光学时域微分器与皮秒级光脉冲时域微分集成光子回路的研究进展介绍

　　在光域中对脉冲信号进行运算（如微积分运算）通常需要将光信号转换成电信号，然后利用数字电路或者模拟电路进行电子信号处理，然后再转换成光信号。然而随着光信号带宽越来越大，光电转换的带宽受到限制，无法进行电信号处理，此时采用纯光学器件实现运算可以有效避免电子元件的带宽限制。

　　光学时域微分器作为可以解决电子瓶颈用于光计算和光网络的全光信号处理的基本器件之一，是对任意光信号的复包络进行微分的运算单元，在超快信号产生、超高速编码和脉冲整形等诸多领域有着非常广泛的应用。其中光学微分器的工作带宽是衡量微分器性能的重要指标之一，早前我们发现了光子微分器存在工作带宽下限这个事实，而众多学者主要追求的微分器带宽上限这个指标，国际上报道的最大带宽是25THz，其主要采用了光纤耦合定向耦合器结构，然后在集成光子学领域人们采用各种谐振器件实现了最大带宽为500GHz的微分器，如何在集成光子微分器领域进一步扩展到THz带宽并没有解决方案。

　　定向耦合器可以在光纤上和集成波导上制备，那么通过集成波导实现的定向耦合器是否具有大的工作带宽呢？带着这个疑问，武汉光电国家实验室光电子器件与集成功能实验室张新亮教授、董建绩教授和硕士生黄田利进行理论和实验验证，他们通过模拟定向耦合器的传输幅度谱和相位谱，分析了硅基定向耦合器具有THz带宽的特性，并且实验验证了硅基定向耦合器实现一阶微分的功能。该实验中通过输入脉宽分别为2.8ps、4ps、6ps、8ps、10ps的类高斯脉冲进行实验验证，分别得到了相应的一阶微分结果，并分析了不同输入脉冲的处理误差和相对能量效率。该实验得到了带宽为1.25THz的硅基器件的光学时域微分器，在超高速的光信号处理中具有非常重要的作用。

　　2015年12月1日，该研究成果“ 基于硅基定向耦合器的太赫兹带宽的微分器（Terahertz-bandwidth photonic temporal differentiator based on a silicon-on-isolator directional coupler）”发表在Optics Letters（Vol.40.No.23.pp.5614-5617.2015）上。该工作得到了国家自然科学基金 （Grant No. 61475052， Grant No. 11174096） ，973项目（Grant No. 2011CB301704），教育部新世纪优秀人才支持计划（Grant No. NCET-11-0168）和优秀博士论文基金（Grant No. 201139）的支持。

　　图1 （a）硅基定向耦合器的金相显微镜图；硅基定向耦合器的SEM图（b）弯曲波导（c）耦合平行波导（d）光子晶体光栅