CN114624874A - 基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于芯片集成光路的光纤‑空间光通信信号转换方法，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：一方面，通过照射覆盖在传输波导表面的二维层状材料产生自由载流子、改变传输波导折射率、调制光纤通信载波的步骤实现自由空间光通信信号向光纤通信信号的转换；另一方面，通过高非线性波导内非线性波长转换及光栅耦合器输出的方式，实现光纤通信信号向自由空间光通信信号的转换。本发明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。
Description
技术领域
本发明属于集成光学、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-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-空间光通信信号转换方法、系统及存储介质。
背景技术
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。
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-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。
发明内容
基于现有技术的问题，本发明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。
为了达到上述效果，本发明提供的基于芯片集成光路的光纤-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。
优选的，上述方法具体包括：
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。
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。
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。
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。
优选的，上述方法具体包括：
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；
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；
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。
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。
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。
一种实现如上述基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法的系统，包括：
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；
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。
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。
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。
与现有技术相比，本发明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
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明光纤-自由空间光通信信号转换器结构示意图；
图2示出了本发明光纤-自由空间光通信信号转换实施方式示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明提供一种基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法的实施例，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。
本发明提供一种基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法的实施例，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。
在一些实施例中，自由载流子通过双光子吸收效应在传输波导内产生。
在一些实施例中，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。
在一些实施例中，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。
本发明提供一种基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法的实施例，包括：
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；
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；
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。
在一些实施例中，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。
在一些实施例中，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。
本发明提供一种实现如上述基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法的系统实施例，包括：
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；
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。
如图1所示，本发明提供了一种芯片集成光纤-自由空间光通信信号转换器结构示意图。图中左侧，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；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(强度调制)向光纤通信信号(相位调制)的转换。图中右侧，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(强度调制)向自由空间光通信信号(强度调制)的转换。
如图2所示，提供了光纤-自由空间光通信信号转换的具体实施方式，光纤通信信号和自由空间光通信信号均为强度调制：Y波段光纤通信载波(脉冲序列)通过光栅耦合器输入硅基波导并通过光学分束器分至马赫增特干涉仪两臂，X波段自由空间光通信信号沿垂直于芯片方向照射到马赫增特干涉仪一臂，通过二维层状材料覆层光电效应(PEE)或波导双光子吸收效应(TPA)产生自由载流子并调制光纤通信信号载波相位分布，经过相位调制的光纤通信载波和未经过相位调制的光纤通信载波干涉形成强度调制光纤通信信号；另一方面，Z波段泵浦光场通过光栅耦合器和定向耦合器输入光纤通信信号所在波导，通过四波混频效应(FWM)生成强度调制的自由空间光通信信号(X、Y、Z波段波长应满足能量守恒定律
)，最后通过光栅耦合器将自由空间光通信信号研垂直芯片方向输出。
本发明还提供一种实施例，包括：
S201、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；
S202、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；
S203、芯片集成光路制备工艺应尽可能简化，即所有器件厚度一致、除标准刻蚀工艺和材料转移工艺外没有其他操作步骤；
S204、自由空间光通信信号将按照二维层状材料(传输波导)→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，光纤通信信号可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。
本发明提供了一种基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法的实施例，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。
在一些实施例中，芯片集成滤波器，通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、能够作为非线性介质产生非线性效应等，芯片集成波导所用材料平台包括但不限于绝缘体上硅、载氢非晶硅、氮化硅、碳化硅、硫系玻璃、高折射率石英、三五族铝镓砷、三五族磷化铟等，即可采用单一材料集成方法，也可采用多材料混合集成方法。芯片集成波导还可以但不强制要求具备以下特性：能在特定波段光场照射下产生自由载流子、自由载流子浓度变化能够改变折射率等。
在一些实施例中，二维层状材料，通过生长工艺控制结构参数、能够通过标准工艺无损转移至芯片集成波导表面并实现紧密贴合、能够产生光电效应在光场作用下产生自由载流子(直接带隙)、能够以晶体结构和层状厚度为自由度精确调控性能参数，二维层状材料包括但不限于石墨烯和二硫化钼等过渡金属硫化物。
在一些实施例中，自由空间光通信信号向光纤通信信号转换，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、模式等，不限定波导结构参数、不限定二维层状材料结构参数和转移方式、不限定自由空间光通信信号会聚到二维层状材料或波导表面的具体实施方式，不限定两类光通信信号工作波长、特征参数、功率指标和应用场景。
在一些实施例中，光纤通信信号向自由空间光通信信号转换，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；非线性效应类型包括但不限于四波混频、频率上转换和光学倍频等，泵浦光场既可以是连续光也可以是脉冲光，不限定泵浦光场、光纤通信信号和自由空间光通信信号的工作波长，作为非线性介质的波导结构包括但不限于条形波导、高品质因数微环腔、光子晶体慢光波导、二维层状材料非线性增强波导和周期极化波导等。此外，一定功率水平的自由空间光通信信号通过非线性效应转换为光纤通信信号、光纤通信信号通过自由载流子调制生成自由空间光通信信号也在权利要求范围内。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
首先，本发明提出了一种全新的光纤通信信号和自由空间光通信信号互转换方法，为自由空间光通信系统和光纤通信系统提供了全光直连链路；
其次，本发明没有用到探测器和光源，大幅降低了系统复杂度、提升了信号转换效率、规避了芯片集成探测器和芯片集成光源的制备工艺难题，特别是通过二维层状材料提升了自由空间光通信信号的接收灵敏度，系统结构简单、器件易于制备、综合性能可靠；
此外，本发明为光场调控提供了全新思路，相关设计理念有望在全光信号波长转换、机固互联全光通信网络中得到广泛应用。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于芯片集成光路的光纤-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-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-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-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-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。
6.根据权利要求1或2所述的基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法，其特征在于，所述方法具体包括：
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；
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；
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。
7.根据权利要求1所述的基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法，其特征在于，所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。
8.根据权利要求1所述的基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法，其特征在于，所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。
9.一种实现如权利要求1-8所述基于芯片集成光路的光纤-空间光通信信号转换方法的系统，包括：
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；
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。
10.一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权利要求1-8任一项所述方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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