光學(xué)頻率梳在光子模擬信號處理中的應(yīng)用研究.pdf

1、光學(xué)頻率梳是指一系列具有固定譜線間隔的相干譜線，且譜線之間具有穩(wěn)定的相位關(guān)系。從頻域上來看，光學(xué)頻率梳是一個相干性能良好的大帶寬的梳狀譜，由多個頻率分量組成，因此可以用來作為密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)的光源；而從時域上來看，光學(xué)頻率梳則對應(yīng)為一個超短脈沖序列，可以很好地用來作為光時分復(fù)用（OTDM）系統(tǒng)的光源。隨著激光技術(shù)的日益成熟以及光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)頻率梳由于其廣泛的應(yīng)用前景吸引了越來越多人的關(guān)注，光學(xué)頻率梳也成為繼超短脈

2、沖激光問世之后激光技術(shù)領(lǐng)域的又一重大突破。由于光頻率在頻域上展現(xiàn)出較大的帶寬，因此可以通過對頻譜的幅度和相位進(jìn)行調(diào)控從而實現(xiàn)光子模擬信號處理。光子模擬信號處理充分利用了光子的巨大帶寬資源、避免了電子瓶頸帶來的限制、提高了系統(tǒng)的實時性，因此在全光通信網(wǎng)絡(luò)中占有舉足輕重的地位。此外，硅基波導(dǎo)由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、可集成且能與傳統(tǒng)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容等優(yōu)點，近年來也越來越受到人們的關(guān)注。光子集成電路用于光子模擬信號處理也打開

3、了實現(xiàn)超高速和超寬帶信號處理的可能性。未來的光電子器件也將朝著微型化和集成化發(fā)展。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴介紹了光學(xué)頻率梳的特點和性質(zhì)，以及其研究背景與意義，并概述了光學(xué)頻率梳的研究現(xiàn)狀?？偨Y(jié)了幾種常用的產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的方案，并簡要對比分析了這些方案各自的優(yōu)缺點。此外，簡要介紹了開展光子模擬信號處理研究的意義，以及常用的實現(xiàn)光子模擬信號處理的方法，并總結(jié)了目前國內(nèi)外在光子模擬信號處理方面取得的進(jìn)展。⑵對高非線性光纖（HNLF）

4、在光學(xué)頻率梳產(chǎn)生中的應(yīng)用進(jìn)行了實驗研究。提出了利用HNLF中的級聯(lián)四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的方案、利用HNLF中的自相位調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的方案以及同時利用 HNLF中的級聯(lián)四波混頻和自相位調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的方案。通過實驗對比分析了 HNLF中級聯(lián)四波混頻和自相位調(diào)制效應(yīng)對于產(chǎn)生的光學(xué)頻率梳的性能影響。實驗結(jié)果顯示，HNLF中的級聯(lián)四波混頻和自相位調(diào)制效應(yīng)均能產(chǎn)生大帶寬的光學(xué)頻率梳，且均具備中心波長以及頻率間隔可調(diào)諧。在相同

5、泵浦功率和重復(fù)頻率的前提下，基于 HNLF中的級聯(lián)四波混頻效應(yīng)能產(chǎn)生更多的頻率譜線；而基于 HNLF中的自相位調(diào)制效應(yīng)能得到更平坦的光學(xué)頻率梳。此外，對應(yīng)到時域上，基于這兩種非線性效應(yīng)均能得到超短脈沖輸出，且脈寬可調(diào)諧。⑶提出了一種使用級聯(lián)時域透鏡產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的方案。首先基于空間-時間二元性和時域-頻域二元性，詳細(xì)介紹了時域透鏡的概念、時域成像的條件以及頻域泰伯（Talbot）效應(yīng)成立的條件。利用兩個時域透鏡級聯(lián)，分別實現(xiàn)了頻域-時域

6、映射和頻域Talbot效應(yīng)。頻域-時域映射得到了多頻率分量輸出；在此基礎(chǔ)上，再利用頻域Talbot效應(yīng)，對頻率間隔進(jìn)行進(jìn)一步分割，產(chǎn)生新的頻率分量，實現(xiàn)譜線數(shù)量成倍增加。實驗結(jié)果表明，基于級聯(lián)時域透鏡能產(chǎn)生光學(xué)頻率梳，且譜線數(shù)量和頻率間隔均能實現(xiàn)靈活調(diào)諧。⑷使用硅基光子器件作為頻譜調(diào)控器件，開展了光學(xué)頻率梳在光子模擬信號處理中的應(yīng)用研究，實現(xiàn)了一階光學(xué)微分器、一階光學(xué)希爾伯特變換、可調(diào)諧分?jǐn)?shù)階微分器以及簡單的光學(xué)任意波形產(chǎn)生。其中，基于

7、單個微盤諧振器，既能實現(xiàn)一階光學(xué)微分也能實現(xiàn)一階光學(xué)希爾伯特變換，且首次從實驗上驗證了兩者之間的聯(lián)系與區(qū)別。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)輸入信號具有較大脈寬時，單個微盤諧振器可以用來作為光學(xué)微分器；當(dāng)輸入信號具有較小脈寬時，單個微盤諧振器能用來作為光學(xué)希爾伯特變換器。⑸提出了一種基于光學(xué)頻率梳和電調(diào)微環(huán)諧振器來實現(xiàn)時域隱身的方案。提出將光學(xué)頻率梳與電調(diào)微環(huán)諧振器結(jié)合，代替時域透鏡的功能，模擬分析了其實現(xiàn)時域隱身的可行性。并進(jìn)一步從實驗上，實現(xiàn)了對時