微环阵列和衍射光栅单片集成器件在光学任意波形产生中的新机理研究

光学任意波形产生（OAWG）在高速光通信系统和微波光子学领域均有着重要的应用价值，在光通信系统中可以实现色散补偿、脉冲整形、码型转换、以及各种形状的超短脉冲光源的产生；在微波光子学领域可以获得超高频率的微波源，因此得到了国内外学者的广泛关注和研究兴趣。本项目创新性地提出了一种基于单片集成的微环阵列级联平面衍射光栅的结构，用于产生光学任意波形的新颖方案。充分利用微环谐振器的超高光谱分辨能力以及具有低串扰的衍射光栅的分波功能，获得高光谱分辨率、高密度信道的分谱仪，同时将热光相位/强度调制器都集成在一个芯片上，完成独立谱线幅度和相位操作，通过光场相干叠加，产生所需的任意波形。本项目从器件设计、器件制备到任意波形产生系统实验三个方面展开研究，重点解决器件制备过程中的工艺难点和任意波形产生的关键问题，最终初步探索一套相对完善的OAWG光学系统的理论体系和实验平台。

光学任意波形产生在高速光通信系统和微波光子学领域均有着重要的应用价值，因此得到了国内外学者的广泛关注和研究兴趣。本项目创新性地提出了基于有限冲激响应滤波器的集成光学任意产生方案，该方案具备工艺制备简单、工艺误差容忍度大和幅度调节灵活等优点。本项目具体的研究成果包括如下内容：第一，成功制备出器件尺寸为2平方毫米的硅基任意波形产生芯片，幅度和相位调控手段均采用热电极调节，芯片整体损耗为9dB，基于该芯片实现了可编程滤波功能，包括中心波长可调、带宽可调和滤波形状可调三类，进一步实验展示了各种任意波形的产生，如矩形波、三角波、锯齿波和高斯脉冲等常见波形，其脉冲重复频率为10GHz，脉冲宽度约在5-40ps可调谐，时间抖动小于500fs，进一步地从理论上提出了基于光力原理的集成任意波形产生方案，将幅度和相位调控维度改为光力调节，分别实现了矩形、三角形、锯齿形、高斯和超高斯形脉冲输出。第二，在光学频率梳产生方面，提出了一种基于级联调制器和两段高非线性光纤的光学频率梳产生方案，获得了脉宽为2ps、光谱宽度为11nm以上的超宽带光学频率梳，光频率梳谱线达259个。第三，在片上光计算器件的频谱调控方面，分别从波导结构工程、载流子注入和热传递三个不同角度实现频谱的调控，实现了整数阶微分器、分数阶微分器、微分方程求解、希尔伯特变换、毫米波产生等光学计算，进一步基于硅基光波导的热光效应，分别实现了三端口环形器和四比特格雷码产生等，对光计算的性能指标如带宽问题、运算阶数可调性、运算精度问题等进行了深入的探讨和研究。第四，在集成微波光子学方面，我们分别采用高Q值微环和微盘及其级联结构实现了可重构的微波光子滤波器，包括中心频率可调谐和带宽可调谐。在该项目的资助下，发表与本课题相关的SCI论文共计43篇，其中影响因子大于2的论文共计34篇，主流国际会议论文（包括OFC、ECOC、CLEO）4篇，获得国家发明专利2项，获得湖北省自然科学奖一等奖1项，获得教育部新世纪人才计划资助1项。培养博士生2名，硕士生4名。项目组2名成员获得王大珩高校学生光学奖，主办国际学术会议POEM 2015一次，在国际学术会议上做邀请报告9次，相关成果被Nature旗下刊物Nat. Comm.、美国光学学会Optica等及其他SCI收录刊物引用，被SPIE Newsroom专题报道，项目结题成果整体上超过预期研究目标。