一种实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片的制作方法

本发明涉及一种薄膜铌酸锂波导阵列，尤其涉及一种实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片。

背景技术：

1、铌酸锂材料是一种铁电材料。薄膜铌酸锂是最近发展起来的一种光子芯片的基础材料，具有优异的电光效应、高折射率以及非线性等性能，目前应用于下一代的电光调制器中，有望实现高达thz的调制速度。而薄膜铌酸锂的微加工工艺也随之逐渐成熟。目前已有商用的薄膜铌酸锂调制器出售。薄膜铌酸锂的电光效应很强，半波电压不足1v，由于电流很小因此功耗基本可以忽略。此外，铌酸锂中掺杂稀土离子，还可实现片上的激光发射，结合电光调制、非线性频率转换、量子光学等效应，是替代硅光子芯片的下一代光子芯片的有力竞争者。光子芯片的优势是，光的传输远超过电子，例如10mm长的光波导中光的传输仅有33ps，意味着有望实现thz的光计算速度。

2、傅里叶变换是数学中的一种常用算法，被广泛应用于科学研究、光谱分析、图像处理、人工智能等方面。目前实现傅里叶变换的方法主要依靠电子计算机，受限于摩尔定律，目前主流的中央处理器(cpu)的运算速度为ghz量级，对于n维快速傅里叶变换(fft)算法需要的时间为2^n量级，例如对于n＝1024的fft，5ghz速度的cpu需要约1ms量级，而n＝10240的fft则需要1×1024ms≈1s。光学透镜是实现傅里叶变换的另外一种方法，但是光学透镜的体积和重量都无法集成在芯片中，因此使用芯片难以实现物理上的全光傅里叶变换。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本发明提出一种可实现傅里叶变换的光子芯片，能够实现全光傅里叶变换，通过薄膜铌酸锂芯片设计来实现全光傅里叶变换算法，提高了傅里叶变换的速度。

2、技术方案：本发明所采用的技术方案是一种实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，包括两个铌酸锂波导阵列和平面波导，其中第一铌酸锂波导阵列的输入信号是位相一致的激光，第一铌酸锂波导阵列中设有调制装置，所述调制装置用于调制波导中的激光位相；第一铌酸锂波导阵列和平面波导之间的传输界面为弧形截面，弧形截面用于产生透镜的波前调制；第二铌酸锂波导阵列的前端面处于弧形截面的傅里叶面上，所述弧形截面的傅里叶面是指弧形截面所在的平面波导所形成透镜的焦平面，第二铌酸锂波导阵列输出激光的光强信号即为输入信号的傅里叶变换结果。

3、所述调制装置包括调制电极和接地电极，调制电极设于第一铌酸锂波导阵列中待调制波导的上方，接地电极设于衬底与待调制波导之间，接地电极的电位为零。

4、共n条调制电极分别与第一铌酸锂波导阵列中的波导顺次相连，每条调制电极仅与一条波导相连；n条调制电极的一端排列形成斜线，每条调制电极所处电位相同，波导中的激光位相的调制为：

5、

6、式中，δφn表示第n条波导中额外附加相位，no表示o光折射率，γ22表示电光系数，ex表示x方向的电场强度，l表示第一铌酸锂波导阵列上覆盖的调制电极延波导传输方向上的长度，λ表示激光真空波长。

7、弧形截面所在的平面波导所形成透镜的焦距为：

8、

9、式中，f为弧形截面所在的平面波导所形成透镜的焦距，r为弧形截面的曲率半径，n1表示第一铌酸锂波导阵列中波导的折射率，n2表示平面波导的折射率。

10、如果弧形截面顶点到第二铌酸锂波导阵列的前端面的距离不等于焦距f，则通过对波导阵列中的位相进行补偿，使弧形截面所在的平面波导所形成的透镜成为焦距为f的凹透镜；补偿方法包括：首先将第一铌酸锂波导阵列中的调制电压设为零，等效于平面波入射，然后再调整每条波导中的位相，直到第二铌酸锂波导阵列中的中心波导的光强不为零，而其他波导的光强为零。

11、输入信号通过第一光纤阵列(3)或者第一光栅阵列(4)输入至第一铌酸锂波导阵列(1)，所述光栅阵列将具有统一位相的激光通过布拉格衍射传输至第一铌酸锂波导阵列中；第一铌酸锂波导阵列(1)中每根波导中激光的光强度可调，调制方式包括：第一光纤阵列中每根光纤中的激光强度通过光线调制器进行调制；或者，第一光栅阵列上每一路光线的激光强度通过液晶光调制器进行调制。

