片上空间光调制器、散射聚焦系统及光调制方法与流程

1.本技术涉及光调制设备技术领域，特别是涉及一种片上空间光调制器、散射聚焦系统及光调制方法。


背景技术：

2.空间光调制器（spatial light modulator—slm）是一类能在空间上调制光的强度和相位分布的一种动态光学元件。空间光调制器是需要根据一个目标调制图案通过电信号将光信号投射到调制器上产生光场分布，从而调制成为目标调制图案。最主要的空间光调制器是液晶空间光调制器。可广泛应用到光计算、模式识别、信息处理、显示等领域，具有广阔的应用前景。
3.传统液晶空间光调制器是通过sml空间光调制器 光学元件来实现调制的，其调制速度是有限的，随着应用需求的提高，传统液晶空间光调制器越来越不能满足高速调制的需求。并且成本较高。
4.这是因为液晶这种材料的响应速度低，耐受功率低。液晶这种材料收到调制电信号之后到做出需要的改变的速度。耐受功率指的是液晶这种材料可以承受的最高功率，也是可以给液晶空间光调制器施加的最高功率另一方面，需要额外的光路，空间光调制系统的复杂度非常高，调制成本较为高昂。因此，迫切需求一种可以实现高速的空间光调制功能，且调制成本较低的空间光调制结构。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对传统空间光调制器无法满足高速调制的需求，成本高以及复杂度高的问题，提供一种集成于光学芯片之上的片上空间光调制器。
6.本技术提供一种片上空间光调制器，所述片上空间光调制器集成于一个光学芯片之上，包括：至少一个输入波导；至少一个调制器，每一个调制器承载于一个输入波导之上；散射结构，包括边缘层和核心层；所述边缘层为围绕所述核心层且贴紧所述核心层设置的片层结构；所述核心层的底面与所述边缘层的底面平齐，所述核心层的高度大于或等于所述边缘层的高度；每一个输入波导均与所述边缘层固定连接；所述核心层包括：镂空层，设置为镂空形状；填充层，填充于所述镂空层的缝隙处；所述镂空层与所述填充层紧密结合，以形成所述核心层。
7.进一步地，所述核心层为一个长方体片层，所述边缘层为在中心区域开设有开口的长方体片层，所述开口为长方形，所述核心层嵌入所述开口；所述开口的四条边分别与所
述边缘层的四条边平行。
8.进一步地，所述边缘层的折射率大于所述填充层的折射率，所述填充层的折射率大于1，所述镂空层的折射率大于所述填充层的折射率且所述镂空层的折射率小于或等于所述边缘层的折射率。
9.进一步地，呈相互平行关系的开口的边与边缘层的边之间的间距位于大于0且小于等于50微米的数值范围内。
10.进一步地，所述边缘层的高度位于大于等于100纳米且小于等于1微米之间的数值范围内。
11.进一步地，所述核心层的高度大于所述边缘层的高度，且所述核心层的度与所述边缘层的高度的高度差位于大于0且小于等于2微米的数值范围内。
12.进一步的，所述核心层的高度等于所述边缘层的高度，所述镂空层的高度位于大于等于50纳米且小于等于边缘层高度的数值范围内。
13.进一步地，所述调制器包括：强度调制器，用于调整进入输入波导的输入光的振幅；相位调制器，用于调整进入输入波导的输入光的相位。
14.本技术涉及一种片上空间光调制器，通过在光学芯片上集成由镂空层和填充层组成的核心层来实现高速的空间光调制。由于是集成在光学芯片上，可以将核心层与其他光学器件集成在一起，不需要设置额外的光路，降低空间光调制系统的复杂度，同时波导连接的复杂度较低，从而使得整个片上空间光调制器的成本大大降低。
15.本技术还提供一种散射聚焦系统，包括：多个光源，每一个光源用于发射一束输入光；如前述内容提及的片上空间光调制器，所述片上空间光调制器中的每一个输入波导与一个光源相对设置，以接收所述光源发射的输入光；所述片上空间光调制器对每一束输入光进行调制，以生成调制后的光信号，所述调制后的光信号从核心层的顶面输出；控制器，与所述片上空间光调制器通信连接，所述控制器用于设置与调控每一个调制器的属性。
