光學(xué)頻率梳在光子模擬信號(hào)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(lái)看，光學(xué)頻率梳是一個(gè)相干性能良好的大帶寬的梳狀譜，由多個(gè)頻率分量組成，因此可以用來(lái)作為密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)的光源；而從時(shí)域上來(lái)看，光學(xué)頻率梳則對(duì)應(yīng)為一個(gè)超短脈沖序列，可以很好地用來(lái)作為光時(shí)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(lái)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(guò)對(duì)頻譜的幅度和相位進(jìn)行調(diào)控從而實(shí)現(xiàn)光子模擬信號(hào)處理。光子模擬信號(hào)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(lái)的限制、提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。光子集成電路用于光子模擬信號(hào)處理也打開

3、了實(shí)現(xiàn)超高速和超寬帶信號(hào)處理的可能性。未來(lái)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(diǎn)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。總結(jié)了幾種常用的產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的方案，并簡(jiǎn)要對(duì)比分析了這些方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，簡(jiǎn)要介紹了開展光子模擬信號(hào)處理研究的意義，以及常用的實(shí)現(xiàn)光子模擬信號(hào)處理的方法，并總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外在光子模擬信號(hào)處理方面取得的進(jìn)展。⑵對(duì)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(shí)驗(yàn)研究。提出了利用HNLF中的級(jí)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(shí)利用 HNLF中的級(jí)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了 HNLF中級(jí)聯(lián)四波混頻和自相位調(diào)制效應(yīng)對(duì)于產(chǎn)生的光學(xué)頻率梳的性能影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，HNLF中的級(jí)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(zhǎng)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(jí)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(duì)應(yīng)到時(shí)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(jí)聯(lián)時(shí)域透鏡產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的方案。首先基于空間-時(shí)間二元性和時(shí)域-頻域二元性，詳細(xì)介紹了時(shí)域透鏡的概念、時(shí)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(gè)時(shí)域透鏡級(jí)聯(lián)，分別實(shí)現(xiàn)了頻域-時(shí)域

6、映射和頻域Talbot效應(yīng)。頻域-時(shí)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(duì)頻率間隔進(jìn)行進(jìn)一步分割，產(chǎn)生新的頻率分量，實(shí)現(xiàn)譜線數(shù)量成倍增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于級(jí)聯(lián)時(shí)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(shí)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(hào)處理中的應(yīng)用研究，實(shí)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(jiǎn)單的光學(xué)任意波形產(chǎn)生。其中，基于

7、單個(gè)微盤諧振器，既能實(shí)現(xiàn)一階光學(xué)微分也能實(shí)現(xiàn)一階光學(xué)希爾伯特變換，且首次從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了兩者之間的聯(lián)系與區(qū)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)輸入信號(hào)具有較大脈寬時(shí)，單個(gè)微盤諧振器可以用來(lái)作為光學(xué)微分器；當(dāng)輸入信號(hào)具有較小脈寬時(shí)，單個(gè)微盤諧振器能用來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)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(shí)域透鏡的功能，模擬分析了其實(shí)現(xiàn)時(shí)域隱身的可行性。并進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)