相变光子器件的空间光操控方法及装置

本发明属于微纳光子器件，尤其是一种相变光子器件的空间光操控方法及装置。

背景技术：

1、光子器件具有高计算并行度、高计算速度等优势，在逻辑计算和神经形态计算应用上具有非常重要的前景。受益于光子的玻色子物理本质，光子之间无相互作用力也几乎没有干扰，不同波长的光可以同时在光路中进行传输和通讯，在上百g赫兹的调制频率下，光子仍然可以获得稳定的调制和信息传递，结合光学偏振和模式的并行潜力更可以实现超高并行度的计算。

2、相变材料与光子器件的集成则为可重构集成光子学计算带来了更广阔的前景。相变材料目前都基于硫系化合物，其在室温下可以表现出两种具有不同微观结构性质的状态，即晶态或非晶态。可以通过电学或光学的方式产生的热脉冲使相变材料在纳秒时间尺度上完成状态的切换。同时相变材料的光学模式与纳米光子波导接近，两者具有很好的适配性。这使得光子器件的功耗更低，能效进一步提升，更可以适用于非易失、可重构的神经形态计算。

3、相变光子器件的操控方式主要分为光操控和电操控两种类型。电操控主要通过电流产生的焦耳热对器件进行晶化与非晶化的切换，但由于金属材料对计算光具有强烈的吸收，一般需要借助光学性质与波导模式匹配的导电材料对器件进行加热，也就造成了其电阻无法做到很小，加热效率受到很大的限制。光调制通常通过光的倏逝耦合即被限制在波导中的光进行调制，相较外部加热器的方案更加方便简洁，加热效率也更高，可以实现更快速(～ns)的器件状态切换。然而，随着阵列规模的扩大，操控布线将更加复杂，会对进一步提高计算密度带来困难。并且片上光调制高度依赖于材料的光吸收，因此大面积(～μm)的器件通常很难以这种方式进行完全切换，因为光强会沿着器件本身衰减，当光到达器件的后端时，它可能携带的能量不足以达到相变阈值。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种相变光子器件的空间光操控方法及装置。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

3、一方面，本发明提出一种相变光子器件的空间光操控方法，包括：

4、确定所需的脉冲波形，生成具有所需脉冲波形的泵浦光；

5、泵浦光通过二维光纤阵列从上方照射到相变光子器件上，对相变光子器件进行晶化与非晶化的状态操控；

6、生成测试光，测试光通过二维光纤阵列和光栅耦合器进入相变光子器件，再通过光栅耦合器和二维光纤阵列引出相变光子器件并采集所述引出的光信号，将所述光信号转换为电信号并记录。

7、另一方面，本发明提出一种相变光子器件的空间光操控装置，包括：

8、泵浦激光源，用于产生所需波长的泵浦光；

9、电光调制控制模块，用于控制泵浦光的光强以及控制所述泵浦光的脉冲波形，产生所需脉冲波形的泵浦光；

10、二维光纤阵列，具有所需脉冲波形的泵浦光通过二维光纤阵列从上方照射到相变光子器件上，对相变光子器件进行晶化与非晶化的状态操控；

11、测试激光源，用于产生所需波长的测试光；

12、所述测试光通过二维光纤阵列和光栅耦合器进入相变光子器件，再通过光栅耦合器和二维光纤阵列引出相变光子器件，引出的光信号入射至光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，再通过数据采集卡记录。

13、进一步地，本发明所述装置还包括第一可调衰减器以及第一偏振控制器，所述测试激光源输出的测试光经第一可调衰减器调节能量，并经过第一偏振控制器调整其偏振。

14、进一步地，本发明所述装置还包括第一滤波器，从二维光纤阵列引出的光信号在入射光电探测器之前由第一滤波器滤除测试光波长外其他波长的杂波。

15、进一步地，本发明所述装置还包括第二可调衰减器以及第二偏振控制器，所述泵浦激光源输出的泵浦光经第二可调衰减器调节能量，并经过第二偏振控制器调整其偏振。

16、进一步地，本发明所述电光调制控制模块包括电光强度调制器、信号发生器以及偏置控制器，所述泵浦光输入电光强度调制器，所述电光强度调制器由偏置控制器和信号发生器共同控制，通过偏置控制器将经泵浦光的光强控制在最弱光强；所述信号发生器波形控制光脉冲的波形，产生所需的任意形状的操控脉冲，使经电光强度调制器输出的泵浦光为所需脉冲波形的泵浦光。