16.本技术涉及一种散射聚焦系统，通过向片上空间光调制器中不同的输入波导输入不同的输入光，并通过控制器调控输入波导上调制器的属性，使得各个输入波导中光场可以叠加产生复合光，最终输出复合光完成调制并从片上空间光调制器中核心层的顶面输出，发射率高且成本低。
17.本技术还提供一种光调制方法，应用于如前述内容提及的散射聚焦系统，所述光调制方法包括：通过控制器设置目标空间光模式，通过控制器将所述目标空间光模式分解为各个输入波导的输出模式，所述目标空间光模式可以由输入波导输出模式展开为如公式1所示形式；
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公式1；其中，为目标空间光模式，n为输入波导的序号，为序号为n的输入
波导的输出模式，为序号为n的输入波导的输出模式中的振幅，为序号为n的输入波导的输出模式中的相位，i是虚数单位；控制器读取各个输入波导的输出模式，依据所述目标空间光模式和各个输入波导的输出模式，以及公式1，计算各个输入波导的输出模式中的振幅和相位；控制器依据各个输入波导的输出模式中的振幅和相位，调整与各个输入波导对应的调制器的参数；开启每一个输入波导对应的光源，输出经各个输入波导对应的调制器调制后的光信号叠加后形成的光信号。
18.本技术涉及一种光调制方法，通过对于给定的目标空间光模式，通过不同的输入波导输入不同的光信号，并调节各个输入波导中光场的振幅和相位来叠加产生复合光信号，相对于传统的空间光调制器对单个像素单元的调制，本技术中的片上空间调制器是对不同的独立输出模式的调制，且不同的独立输出模式是线性无关的，不会产生互相串光或互相扰乱影响，可以精确地实现目标空间光模式的完美输出。
附图说明
19.图1为本技术一实施例提供的核心层的高度大于边缘层的高度的片上空间光调制器的结构示意图。
20.图2为图1提供的片上空间光调制器的一种实施例的剖面图，其中镂空层的高度和填充层的高度相等。
21.图3为图1提供的片上空间光调制器的另一种实施例的剖面图，其中镂空层的高度大于填充层的高度。
22.图4为本技术一实施例提供的核心层的高度等于边缘层的高度的片上空间光调制器的结构示意图。
23.图5为图4提供的片上空间光调制器的剖面图。
24.图6为本技术一实施例提供的片上空间光调制器中边缘层的俯视图。
25.图7为本技术另一实施例提供的片上空间光调制器中边缘层的俯视图。
26.图8为本技术一实施例提供的片上空间光调制器的各输入波导对应的发射效率数据图。
27.图9为单一输入波导的输入光信号在散射结构内的光场传播图与相应的辐射远场图。
28.图10为多个输入波导复合叠加后生成的光信号在散射结构内的光场传播图与相应的辐射远场图。
29.图11为本技术一实施例提供的散射聚焦系统的结构示意图。
30.图12为本技术一实施例提供的光调制方法的流程示意图。
31.附图标记：10-光源；20-片上空间光调制器；210-输入波导；220-调制器；230-散射结构；231-边缘层；231a-边缘层的顶面；231b-边缘层的边；231c-边缘层的底面；231d-第一边；231e-第二边；231f-第三边；231g-第四边；232-核心层；232a-核心层的顶面；232b-核心层的底面；
232c-核心层的边；233-镂空层；234-填充层；235-开口；236-开口的边；236a-第五边；236b-第六边；236c-第七边；236d-第八边；30-控制器。
具体实施方式
32.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
33.本技术提供一种片上空间光调制器20。需要说明的是，本技术提供的片上空间光调制器20适用于任何调制场景，尤其适用于高速调制场景。
34.如图1、图2和图3所示，在本技术的一实施例中，所述片上空间光调制器20集成于一个光学芯片（图中未画出）之上。片上空间光调制器20包括至少一个输入波导210、至少一个调制器220和散射结构230。
