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超大带宽的集成全光微分器新进展

2017-05-25 10:57
棒棒书香
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作为全光信号处理和运算系统中的重要基础单元,集成的全光微分器因其在光计算中独特而广泛的作用,长期以来都是研究的焦点,各类高速的集成微分器方案例如利用硅基微环、马赫曾德尔干涉仪、定向耦合器等,已经被提出并实验验证。为了适应日益增长的对数据处理速度的要求,研究者往往只注重追求微分器带宽上限的提升,而忽略的带宽下限的存在。在董建绩教授的带领下,其团队针对这一问题提出了新颖的理论模型和完备的实验验证,结果显示,即便是现存的具有THz带宽的全光微分器在应用中的本质仍然是一个窄带器件,这一微分器的内在缺陷将会严重地限制微分器在未来的应用地位,相关成果已经于2015年发表在Optics Express杂志上(Opt. Express, 23, 18925-18936, 2015)。

图1 光子晶体微分器的结构示意图

为了解决这一问题,经过近一年的探索和实践,董建绩教授提出了一种全新的解决方案:通过对光子晶体波导的结构进行特殊设计,构造出具有慢光效应的光子晶体波导,然后再将不同长度的光子晶体波导放置于马赫增德尔干涉仪结构的两臂,可能是针对微分器带宽问题的解决方案,如图1所示。由于光子晶体波导的慢光效应存在与波长的相关性,该光子晶体MZI结构的传输谱会显示出与波长相关的FSR(Free Spectral Range),如图2所示,这就意味着该器件能同时完成宽带微分器与窄带微分器的功能,从而打破微分器的内在带宽限制,实现真正意义上的超大带宽的集成全光微分器。

图2:光子晶体MZI的传输谱

根据这一理论模型,董建绩教授团队通过与丹麦技术大学丁运鸿博士团队合作,制作出了相关芯片,并对芯片性能进行了测试,结果显示,该芯片能够同时处理脉冲宽度范围为2.7 ps至81.4 ps的信号,处理精度高达85%,如图3所示;该器件可处理的信号带宽范围远大于已知的所有微分器,能够有效地打破微分器的内在带宽限制,有望在未来的大规模光子集成回路中得到广泛的应用。

图3 实验结果图

2017年4月11日,该研究成果“Bandwidth-adaptable silicon photonic differentiator employing a slow light effect”发表在发表在美国光学学会(OSA)旗下杂志Optics Letters上(Optics Letters 42, 1596-1599, 2017), 该项研究由武汉光电国家实验室光电子器件与集成功能实验室博士生严思琦在董建绩教授(通讯作者)的指导下完成,并得到了国家自然科学基金、教育部新世纪人才计划、国家重点基础研究发展计划等项目的支持。

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