一种全光调制的双波长单通光开关实现系统

本发明属于超表面的光场调制相关，更具体地，涉及一种全光调制的双波长单通光开关实现系统。

背景技术：

1、光开关是一种能够在光信号中实现高速开关和控制的关键元件，具有在光通信、光计算和光传感等领域广泛应用的潜力。光开关具有光通信网络中的光路选择、波长转换和光包交换等功能，提高了光通信网络的传输效率和可靠性。在光计算中，光开关可以用于光信号的路由和处理，实现光信号的高速处理和传输。传统的光开关主要依赖于电约束或热约束来实现光信号的调控。然而，这些方法存在着能耗高、速度慢、尺寸大等缺点，限制了其在集成光路等领域的应用。

2、近年来，全光调制技术作为一种新型的光控制方式，逐渐引起了人们的关注。全光调制技术利用光学效应直接对光信号进行调制，无需借助电调制或热调制，具有速度快、能耗低、尺寸小、易集成等优点，被认为是下一代光通信和光计算中的重要技术方向。然而，目前全光调制技术在实际应用中仍面临着一些挑战，其中之一就是全光调制无法对多个波长同时进行调制的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，解决全光调制方案无法对多个不同波长同时进行开关状态各异的调制的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，该系统包括依次设置的光源单元、光线预处理单元、第一分束器、物镜、待测样品、第一透镜和探测单元，其中：

3、所述光源单元中设置有三束不同波长的光线，两束为工作光，一束作为调制光，所述光线预处理单元用于对三束不同的光线合束后进行预处理，然后将预处理后汇聚在所述分束器上，所述第一分束器用于将来自所述光线预处理单元的光透射至所述物镜，所述物镜用于将光线照射在待测样品表面；待测样品将光线反射后经过所述物镜回到所述第一分束器，所述第一分束器将光线反射进入所述第一透镜，从该第一透镜出射的平行光线进入所述探测单元，所述探测单元用于测量所述工作光和调制光的光强；

4、所述待测样品上设置有呈阵列分布的立方体的纳米结构，测量过程中调节所述调制光的功率改变照射在待测样品表面光线的辐射功率密度，进而改变待测样品的温度，进一步改变待测样品的散射强度，从而调节探测单元中两束工作光的光强，同时通过设置纳米结构的结构尺寸保证两束光光强的变化趋势相反，以此实现调制光对两束不同波长的工作光开和关过程的调制。

5、进一步优选地，所述待测样品的基底为绝缘体上硅结构，所述纳米结构设置在该绝缘体上硅结构上。

6、进一步优选地，所述光线预处理单元包括依次设置的散斑消除单元、偏振片和第二透镜，所述散斑消除单元用于消除光束中的散斑噪声，实现光束的匀化处理，所述偏振片用于调整光束的偏振态，所述第二透镜用于将来自偏振片的光线汇聚进入所述分束器。

7、进一步优选地，所述散斑消除单元包括第三透镜、退散斑组件和第四透镜，所述第三透镜用于将来自光源单元的光汇聚进入所述散斑组件，所述退散斑组件用于消除散斑，所述第四透镜用于将来自所述散斑组件的光线转化为平行光束出射。

8、进一步优选地，所述探测单元包括第二分束器、第三分束器、第一探测模块、第二探测模块和第三探测模块，所述第二分束器设置在所述第一透镜的后方，用于将从所述第一透镜出射的光线分为两束，一束进入所述第一探测模块，一束进入所述第三分束器，该第三分束器也用于将光线分为两束，一束进入所述第二探测模块，一束进入所述第三探测模块。

9、进一步优选地，所述第一探测模块、第二探测模块和第三探测模块的结构相同，均包括滤波片和探测器，所述滤波片用于滤波选定特定波长的光，所述探测器用于接受从滤波器出射的光。

10、进一步优选地，所述光源单元中设置有第一工作光光源，第二工作光光源和调制光光源，所述调制光光源的后方设置有功率调节器，用于调节所述调制光的功率。

11、进一步优选地，所述第一工作光光源和第二工作光光源后方分别设置有第五分束器和第四分束器，所述功率调节器的后方设置有反射镜，用于将调制光光线反射进入所述第四分束器，该第四分束器用于将第二工作光和调制光反射进入所述第五分束器，该第五分束器用于将第一工作光，第二工作光和调制光合束为一束光。

12、进一步优选地，所述纳米结构的结构尺寸按照下列方式确定：

13、(a)根据两束所述工作光开和关的状态确定各自对应的纳米结构的散射截面的变化趋势，常开状态对应散射截面下降的趋势，常关的状态对应散射截面上升的趋势；

14、(b)构建纳米结构的散射截面和纳米结构的结构尺寸之间一一对应的数据库，所述纳米结构的结构尺寸包括纳米结构的长、宽和高；

15、(c)在步骤(b)中的数据库中寻找使得两束工作光的散射截面变化趋势相反时对应的纳米结构的结构尺寸。

16、进一步优选地，在步骤(b)中，所述纳米结构散射截面按照下列公式进行计算：

17、

18、其中，csca_b是纳米结构的背散射截面，l、w和h分别是纳米结构的长、宽和高，λ是波长，εp和εm分别是纳米结构和环境的复介电常数，θ是背散射探测角。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