35.每一个调制器220承载于一个输入波导210之上。所述散射结构230包括边缘层231和核心层232。所述边缘层231为围绕所述核心层232且贴紧所述核心层232设置的片层结构。所述核心层232的底面232b与所述边缘层231的底面231c平齐，所述核心层232的高度大于或等于所述边缘层231的高度。每一个输入波导210均与所述边缘层231固定连接。
36.所述核心层232包括镂空层233和填充层234。所述镂空层233设置为镂空形状。所述填充层234填充于所述镂空层233的缝隙（缝隙图中未示出）处。所述镂空层233与所述填充层234紧密结合，形成所述核心层232。
37.具体地，输入波导210的总数量大于等于1。调制器220的总数量也大于等于1。调制器220的总数量与输入波导210的总数量相同，也即，每一个输入波导210之上设置一个调制器220。
38.通过设置输入波导210，可以使得片上空间光调制器20的精确度维持在一个较高的水平。所述输入波导210的数量越多，输入波导210对应的独立输出模式越多，可以越精确地实现目标空间光模式（或者说是越精确的完成目标调制图案）。相应的，成本也会越高。
39.可选地，在一种实施例中，所述输入波导210的数量可以为16。
40.本技术中的片上空间光调制器20是集成于一个光学芯片之上的，这代表至少一个输入波导210、至少一个调制器220和散射结构230均集成于光学芯片之上。由于本技术的核心层232是集成于光学芯片之上的，免去设置额外光路的麻烦，因此整个散射结构230尺寸非常小。
41.镂空层233的形状可以不规则。图1仅仅是一种示意性的实施例。
42.如图1和图2所示，当核心层233的高度大于所述边缘层231的高度时，可以理解，由于所述核心层232的底面232b与所述边缘层231的底面231c平齐，因此此时核心层233相对于边缘层231的顶面231a凸起一定高度，凸起部分的高度为核心层232的高度与边缘层231的高度之间的高度差。
43.如图4和图5所示，当核心层233的高度等于述边缘层231的高度时，边缘层231的顶面231a和核心层232的顶面232a平齐。可选地，当核心层233的高度等于述边缘层231的高度时，可以认为是对一整块边缘层231进行刻蚀，进而产生镂空层233和镂空层233的缝隙，再向镂空层233的缝隙填充材料，最终形成填充层234。
44.本实施例中，通过在光学芯片上集成由镂空层233和填充层234组成的核心层232来实现高速的空间光调制。由于是集成在光学芯片上，可以将核心层232与其他光学器件集成在一起，不需要设置额外的光路，降低空间光调制系统的复杂度，同时和输入波导210连接的复杂度较低，从而使得整个片上空间光调制器的成本大大降低。
45.如图3，图4和图6所示，在本技术的一实施例中，所述核心层232为一个长方体片层。所述边缘层231为在中心区域开设有开口235的长方体片层。所述开口235为长方形。所述核心层232嵌入所述开口235。所述开口235的四条边分别与所述边缘层231的四条边平行。
46.具体地，所述核心层232可以为一个长度与宽度相等的长方体。可选地，所述核心层232的顶面232a为正方形。调制后的光信号从所述核心层232的顶面232a输出。
47.如图6和图7所示，图6和图7为边缘层231的俯视图，边缘层231的俯视图可以展示边缘层231的顶面231a。如图6所示，边缘层231的中心区域开设有开口235。如图7所示，边缘层231具有第一边231d，第二边231e，第三边231f和第四边231g。开口235具有第五边236a，第六边236b，第七边236c和第八边236d。
48.第一边231d和第五边236a平行。第二边231e和第六边236b平行。第三边231f和第七边236c平行。第四边231g和第八边236d平行。第一边231d和第五边236a之间的间距d1，第二边231e和第六边236b之间的间距d2，第三边231f和第七边236c之间的间距d3，第四边231g和第八边236d之间的间距d4，可以互不相等。当然，d1，d2，d3和d4也可以彼此均相等。
