光學(xué)時(shí)域微分器與皮秒級(jí)光脈沖時(shí)域微分集成光子回路的研究進(jìn)展介紹

　　在光域中對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算（如微積分運(yùn)算）通常需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后利用數(shù)字電路或者模擬電路進(jìn)行電子信號(hào)處理，然后再轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。然而隨著光信號(hào)帶寬越來越大，光電轉(zhuǎn)換的帶寬受到限制，無法進(jìn)行電信號(hào)處理，此時(shí)采用純光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)運(yùn)算可以有效避免電子元件的帶寬限制。

　　光學(xué)時(shí)域微分器作為可以解決電子瓶頸用于光計(jì)算和光網(wǎng)絡(luò)的全光信號(hào)處理的基本器件之一，是對(duì)任意光信號(hào)的復(fù)包絡(luò)進(jìn)行微分的運(yùn)算單元，在超快信號(hào)產(chǎn)生、超高速編碼和脈沖整形等諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。其中光學(xué)微分器的工作帶寬是衡量微分器性能的重要指標(biāo)之一，早前我們發(fā)現(xiàn)了光子微分器存在工作帶寬下限這個(gè)事實(shí)，而眾多學(xué)者主要追求的微分器帶寬上限這個(gè)指標(biāo)，國際上報(bào)道的最大帶寬是25THz，其主要采用了光纖耦合定向耦合器結(jié)構(gòu)，然后在集成光子學(xué)領(lǐng)域人們采用各種諧振器件實(shí)現(xiàn)了最大帶寬為500GHz的微分器，如何在集成光子微分器領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展到THz帶寬并沒有解決方案。

　　定向耦合器可以在光纖上和集成波導(dǎo)上制備，那么通過集成波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的定向耦合器是否具有大的工作帶寬呢？帶著這個(gè)疑問，武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室光電子器件與集成功能實(shí)驗(yàn)室張新亮教授、董建績(jī)教授和碩士生黃田利進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，他們通過模擬定向耦合器的傳輸幅度譜和相位譜，分析了硅基定向耦合器具有THz帶寬的特性，并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硅基定向耦合器實(shí)現(xiàn)一階微分的功能。該實(shí)驗(yàn)中通過輸入脈寬分別為2.8ps、4ps、6ps、8ps、10ps的類高斯脈沖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分別得到了相應(yīng)的一階微分結(jié)果，并分析了不同輸入脈沖的處理誤差和相對(duì)能量效率。該實(shí)驗(yàn)得到了帶寬為1.25THz的硅基器件的光學(xué)時(shí)域微分器，在超高速的光信號(hào)處理中具有非常重要的作用。

　　2015年12月1日，該研究成果“ 基于硅基定向耦合器的太赫茲帶寬的微分器（Terahertz-bandwidth photonic temporal differentiator based on a silicon-on-isolator directional coupler）”發(fā)表在Optics Letters（Vol.40.No.23.pp.5614-5617.2015）上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金 （Grant No. 61475052， Grant No. 11174096） ，973項(xiàng)目（Grant No. 2011CB301704），教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（Grant No. NCET-11-0168）和優(yōu)秀博士論文基金（Grant No. 201139）的支持。

　　圖1 （a）硅基定向耦合器的金相顯微鏡圖；硅基定向耦合器的SEM圖（b）彎曲波導(dǎo)（c）耦合平行波導(dǎo)（d）光子晶體光柵