理解，以上列举的根据绝对值#2确定相位的方式仅为示例性说明，本申请并未特别限定，例如，也可以将N个绝对值#2中小于或等于阈值#3的任意一个绝对值对应的候选相位确定为相位#B，其中，该阈值#3可以由实验方式获得或管理员设定，本申请并未特别限定。再例如，也可以将N个绝对值#2按从小到大顺序排列，并将序号小于或等于阈值#4的任意一个绝对值对应的候选相位确定为相位#B，其中，该阈值#4可以由实验方式获得或管理员设定，本申请并未特别限定。
再例如，在本申请中，N个候选相位中的每个候选相位对应一个相位区间，从而，可以将该相位#C所属于的相位区间对应的相位作为相位#B。
下面，对该偏移值#A的确定方式进行详细说明。
在一种实现方式中，该偏移值#A可以是固定的。
即，对于相位#A的任意一种可能的值，所相加(或相减的)偏移值#A的大小相同。
作为示例而非限定，该偏移值#A的大小可以根据以下一种或多种参数决定：
1.待加工的调制单元的结构(或者说类型)
即，待加工的调制单元的结构(例如，结构的加工难度等)不同，在计算相位#B时使用的偏移值#A的大小也不同。
例如，该结构可以包括但不限于空间光调制器结构、超表面结构(或者说，微纳结构)或相位片结构等。
在本申请中，不同结构对应的偏移值#A的大小可以根据实验或管理员配置等方式确定。
2.待加工的调制单元的材料
即，待加工的调制单元的材料(例如，材料的加工难度等)不同，在计算相位#B时使用的偏移值#A的大小也不同。
在本申请中，不同材料对应的偏移值#A的大小可以根据实验或管理员配置等方式确定。
3.待加工的调制单元的加工工艺
即，待加工的调制单元的加工工艺(例如，加工复杂度、误差，倒角及谐振等)不同，在计算相位#B时使用的偏移值#A的大小也不同。
在本申请中，不同加工工艺对应的偏移值#A的大小可以根据实验或管理员配置等方式确定。
作为示例而非限定，设N＝36，则该N个候选相位分别为10°，20°，……360°。
假设相位#A的值为68°，偏移值#A为5°，则相位#B为70°。
在另一种实现方式中，该偏移值#A可以是可变的。
作为示例而非限定，影响偏移值#A的取值的因素可以包括但不限于以下一种或多种：
A.N个候选相位中相邻相位之间的相位间隔(记做，间隔#A)
B.相位#A的具体值。
C.N的具体值
例如，偏移值#A可以根据系数#A和间隔#A的乘积确定的。
其中，该系数#A可以是预设的固定值。
或者，该系数#A可以根据N个绝对值#1中最小绝对值(记做，绝对值#A)确定。
其中，该系数#A的大小与该绝对值#A的关系可以经过试验确定。
作为示例而非限定，该系数#A的取值范围可以为(0，0.5]。
作为示例而非限定，假设相位#A的值为68°，设N＝36，则该N个候选相位分别为10°，20°，……，360°。
设系数#A的值为0.2，则该偏移值#A的值为0.2×10°＝2°。
则相位#C＝68°+2°＝70°
在S130，加工设备等以如上所述确定的相位#B作为加工目标，对调制单元进行加工，以使该调制单元满足该相位#B的要求，其中，该过程可以与现有技术相似，这里为了避免赘述省略其详细说明。
本发明实施例可以用于模式复用功能的MPLC的加工过程。具体地说，由多个单模光纤产生多个单模经过MPLC可形成空间上重叠的目标高阶模，若产生的高阶模式为厄米高斯模式(Hermite-Gaussian Mode，HG mode)，则需要再次通过透镜组转换为线性偏振的模式(Linearly Polarized Mode，LP mode)，再收集到少模光纤中；若产生的高阶模式直接为LP mode，则无需使用透镜组进行转换，直接收集到少模光纤中。这里以10个模式复用为例进行设计，由单模光纤产生的10个单模的输入模式可以按照例如，三角形进行排列(需要说明的是，实际设计中不对排列方式提出要求)，入射单模的束腰半径为30um,相邻两行、相邻两列之间的距离为127um，目标HG mode的束腰半径均设为200um，选用7个平面，相邻两个平面之间距离为20mm，每个平面上有若干10um*10um大小的像素点，按照上述方法100对平面进行优化设计，以对应输出与目标模式之间的重叠积分表征两个模式的相似程度。重叠积分越大，表示输出的模式与理想目标模式越接近。当两个模式完全相同时，其重叠积分为1，两个模式完全不同，即相互正交时，其重叠积分为0。这里以10对输出模式与目标模式的重叠积分之和作为优化目标，理想情况下，重叠积分之和为10，越接近10表明输入场经过平面之后越接近理想模式。
优化过程中，对单个平面上的像素点个数及相位等级数进行测试，图6中展示了不同像素点、不同相位等级下得到的重叠积分之和，显然当像素点超过128*128时，重叠积分之和不会再有明显改善，当相位等级数为超过16时，最终结果提升较小，因此可选用128*128个像素，16个相位等级来完成设计。当该器件中的平面个数增加时，结果还可以得到更好的提升。
当各个平面上的相位分布确定之后，可以使用例如超表面结构或相位片来实现，也可使用空间光调制器来实现。超表面结构具有亚波长分辨率、易于集成、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)兼容等优点。对于空间光调制器，通过控制液晶分子对光场的振幅或相位进行调制，单个像素典型尺寸在几微米到十几微米之间。该MPLC器件也可由相位片实现，可工作在透射状态，或通过镀金属膜或加反射镜工作在反射状态下。相位片具有不规则的表面，通过积累光程实现相位调制。
这里以超表面结构的设计为例，将平面上的相位分布离散化，0-2π分为N份得到N个离散值为候选相位。在设计过程中，通常利用参数扫描法和粒子群优化算法，首先用参数扫描法根据经验设置结构周期L和结构高度h，而后改变结构的几何参数a和b得到其相位和幅度响应，来确定合适的周期L和结构高度，然后用粒子群算法，根据目标相位和幅度要求直接寻找对应的几何参数，而无需将所有几何尺寸对应的相位和振幅响应计算完成再从中进行挑选，从而减少计算量。当然，对于复杂的情况，还可设计自由度更高的结构以满足更多的要求，如要求结构相位响应对入射角度不敏感、对特定波段内的波长不敏感等。将优化得到的相位片中的像素点用上述结构代替，计算器件插入损耗和串扰完成设计。
