基于新型Hydex波导的片上时间透镜的机理与技术研究

The Hydex waveguide structure (Nature Photonics, 7: 597, 2013) solves problems of the two photon absorption and large nonlinear loss in the communication band that exists in the traditional silicon waveguides. It is the most comprehensive non-linear medium and provides an ideal solution for novel CMOS- compatible on-chip nonlinear optical platform. This project aims to develop a low-loss, ultra-low flat dispersion and high nonlinear Hydex waveguide using CMOS-compatible high-index contrast photonic integrated material platform. Furthermore, the key methods and technologies for high efficiency and wide bandwidth four wave mixing, on-chip time lens and time imaging based on Hydex waveguides will be investigated. The time resolution and time aperture enhancement, time domain distortion suppression and other technical bottlenecks will be broken through. The amplification, compression and time-frequency conversion of the ultrafast optical signal in the communication band will be realized. The applications in the ultrafast optical signal processing and real-time detection will also be explored. These results will promote the optical signal processing ability via time lens. This project can actively promote the technical development and practical application of on-chip time lens, which is of great significance for accelerating the integration and miniaturization of optical information processing system. It will provide innovative ideas and key technological supports for the development of all-optical signal processing, optical communication, ultrafast optics and many other areas.

Hydex波导结构（Nature Photonics, 7: 597, 2013）解决了传统硅波导在通讯波段受限于双光子吸收（TPA）、非线性损耗较大的问题，是目前综合性能最高的非线性媒质，为新型CMOS工艺兼容的片上非线性光学平台提供了理想的解决方案。本项目拟采用CMOS工艺兼容的高折射率差光子集成材料平台，研制出低损耗、超低平坦色散、高非线性的Hydex波导；并研究基于Hydex波导的高效宽带宽四波混频、片上时间透镜和时间成像等关键方法和技术，突破提升时间分辨率和时间孔径以及抑制时域畸变等技术瓶颈，实现通讯波段超快光信号的放大、压缩和时频转换，并探索其在超快光信号处理和实时检测中的应用，提升时间透镜的光信号处理能力。本项目能够积极促进片上时间透镜的技术发展与现实应用，对加速光信息处理系统的集成化和小型化具有重要意义，为全光信号处理、光通信和超快光学等领域的发展提供创新思想和关键技术。

时间透镜作为一种新颖的全光信号处理技术，既能对光信号在时域上进行放大或压缩，也能对光信号在时域和频域之间进行转换，为超快光信号产生、处理和测量开辟了新的技术途径，具有十分重要的学术意义和应用价值。本项目开展了基于新型高折射率差（Hydex）波导的片上时间透镜的理论和实验研究，发展建立了基于四波混频效应的片上时间透镜的理论模型，研究了基于新型高折射率差波导的时间透镜的关键单元技术；设计了高非线性低平坦色散新型硅-有机材料混合（SOH）单沟槽与双沟槽波导，以及基于石墨烯的色散平坦且可调谐的新型波导和微腔；理论研究了多光子吸收、自由载流子效应和高阶色散等对硅基微纳结构中四波混频过程的影响；自主研制了新型高折射率差氮氧化硅波导与微腔，突破了片上高效宽带四波混频与光频梳产生技术；理论研究了基于泵浦相位调制的非线性过程调控与微腔孤子光频梳产生技术；提出了基于SOH单沟槽波导中四波混频效应的片上时间透镜技术；理论研究了基于铌酸锂和正色散硅微腔的中红外四波混频过程及光频梳产生技术；提出并理论研究了中红外波段的片上时间透镜技术；探索研究了片上相位与振幅调控、高集成滤波、光子自旋霍尔效应的多维调控等的物理机理和关键技术；研究了基于四波混频效应的时间透镜技术并进行了实验验证；本项目的研究结果为时间透镜技术应用于全光信号处理和超快过程测量等领域以及相关科学前沿、相关战略高技术与交叉学科的创新发展提供了关键理论和技术基础。