硅基集成时域隐身器件机理研究

Temporal cloaking, a new concept extended by spatial cloaking based on time-space duality, has been attracting lots of interests since it was first proposed in 2011. The temporal cloaking technology may have potential applications in secure communications and information security. Temporal cloaking system is highly dependent on a key component, namely, the time lens. However, there were still crucial challenges in state-of-the-art time lenses in terms of time aperture, power efficiency, and response bandwidth, etc, which greatly impede the application of the temporal cloaking. In this proposal, we put forward a new temporal cloaking scheme based on silicon micro-ring resonator embedded with PN junctions. The time lens is implemented by the fact that the resonant frequency shift of ring resonators is linear varied with the driving voltage, which shows large time aperture, high power efficiency, and fast response. Then the temporal cloak can be implemented by time lens and dispersion medium. And problems mentioned above in time lens will be well settled. We will carry on the study in three aspects, device design, device fabrication, and temporal system experiments. Especially, we focus on the key study of integrated chip performances, such as the impact of carrier dispersion effect on the refractive index and absorption, and enhancement of electron-photon interaction. Finally, we can obtain comprehensive theory about temporal cloaking and experimental platform, and bring forward some potential applications in secure communications.

时域隐身，一种基于时空二元性原理从空间隐身引申而来的技术，自2011年首次被提出后，在国际上掀起了一股研究热潮，它在保密通信和信息安全领域有潜在应用价值。时域隐身的核心部件是时域透镜，然而时域透镜在时间孔径、转换效率和响应带宽方面尚存在若干难点和关键物理问题，阻碍时域隐身的应用。本项目创新性地提出了基于电调硅基微环谐振器的时域隐身新方案，利用电调微环的谐振频率漂移量随调制电压线性变化的特点实现大带宽、大时域孔径和高转换效率的时域透镜功能，从而克服传统时域透镜存在的若干缺陷。本项目对高Q值电调微环谐振器的频谱漂移特性进行理论建模、性能分析和实验测试，重点解决器件制备过程中的工艺难题，如电调微环中的载流子色散效应对折射率和吸收的调控机制和电光调制效率增强的问题，并对时域隐身的系统原型进行实验检验和优化，最终探索一套相对完善的时域隐身的理论体系、实验平台及其在信息安全和预警系统的潜在应用。

时域隐身自2011年首次被提出后，在国际上掀起了一股研究热潮，它在保密通信和信息安全领域有潜在应用价值。本项目创新性地提出了基于电调硅基微环谐振器的时域隐身新方案，具体研究成果包括如下内容：第一，基于电调微环谐振器和光学频率梳，实验得到了扫频滤波型时域透镜，并进一步获得了较大有效隐身窗口的现场可编程通信速率的时域隐身，在实验上打开了3.365ns的有效隐身窗口，是之前记载值的17倍；同时实现了隐身窗口的可调谐性；本实验首次验证了有效隐身窗口开关在线可编程的时域隐身系统，这使得该系统能够应用至数据盾中；第二，基于夫琅禾费衍射，设计并实验实现了大隐身窗口比（88%）的通信速率下的时域隐身，这是至今为止实验获得的最大隐身窗口比的时域隐身；第三，将时域隐身拓展出时域幻觉与时域马赛克两个新概念，并从功能的角度设计了一种基于光纤系统的通信速率时域幻觉和时域马赛克实现方案；第四，设计并制作了超高Q值(1百万)的微环谐振器，构建了超窄带(170 MHz)可调集成微波光子滤波器，并将其应用在跳频信号产生、微波频率测量等方面；第五，提出并实现了基于慢光效应的高效石墨烯热电极，慢光和石墨烯的相互作用有效地增强了光与物质的相互作用，提高了热效应对光场的调控效率，同时大幅缩短了响应时间，实现了迄今为止最快的硅基热电极。在该项目的资助下，发表于本课题相关的 SCI 论文共计35 篇，其中影响因子大于 2 的论文共计30篇，包括《Nature Communications》论文1篇、《Light Science and Applications》1篇，获得国家发明专利 6 项，获得基金委优秀青年基金项目1项。培养博士生 8名，培养硕士生 6 名。项目组成员1人获得王大珩高校学生光学奖，1人获得中国电子学会优秀博士学位论文奖，主办国际学术会议 POEM两次，在国际学术会议上做邀请报告17次，项目结题成果整体上超过预期研究成果。