49.可选地，每一个输入波导210的高度可以均相同，所述边缘层231的高度与所述输入波导210的高度也可以相同。输入波导210的高度即图1中的h1。所述边缘层231的高度即图1中的h2。
50.在本技术的一实施例中，所述边缘层231的折射率大于所述填充层234的折射率，所述填充层234的折射率大于1，所述镂空层233的折射率大于所述填充层234的折射率且所述镂空层233的折射率小于或等于所述边缘层231的折射率。
51.具体地，所述填充层234的折射率为n2，所述边缘层231的折射率为n1，所述镂空层233的折射率为n3。这里的折射率指的是材料的折射率。那么本实施例中，需要满足一个折射率的条件n1＞1，n1＞n2＞1，n2＜n3≤n1。
52.本技术是基于伴随方法（adjoint method）的逆设计算法确定核心层232的具体结构，具体方法如下：w100，预设一个镂空层233。预先选取填充层234的材料类型和镂空层233的材料类型。
53.可以理解，填充层234的折射率 n2和镂空层233的折射率n3就是已知的。n2和n3需要满足n2＞1，n2小于n3，即满足折射率的条件，因为所述边缘层231的折射率n1初始未知，因此这里折射率的条件没有与n1有关的内容。
54.w200，预设逆设计区域，将逆设计区域为核心层232。设置探测平面位于逆设计区域上方2微米处，覆盖逆设计区域的顶面。
55.其中，探测平面是一个虚拟平面，它位于逆设计区域的上方。探测平面的面积大于核心层232的顶面232a的表面积，这被称之为探测平面“覆盖”逆设计区域的顶面。
56.w300，预设出射光场能量的目标函数，该目标函数的表达式设置为公式2。
57.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式2其中，为空间向量。为电场函数。为磁场函数。为探测平面的序号。
58.此外，还设置一个f的预设目标值f
0 。
59.w400，在逆设计区域内产生一个随机的结构。
60.具体地，设置填充层234的材料质量比例，以及镂空层233的材料质量比例，以在逆设计区域内产生一个随机的结构。例如填充层234的材料质量比例为45%，镂空层233的材料质量比例为55%。
61.w400，基于公式2进行多次模拟操作，不断更新f的值，直至f的值等于f的预设目标值f0。
62.每一次模拟模拟分为两步，正向模拟和伴随模拟。先执行正向模拟，再执行伴随模拟。
63.其中，正向模拟包括：w411，对所有输入波导210的端口设置模拟光源，模拟光源用于对输入波导输入一个单模光场。进一步地，利用fdtd（时域有限差分）方法，得到探测平面内各点的电场函数的数值和磁场函数的数值，以及得到逆设计区域内各点的电场函数的数值和磁场函数的数值。为了方便后续计算，正向模拟中得出的电场函数记为，正向模拟中得出的磁场函数记为。
64.w412，根据目标函数f的表达式（参见公式1），探测平面内各点的电场函数的数值和磁场函数的数值，以及逆设计区域内各点的电场函数的数值和磁场函数的数值，计算伴随过程的模拟光源的入光场值，计算公式为公式3。
65.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式3其中，μ0为真空磁导率。为第一参数，为第二参数。
66.其中，伴随模拟包括：w421，以探测平面作为光源输入，其输入光场值由正向模拟确定，探测平面的区域内每个点的光场输入等效为一个电偶极子和磁偶极子，电偶极子大小和方向为正向模拟公式3中的，磁偶极子大小和方向为正向模拟公式3中的。
67.具体地，本步骤中，将探测平面作为光源输入。探测平面的光场属性可以通过公式3计算。
68.w422，利用fdtd方法，得到逆设计区域中每一个点的电场值。伴随模拟中得出的电场值记为，的算法同的算法。进一步根据公式4 可以得到目标函数在逆设计区域内各单位区域的梯度值。