17、进一步地，本发明所述装置还包括放大器，用于对电光强度调制器输出的泵浦光的功率进行放大。

18、进一步地，本发明所述装置还包括第二滤波器，设置在电光调制控制模块之后的光路上，用于滤除泵浦光波长外其他波长的杂波，经第二滤波器滤波之后有所需脉冲波形的泵浦光通过二维光纤阵列从上方照射到相变光子器件上，对相变光子器件进行晶化与非晶化的状态操控。

19、相对于现有技术，本发明能够产生的有益技术效果是：

20、根据操控需要可以产生具有所需脉冲波形的泵浦光，便于状态操控；

21、采用空间光顶部照射的方式对相变光子器件进行加热和切换，使相变光子器件的状态切换效果更好，速度更快。

22、本发明中的泵浦光是作为操控光，泵浦光的光强、脉冲波形等可调，能够根据需要调整照射到相变光子器件的泵浦光的光强、脉冲波形。本发明这种采用从计算阵列平面外引入操控光的方法，减少了阵列中布线的复杂度，降低了光路中由于布线带来的损耗。

23、采用二维光纤阵列的方案实现相变光子器件的空间光原位操控，提升了器件测试的准确性和效率，更实现了大器件面积、多器件相互独立的状态操控。

技术特征：

1.相变光子器件的空间光操控方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的相变光子器件的空间光操控方法，其特征在于，所述泵浦光的波长为1550nm，所述测试光的波长为1560nm。

3.相变光子器件的空间光操控装置，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的相变光子器件的空间光操控装置，其特征在于，所述泵浦光的波长为1550nm，所述测试光的波长为1560nm。

5.根据权利要求3或4所述的相变光子器件的空间光操控装置，其特征在于，还包括第一可调衰减器以及第一偏振控制器，所述测试激光源输出的测试光经第一可调衰减器调节能量，并经过第一偏振控制器调整其偏振。

6.根据权利要求5所述的相变光子器件的空间光操控装置，其特征在于，还包括第一滤波器，从二维光纤阵列引出的光信号在入射光电探测器之前由第一滤波器滤除测试光波长外其他波长的杂波。

7.根据权利要求3或4或6所述的相变光子器件的空间光操控装置，其特征在于，还包括第二可调衰减器以及第二偏振控制器，所述泵浦激光源输出的泵浦光经第二可调衰减器调节能量，并经过第二偏振控制器调整其偏振。

8.根据权利要求7所述的相变光子器件的空间光操控装置，其特征在于，所述电光调制控制模块包括电光强度调制器、信号发生器以及偏置控制器，所述泵浦光输入电光强度调制器，所述电光强度调制器由偏置控制器和信号发生器共同控制，通过偏置控制器将经泵浦光的光强控制在最弱光强；所述信号发生器波形控制光脉冲的波形，产生所需的任意形状的操控脉冲，使经电光强度调制器输出的泵浦光为所需脉冲波形的泵浦光。

9.根据权利要求7所述的相变光子器件的空间光操控装置，其特征在于，还包括放大器，用于对电光强度调制器输出的泵浦光的功率进行放大。

10.根据权利要求7所述的相变光子器件的空间光操控装置，其特征在于，还包括第二滤波器，设置在电光调制控制模块之后的光路上，用于滤除泵浦光波长外其他波长的杂波，经第二滤波器滤波之后有所需脉冲波形的泵浦光通过二维光纤阵列从上方照射到相变光子器件上，对相变光子器件进行晶化与非晶化的状态操控。

技术总结
本发明提出一种相变光子器件的空间光操控方法及装置，包括：确定所需的脉冲波形，生成具有所需脉冲波形的泵浦光；泵浦光通过二维光纤阵列从上方照射到相变光子器件上，对相变光子器件进行晶化与非晶化的状态操控；生成测试光，测试光通过二维光纤阵列和光栅耦合器进入相变光子器件，再通过光栅耦合器和二维光纤阵列引出相变光子器件并采集所述引出的光信号，将所述光信号转换为电信号并记录。本发明这种采用从计算阵列平面外引入操控光的方法，减少了阵列中布线的复杂度，降低了光路中由于布线带来的损耗。

技术研发人员：宋兵,李清江,孙振源,张亨宇,徐晖,刘森,王伟,刘海军,曹荣荣,王义楠,陈长林,李智炜,刁节涛,王玺,于红旗,王琴,布凯,李楠
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16