光學時域微分器與皮秒級光脈沖時域微分集成光子回路的研究進展介紹

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

　　光學時域微分器作為可以解決電子瓶頸用于光計算和光網(wǎng)絡的全光信號處理的基本器件之一，是對任意光信號的復包絡進行微分的運算單元，在超快信號產(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用。其中光學微分器的工作帶寬是衡量微分器性能的重要指標之一，早前我們發(fā)現(xiàn)了光子微分器存在工作帶寬下限這個事實，而眾多學者主要追求的微分器帶寬上限這個指標，國際上報道的最大帶寬是25THz，其主要采用了光纖耦合定向耦合器結(jié)構(gòu)，然后在集成光子學領(lǐng)域人們采用各種諧振器件實現(xiàn)了最大帶寬為500GHz的微分器，如何在集成光子微分器領(lǐng)域進一步擴展到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上制備，那么通過集成波導實現(xiàn)的定向耦合器是否具有大的工作帶寬呢？帶著這個疑問，武漢光電國家實驗室光電子器件與集成功能實驗室張新亮教授、董建績教授和碩士生黃田利進行理論和實驗驗證，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，并且實驗驗證了硅基定向耦合器實現(xiàn)一階微分的功能。該實驗中通過輸入脈寬分別為2.8ps、4ps、6ps、8ps、10ps的類高斯脈沖進行實驗驗證，分別得到了相應的一階微分結(jié)果，并分析了不同輸入脈沖的處理誤差和相對能量效率。該實驗得到了帶寬為1.25THz的硅基器件的光學時域微分器，在超高速的光信號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基金 （Grant No. 61475052， Grant No. 11174096） ，973項目（Grant No. 2011CB301704），教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃（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（c）耦合平行波導（d）光子晶體光柵