69.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式4其中，为逆设计区域内各单位区域的梯度值。α为和材料折射率有关的系数，具体α和n2和n3都有关。本步骤实质上是根据梯度下降原理改变逆设计区域内各单位区域的折射率。
70.具体地，本步骤将逆设计区域分为多个区域，每一个区域为一个小格。本步骤根据梯度下降原理改变逆设计区域内各单位区域的折射率。
71.w430，根据逆设计区域内各单位区域改变后的折射率计算f，得到一次模拟操作后的f。
72.在本技术的一实施例中，呈相互平行关系的开口的边与边缘层的边之间的间距位于大于0且小于等于2微米的数值范围内。
73.具体地，如图7所示，d1，d2，d3和d4可以均位于大于0且小于等于2微米的数值范围内。
74.当然，d1， d2，d3和d4可以相等，均为1微米。
75.在本技术的一实施例中，所述边缘层231的高度位于大于等于100纳米且小于等于1微米之间的数值范围内。
76.具体地，所述边缘层231的高度可以为220纳米。所述边缘层231的高度即图1中的h2。
77.在本技术的一实施例中，所述核心层232的高度大于所述边缘层231的高度，且所述核心层232的高度与所述边缘层231的高度的高度差位于大于0且小于等于2微米的数值范围内。
78.具体地，本实施例中，所述核心层232的高度大于所述边缘层231的高度，即图1所示的，核心层233相对于边缘层231的顶面231a凸起一定高度的实施例。此时，所述核心层232的高度与所述边缘层231的高度具有一定的高度差，即图1中的h3。
79.可选地，所述核心层232的高度与所述边缘层231的高度的高度差可以为600纳米。
80.我们已知核心层232包括镂空层233和填充层234。可选地，镂空层233和填充层234的高度可以相等，如图2所示。可选地，镂空层233的高度也可以大于填充层234的高度，如图3所示。
81.图1绘制有剖面线a-a，图2和图3均是图1中的剖面图。
82.在本技术的一实施例中，所述核心层232的高度等于所述边缘层231的高度，所述镂空层233的高度位于大于等于50纳米且小于等于边缘层231高度的数值范围内。
83.本实施例中，所述核心层232的高度等于所述边缘层231的高度，即相当于对一整块边缘层231进行刻蚀，进而产生镂空层233和镂空层233的缝隙，再向镂空层233的缝隙填充材料，最终形成填充层234的技术方案。
84.本实施例中，所述镂空层233的高度位于大于等于50纳米且小于等于边缘层231高度的数值范围内。请参见图5，图5示出的实施方式中，所述镂空层233的高度h4小于边缘层231高度h2。
85.在本技术的一实施例中，所述调制器220包括强度调制器和相位调制器。所述强度调制器用于调整进入输入波导210的输入光的振幅。所述相位调制器用于调整进入输入波
导210的输入光的相位。
86.具体地，强度调制器和相位调制器未在本技术的附图中示出。
87.本实施例中，通过设置输入波导210，可以使得片上空间光调制器20的精确度维持在一个较高的水平。
88.本技术还提供一种散射聚焦系统。
89.如图11所示，在本技术的一实施例中，所述散射聚焦系统包括多个光源10，前述内容提及的片上空间光调制器20和控制器30。
90.每一个光源10用于发射一束输入光。所述片上空间光调制器20中的每一个输入波导210与一个光源10相对设置，以接收所述光源10发射的输入光。所述片上空间光调制器20对每一束输入光进行调制，以生成调制后的光信号。调制后的光信号从核心层232的顶面232a输出。所述控制器30与所述片上空间光调制器20通信连接。所述控制器30用于设置与调控每一个调制器220的属性。
91.具体地，如图8所示，16个输入波导210输入后的发射效率用柱状图表示，虚线为37%的发射效率线，可以看出16个输入波导210输入后的发射效率均大于37%且大部分大于40%，可以达到非常高的发射效率。