20、1.本发明中采用阵列的纳米结构和不同波长的三束光，通过三束光中的调制光调节整个光束的辐射功率密度，间接控制纳米结构表面的温度，进而调整纳米结构的折射率系数，导致纳米结构的散射截面发生变化，由此改变纳米结构反射光线中不同波长光的散射强度，同时通过设置纳米结构的尺寸控制两束工作光的开和关的状态，以此实现调制光对两束不同波长的工作光开关状态各异的调制；

21、2.本发明的纳米结构的结构尺寸的设定根据两束不同波长的工作光确定，同时该结构特征需保证量两束工作光形成的散射截面的变化趋势相反，进一步才能保证两束工作光光强的变化趋势相反；

22、3.本发明待测样品的基底为绝缘体，其基底具有较低的导热系数，能够降低纳米结构所吸收热能的耗散，使顶层纳米结构产生显著的温升；

23、4.本发明采用三束不同波长的光束，两束被调制的光束具有不同的波长，保证两光束能够处于相反的开关状态，实现单通的功能；第三束功率可控的调制光与前两光束波长不同，能确保后续探测过程中调制光束与被调制光束良好分离，避免调制光束和被调制光束之间光强信号重叠；

24、5.本发明能够实现对两个不同波长的光信号进行独立调制和控制，采用全光调制方法，利用材料本身的光热调谐特性，具有双波长同时控制的优势，为实现高速、低能耗的光开关提供了新的思路和方法。

技术特征：

1.一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，该系统包括依次设置的光源单元、光线预处理单元、第一分束器、物镜、待测样品、第一透镜和探测单元，其中：

2.如权利要求1所述的一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，所述待测样品(214)的基底为绝缘体上硅结构，所述纳米结构设置在该绝缘体上硅结构上。

3.如权利要求1或2所述的一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，所述光线预处理单元包括依次设置的散斑消除单元、偏振片(210)和第二透镜(211)，所述散斑消除单元用于消除光束中的散斑噪声，实现光束的匀化处理，所述偏振片(210)用于调整光束的偏振态，所述第二透镜(211)用于将来自偏振片的光线汇聚进入所述分束器。

4.如权利要求3所述的一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，所述散斑消除单元包括第三透镜(207)、退散斑组件(208)和第四透镜(209)，所述第三透镜(207)用于将来自光源单元的光汇聚进入所述散斑组件(208)，所述退散斑组件(208)用于消除散斑，所述第四透镜(209)用于将来自所述散斑组件的光线转化为平行光束出射。

5.如权利要求1或2所述的一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，所述探测单元包括第二分束器(216)、第三分束器(219)、第一探测模块、第二探测模块和第三探测模块，所述第二分束器(216)设置在所述第一透镜(215)的后方，用于将从所述第一透镜(215)出射的光线分为两束，一束进入所述第一探测模块，一束进入所述第三分束器，该第三分束器(219)也用于将光线分为两束，一束进入所述第二探测模块，一束进入所述第三探测模块。

6.如权利要求5所述的一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，所述第一探测模块、第二探测模块和第三探测模块的结构相同，均包括滤波片和探测器，所述滤波片用于滤波选定特定波长的光，所述探测器用于接受从滤波器出射的光。

7.如权利要求1或2所述的一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，所述光源单元中设置有第一工作光光源(200)，第二工作光光源(201)和调制光光源(202)，所述调制光光源(202)的后方设置有功率调节器(203)，用于调节所述调制光的功率。

8.如权利要求7所述的一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，所述第一工作光光源(200)和第二工作光光源(201)后方分别设置有第五分束器(206)和第四分束器(205)，所述功率调节器(203)的后方设置有反射镜(204)，用于将调制光光线反射进入所述第四分束器(205)，该第四分束器(205)用于将第二工作光和调制光反射进入所述第五分束器(206)，该第五分束器(206)用于将第一工作光，第二工作光和调制光合束为一束光。

9.如权利要求7所述的一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，所述纳米结构的结构尺寸按照下列方式确定：

10.如权利要求9所述的一种全光调制的双波长单通光开关实现系统，其特征在于，在步骤(b)中，所述纳米结构散射截面按照下列公式进行计算：

技术总结
本发明属于超表面的光场调制相关技术领域，并公开了一种全光调制的双波长单通光开关实现系统。该系统包括依次设置的光源单元、光线预处理单元、第一分束器、物镜、待测样品、第一透镜和探测单元，光源单元中设置有三束不同波长的光线，光线预处理单元对三束不同的光线合束后进行预处理，然后将预处理后汇聚在分束器上，第一分束器用于将来自光线预处理单元的光透射至物镜，物镜用于将光线照射在待测样品表面；待测样品将光线反射后经过物镜回到第一分束器，第一分束器将光线反射进入第一透镜，从该第一透镜出射的平行光线进入探测单元，探测单元用于测量工作光和调制光的光强；通过本发明，实现调制光对两个不同波长的光信号进行独立调制和控制。

技术研发人员：刘世元,张劲松,欧阳新萍,朱金龙
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/28