针对本实施例10模复用的情况，选取SiO2基底周期为1um，微纳Si结构高度1um的单元为基本结构，由于每个平面上的像素大小为10um*10um,因此每个像素点上可以放置100个超表面单元，每个超表面单元通过改变微纳结构截面尺寸带来不同的相位。按照前述低相位等级数MPLC的设计方法进行优化设计，即可获得超表面单元结构及其透射率。表1列出了将2π分为16个等级(即，N＝16)对应的超表面单元结构及其透射率。这里使用的柱子为椭圆型，长轴、短轴分别代表结构沿x轴和y轴的半径。将优化得到的平面中的像素点用上述结构代替，器件的插入损耗约为-2.5dB。
表1
Figure BDA0002545945110000091
Figure BDA0002545945110000101
并且，本发明实施例也可以用于模式转换功能的MPLC。模式转换指的是入射的一个或多个模式信号经过MPLC器件后按照特定规则转换成为另外一个或多个传输模式的过程。其中，用于模式转换功能的MPLC共有M个平面，输入分别为LP01，LP11a和LP11b，经过MPLC的M次相位调制，将其依此转换为LP11a，LP11b和LP01，转换后的模式作为输出。由初始输入的模式LP01，LP11a和LP11b可以得到MPLC中第一次相位调制前的光场分布f1。由转换输出的模式LP11a，LP11b和LP01可以得到MPLC中第M次相位调制后的输出bM。在对MPLC优化的过程中，除已知的f1和bN，先初始化每次相位调制对应的输入输出光场fi和bi，此时可通过上述方法100的优化流程经算法优化计算得到此N个平面对应的相位调制，并根据相位优化的结果去设计特定的超表面或相位片或使用空间光调制器来实现特定的相位调制。表2所示为根据相位优化的结果设计的超表面上的微结构尺寸、形状、透射率。
表2
相位变化(π) a(nm) b(nm) t tmin 截面形状
0 800 606 0.99 0.97 椭圆
1/8 713 752 0.99 0.92 长方形
1/4 800 411 0.98 0.96 长方形
3/8 297 293 0.95 0.94 长方形
1/2 606 574 0.96 0.95 长方形
5/8 306 490 0.98 0.97 椭圆
3/4 286 400 0.98 0.95 长方形
7/8 283 457 0.98 0.95 长方形
1 221 344 0.94 0.92 十字
9/8 378 200 0.96 0.91 十字
5/4 190 287 0.98 0.96 椭圆
11/8 100 100 0.99 0.99 长方形
3/2 274 100 0.99 0.98 十字
13/8 388 100 0.97 0.97 长方形
7/4 214 590 0.99 0.99 长方形
15/8 229 570 0.99 0.99 长方形
表中，tmin代表结构在C波段(1530nm～1565nm)内最小的透过率，通过表格中的数据可以发现，所有的16个结构在C波段内都有较高的透射率，因此使用这16个微观结构实现的器件在整个C波段内都可以高效工作。使用上表中的结构进行设计，可以计算得到此时器件的透过率为85％，即插入损耗约为-0.7dB。
根据本申请的方案，由于加工目标属于有限个数的候选相位，较现有技术的加工目标在0～2π中的任意相位相比，能够降低器件成本和加工带来的误差，同时也降低对加工过程不必要的精度要求，能够支持批量加工，并且，能够降低加工难度，提高加工效率。
专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (25)

1.一种多平面光转换器的加工方法，其特征在于，所述多平面光转换器包括多个调制平面，每个调制平面包括多个像素点，所述方法包括：
确定第一调制平面中的第一像素点的目标调制相位；
根据所述目标调制相位，从N个候选调制相位中确定第一调制相位，其中，所述N个候选调制相位中的第n个候选调制相位的值为n×2π/N，n∈[1,N]，N≥2；
根据所述第一调制相位，加工所述的第一像素点对应的调制单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，N≤64。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述调制单元的参数，确定所述N的值，其中，所述调制单元的参数包括以下至少一种参数：
调制单元的结构、调制单元的材料、调制单元的加工工艺。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一调制相位是N个候选调制相位中与所述目标调制相位的差值的绝对值最小的相位。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标调制相位，从N个候选调制相位中确定第一调制相位，包括：
根据目标调制相位和第一偏移值，确定第一调制相位。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述调制单元的参数，确定所述第一偏移值，其中，所述调制单元的参数包括以下至少一种参数：
调制单元的结构、调制单元的材料、调制单元的加工工艺。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一偏移值是根据第一系数和所述N个候选调制相位中相邻相位之间的相位间隔的乘积确定的。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一系数的值大于0，且，所述第一系数的值小于或等于0.5。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述第一系数是根据所述目标调制相位与第二调制相位之间的差值确定的，所述第二调制相位是N个候选调制相位中与所述目标调制相位的差值的绝对值最小的相位。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个调制平面中相邻的两个调制平面之间填充有第一介质，所述第一介质的折射率与所述多平面光转换器所连接的光纤的折射率的差异在预设范围内。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一介质的材料与所述光纤的材料相同。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一介质的材料包括二氧化硅。