92.本实施例中，通过向片上空间光调制器20中不同的输入波导210输入不同的输入光，并通过控制器30调控输入波导210上调制器220的属性，使得各个输入波导210中光场可以叠加产生复合光，最终输出复合光完成调制并从片上空间光调制器20中核心层232的顶面232a输出，发射率高且成本低。
93.本技术还涉及一种光调制方法。
94.此外，本技术提供的光调制方法不限制其执行主体。可选地，本技术提供的光调制方法的执行主体可以为前述内容提及的散射聚焦系统。
95.如图12所示，在本技术的一实施例中，所述光调制方法包括如下s100至s400：s100，通过控制器30设置目标空间光模式，通过控制器30将所述目标空间光模式分解为各个输入波导210的输出模式，所述目标空间光模式可以由输入波导输出模式展开为如公式1所示形式。
96.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1其中，为目标空间光模式。n为输入波导210的序号。为序号为n的输入波导210的输出模式。为序号为n的输入波导210的输出模式中的振幅。为序号为n的输入波导210的输出模式中的相位。i是虚数单位。
97.s200，控制器30读取各个输入波导210的输出模式，依据所述目标空间光模式和各个输入波导210的输出模式，以及公式1，计算各个输入波导210的输出模式中的振幅和相位。
98.s300，控制器30依据各个输入波导210的输出模式中的振幅和相位，调整与各个输入波导210对应的调制器220的参数。
99.s400，开启每一个输入波导210对应的光源10，输出经各个输入波导210对应的调制器220调制后的光信号叠加后形成的光信号。
100.具体地，这段文字由于要涉及输入波导的序号，因此不加入输入波导的序号“210”了，避免混淆。如图9是3号输入波导，5号输入波导，11号输入波导和15号输入波导在单独作用时的光场传播图与相应的辐射远场图，即单根波导的光场传播图与辐射远场图。图9中，上方的图片（a）（b）（c）（d）均是光场传播图，下方的图片（e）（f）（g）（h）均是辐射远场图。
101.图10是3号输入波导和11号输入波导复合，3号输入波导和5号波导复合时的光场传播图与相应的辐射远场图。具体地，图10（a）中，输入波导3和输入波导11输入电场振幅，相位都相同。图10（b）中输入波导3和输入波导11输入电场振幅相同，相位相反。图10（c）中输入波导3和5输入电场振幅、相位都相同。图10（d）中输入波导3和输入波导5的输入电场振幅相同，相位相反。与图9相同，图10中，上方的图片（a）（b）（c）（d）均是光场传播图，下方的图片（e）（f）（g）（h）均是辐射远场图。图9和图10中的ux，uy可看做是空间向量向三维空间坐标系x-y-z的x-y平面投影后，投影图像的x坐标和y坐标。与球坐标θ，φ有如下关系：ux=sinθcosφ，uy=sinθsinφ。
102.采用ux，uy坐标是为了方便展示辐射远场图。
103.可以看出，明显复合后的光场分布有明显的变化，代表产生了振幅和相位的叠加效果，可以用于调制。
104.本实施例中，通过对于给定的目标空间光模式，通过不同的输入波导210输入不同的光信号，并调节各个输入波导210中光场的振幅和相位来叠加产生复合光信号，相对于传统的空间光调制器对单个像素单元的调制，本技术中的片上空间光调制器20是对不同的独立输出模式的调制，且不同的独立输出模式是线性无关的，不会产生互相串光或互相扰乱影响，可以精确地实现目标空间光模式的完美输出。
105.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，各方法步骤也并不做执行顺序的限制，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
106.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。