12、第二铌酸锂波导阵列(2)的输出激光通过第二光纤阵列(9)或者第二光栅阵列(8)输出。

13、两个铌酸锂波导阵列是通过衬底与薄膜铌酸锂进行键合，再通过光刻、刻蚀工艺制备形成。

14、第一铌酸锂波导阵列(1)和调制电极(5)的上方设有保护层。

15、有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：本发明实现了片上的傅里叶变换专用芯片，而且通过光学设计，其计算速度大大超过传统的cpu。本发明采用了薄膜铌酸锂条形波导阵列弧形截面，从而得到傅里叶频谱，并通过条形波导进行采集。本发明的可实现全光计算(调制电极仅为引入静态的偏置电压)，避免了引入电光转换而降低运算速度。

技术特征：

1.一种实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，其特征在于：包括两个铌酸锂波导阵列和平面波导，其中第一铌酸锂波导阵列(1)的输入信号是位相一致的激光，第一铌酸锂波导阵列(1)中设有调制装置，所述调制装置用于调制波导中的激光位相；第一铌酸锂波导阵列(1)和平面波导(7)之间的传输界面为弧形截面(6)，弧形截面(6)用于产生透镜的波前调制；第二铌酸锂波导阵列(2)的前端面处于弧形截面的傅里叶面上，所述弧形截面的傅里叶面是指弧形截面所在的平面波导所形成透镜的焦平面，第二铌酸锂波导阵列(2)输出激光的光强信号即为输入信号的傅里叶变换结果。

2.根据权利要求1所述的实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，其特征在于：所述调制装置包括调制电极(5)和接地电极(11)，调制电极(5)设于第一铌酸锂波导阵列中待调制波导的上方，接地电极(11)设于衬底与待调制波导之间，接地电极的电位为零。

3.根据权利要求1所述的实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，其特征在于：共n条调制电极(5)分别与第一铌酸锂波导阵列(1)中的波导顺次相连，每条调制电极仅与一条波导相连；n条调制电极(5)的一端排列形成斜线，每条调制电极(5)所处电位相同，波导中的激光位相的调制为：

4.根据权利要求1所述的实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，其特征在于：弧形截面所在的平面波导所形成透镜的焦距为：

5.根据权利要求1所述的实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，其特征在于：如果弧形截面顶点到第二铌酸锂波导阵列的前端面的距离不等于焦距f，则通过对波导阵列中的位相进行补偿，使弧形截面所在的平面波导所形成的透镜成为焦距为f的凹透镜；补偿方法包括：首先将第一铌酸锂波导阵列中的调制电压设为零，等效于平面波入射，然后再调整每条波导中的位相，直到第二铌酸锂波导阵列中的中心波导的光强不为零，而其他波导的光强为零。

6.根据权利要求1所述的实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，其特征在于：输入信号通过第一光纤阵列(3)或者第一光栅阵列(4)输入至第一铌酸锂波导阵列(1)，所述光栅阵列将具有统一位相的激光通过布拉格衍射传输至第一铌酸锂波导阵列中；第一铌酸锂波导阵列(1)中每根波导中激光的光强度可调，调制方式包括：第一光纤阵列中每根光纤中的激光强度通过光线调制器进行调制；或者，第一光栅阵列上每一路光线的激光强度通过液晶光调制器进行调制。

7.根据权利要求1所述的实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，其特征在于：第二铌酸锂波导阵列(2)的输出激光通过第二光纤阵列(9)或者第二光栅阵列(8)输出。

8.根据权利要求1所述的实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，其特征在于：两个铌酸锂波导阵列是通过衬底与薄膜铌酸锂进行键合，再通过光刻、刻蚀工艺制备形成。

9.根据权利要求1所述的实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，其特征在于：第一铌酸锂波导阵列(1)和调制电极(5)的上方设有保护层。

技术总结
本发明公开了一种实现全光傅里叶变换的铌酸锂光子芯片，包括两个铌酸锂波导阵列和平面波导，其中第一铌酸锂波导阵列的输入信号是位相一致的激光，第一铌酸锂波导阵列中设有调制装置，所述调制装置用于调制波导中的激光位相；第一铌酸锂波导阵列和平面波导之间的传输界面为弧形截面，弧形截面用于产生透镜的波前调制；第二铌酸锂波导阵列的前端面处于弧形截面的傅里叶面上，所述弧形截面的傅里叶面是指弧形截面所在的平面波导所形成透镜的焦平面，第二铌酸锂波导阵列输出激光的光强信号即为输入信号的傅里叶变换结果。

技术研发人员：尹志军,许家荣,谢家玉,叶志霖,汤济,吕新杰
受保护的技术使用者：南京南智先进光电集成技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5