13.一种多平面光转换器，其特征在于，包括多个调制平面，每个调制平面包括多个像素点，其中，
第一调制平面中的第一像素点对应的调制单元是根据第一调制相位加工的，所述第一调制相位的值为n×2π/N中的一个值，n∈[1,N]，N≥2。
14.根据权利要求13所述的多平面光转换器，其特征在于，N≤64。
15.根据权利要求13或14所述的多平面光转换器，其特征在于，所述N的值是根据所述调制单元的参数确定的，其中，所述调制单元的参数包括以下至少一种参数：
调制单元的结构、调制单元的材料、调制单元的加工工艺。
16.根据权利要求13或14所述的多平面光转换器，其特征在于，所述第一调制相位是根据所述第一像素点的目标调制相位确定的，所述第一调制相位是N个候选调制相位中与所述目标调制相位的差值的绝对值最小的相位。
17.根据权利要求13或14所述的多平面光转换器，其特征在于，所述第一调制相位是根据目标调制相位和第一偏移值确定的。
18.根据权利要求17所述的多平面光转换器，其特征在于，所述第一偏移值是根据所述调制单元的参数确定的，其中，所述调制单元的参数包括以下至少一种参数：
调制单元的结构、调制单元的材料、调制单元的加工工艺。
19.根据权利要求17所述的多平面光转换器，其特征在于，所述第一偏移值是根据第一系数和所述N个候选调制相位中相邻相位之间的相位间隔的乘积确定的。
20.根据权利要求19所述的多平面光转换器，其特征在于，所述第一系数的值大于0，且，所述第一系数的值小于或等于0.5。
21.根据权利要求19或20所述的多平面光转换器，其特征在于，所述第一系数是根据所述目标调制相位与第二调制相位之间的差值确定的，所述第二调制相位是N个候选调制相位中与所述目标调制相位的差值的绝对值最小的相位。
22.根据权利要求13或14所述的多平面光转换器，其特征在于，所述多个调制平面中相邻的两个调制平面之间填充有第一介质，所述第一介质的折射率与所述多平面光转换器所连接的光纤的折射率的差异在预设范围内。
23.根据权利要求22所述的多平面光转换器，其特征在于，所述第一介质的材料与所述光纤的材料相同。
24.根据权利要求22所述的多平面光转换器，其特征在于，所述第一介质的材料包括二氧化硅。
25.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序运行时，
使得装置执行如权利要求1至12中任意一项所述的方法。
CN202010560000.2A 2020-06-18 2020-06-18 多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器 Active CN113820853B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010560000.2A CN113820853B (zh) 2020-06-18 2020-06-18 多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010560000.2A CN113820853B (zh) 2020-06-18 2020-06-18 多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113820853A CN113820853A (zh) 2021-12-21
CN113820853B true CN113820853B (zh) 2022-09-23

Family

ID=78911738

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010560000.2A Active CN113820853B (zh) 2020-06-18 2020-06-18 多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113820853B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116224475B (zh) * 2023-03-10 2024-03-08 天津大学 光转换器及光转换系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108803292A (zh) * 2018-05-28 2018-11-13 中国科学院大学 一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8427725B2 (en) * 2007-10-19 2013-04-23 Seereal Technologies S.A. Light modulating device
WO2019125306A1 (en) * 2017-12-21 2019-06-27 Agency For Science, Technology And Research Optical device and method of forming the same
CN108663740B (zh) * 2018-06-06 2020-05-26 武汉大学 基于电介质纳米砖超材料的线偏振光起偏器及制备方法
AU2019288154A1 (en) * 2018-06-19 2020-12-24 Baylor University Metasurface on optical fiber and related method
CN109143567A (zh) * 2018-10-18 2019-01-04 南方科技大学 一种反射式超构表面主镜、辅镜和望远镜系统
