全光比例-积分-微分控制系统与超快光脉冲相干自锁定

This project aims to develop the all-optical proportional - integral - derivative (OPID) control system based on all-optical signal processing, and realize the coherent self-locking of ultrafast optical pulse. The main contents include: (1) to investigate the interaction between quantum dots and optical field by using the density matrix method，and establish the quantum model of quantum-dot semiconductor optical amplifier (QD-SOA), reveal the microscopic mechanism of its fast response and ultrafast polarization rotation, and based on QD-SOA, successfully conduct experiments of ultrafast all-optical differential, all-optical proportional amplification, and phase-locked subtraction operations. (2) to establish the theoretical model of the active optical micro-ring resonator (MRR), clarifying the internal mechanism of ultrafast time-domain integral and dynamic storage, and realizing the active-MRR-based ultrafast all-optical integration and all-optical memory; to analyze the effects of pulse broadening and compression of all-optical integrator and all-optical differentiator, and to prove their reciprocal operation by experiment. (3) to investigate the all-optical integration, the control mechanisms, and Ziegler-Nichols parameter adjustment rules of the OPID system, to build the ultrafast control system based on OPID, analyze adjustment process by optical feedback based on the cross-modulation effect in QD-SOA, and realize ultrafast coherent control and self-locking of amplitude and polarization for femto-second optical pulses. The completion of this project will be helpful to solve the developing bottleneck of ultrafast optical control technology, while make the precise quantum manipulation and measurement possible.

本项目旨在应用全光信号处理方法，致力于发展全光比例-积分-微分（OPID）控制系统，实现光脉冲的超快相干自锁定。主要研究：(1)应用密度矩阵方法研究量子点与光场相互作用，建立量子点半导体光放大器（QD-SOA）量子模型，揭示其超快响应、超快偏振旋转微观机理，实现基于QD-SOA的超快全光微分、比例放大、与相位锁定减法运算。（2）研究有源微环光学谐振腔（MRR）中飞秒脉冲传输规律，建立动态传输模型，阐明时域积分与动态存储内在机制，实现基于有源MRR的超快全光积分与存储；分析全光积分展宽与微分压缩，实验验证其互逆性。（3）研究OPID系统全光集成与控制机理，分析Ziegler-Nichols调试规则，构建OPID超快控制系统，分析基于QD-SOA交叉调制效应的光反馈调整过程，实现飞秒脉冲幅度和偏振的超快控制与相干自锁定。本项目完成有助于解决超快光控技术发展瓶颈，使精密量子调控与测量成为可能。

本研究建立了QD-SOA与有源MRR面向超快全光控制的理论模型，获得了全光微分、全光积分、全光比例放大等核心处理技术；进而构建OPID全光控制系统，实现了对飞秒脉冲幅度和偏振的超快相干自锁定。具体成果包括：.（1）理论方面.应用密度矩阵方法研究光场与量子点的相互作用，建立了能够描述QD-SOA中各种微观效应的Bloch量子模型。发现载流子相干布居振荡是QD-SOA产生超快非线性效应的重要因素，获得了其电偶极跃迁矩阵元及跃迁率。成功揭示了QD-SOA超快非线性偏振效应的微观机理，完善了QD-SOA理论模型。.其次，利用分段放大理论获得了有源MRR超快增益动态特性，应用模耦合理论研究不同波导间的模式耦合与能量交换，弄清了模耦合动态行为，建立了有源MRR超快脉冲传输模型，获得其频谱-相位特性，精准描述飞秒脉冲传输过程。.第三，定义偏振态密度概念，提出基于偏振态密度统计的扰偏理论分析方法，可分析任何扰偏器、偏振控制器等偏振态处理性能，能迅速定位偏振态的盲区、缺陷、不均匀性等，超越了传统的Stokes分量法。.最后，发现多光子吸收过程的非单一性，提出并建立了分析混合多光子吸收的一般理论模型，为精确获取超快脉冲参数提供了理论依据。提出并验证一种测量飞秒脉冲时间抖动的互相关法，理论精度达0.47fs，开辟了基于混合多光子吸收精密测量超快脉冲的研究方向。.（2）技术方面.研制成功基于QD-SOA的全光微分器、比例放大器、与减法器，实现了飞秒（～76fs）光脉冲全光微分、全光比例放大（比例系数-10dB～13dB）、与全光减法运算（误差低于5%）。.研制成功基于有源MRR的全光积分器与全光存储器，实现飞秒（～76fs）光脉冲的全光积分（误差低于8%）与全光存储（存储时间大于10ns）；实验验证全光积分与全光微分的互逆运算性质，成功进行了飞秒光脉冲的展宽与压缩。.拥有一套结构完善的OPID全光控制系统及相应的参数调试规则；应用OPID系统，成功进行飞秒（～76fs）光脉冲幅度和偏振的超快控制与相干自锁定实验，控制速度比传统电学PID提高3个数量级以上，达亚皮秒量级。