CN110647024B (zh) * 2019-10-30 2020-10-09 武汉大学 一种基于超表面阵列结构实现迂回相位编码复用的方法
CN111007587B (zh) * 2019-11-23 2022-04-12 重庆大学 一种全介质、宽带偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108803292A (zh) * 2018-05-28 2018-11-13 中国科学院大学 一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113820853A (zh) 2021-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chang et al. An ultracompact multimode waveguide crossing based on subwavelength asymmetric Y-junction
EP1577687B1 (en) Wave transmission medium and waveguide circuit
Levy et al. Length reduction of tapered N x N MMI devices
KR102350191B1 (ko) 광학 위상 어레이들
Fontaine et al. Design of high order mode-multiplexers using multiplane light conversion
WO2013160902A1 (en) System and method for mode division multiplexing
CN111819480B (zh) 用于转换光束的光模式的光子器件
CN113820853B (zh) 多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器
CN112180592B (zh) 一种用于光学逆向设计的快速优化方法
Sun et al. Numerical analysis of apodized fiber Bragg gratings using coupled mode theory
Han et al. Solid-state photonics-based lidar with large beam-steering angle by seamlessly merging two orthogonally polarized beams
Okamoto et al. Fabrication of large scale integrated-optic N* N star couplers
Jia et al. Silicon-on-insulator-based optical demultiplexer employing turning-mirror-integrated arrayed-waveguide grating
Zhou et al. In-plane resonant excitation of quantum dots in a dual-mode photonic-crystal waveguide with high β-factor
CN111025467B (zh) 一种基于硅基超材料的可调谐光学微分器
Nuck et al. 3D photonic integrated 4x4 multi-mode interference coupler
Georgieva et al. A physical origin of cross-polarization and higher-order modes in two-dimensional (2D) grating couplers and the related device performance limitations
Ye et al. Realization of inversely designed metagrating for highly efficient large angle beam deflection
WO2023091245A1 (en) Optical routing network-based quantum array control
Palatnick et al. Prospects for metasurfaces in exoplanet direct imaging systems: from principles to design
Heshmati et al. Numerical investigations of 2-D optical free-form couplers for surface connections of photonic integrated circuits
Rahman et al. Design and optimization of photonic devices and optical fibers for space-division multiplexing
Hu et al. Progress and prospects of silicon-based design for optical phased array
Teixeira et al. General multimode polarization splitter design in uniaxial media
Farooque et al. Analysis of supermode properties in three-core homogeneous strongly coupled multicore fiber

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant