基于平面布拉格光栅的光学希尔伯特变换和全光信号处理研究

Photonic Hilbert transform (PHT) is utilized in the single sideband (SSB) filtering and all optical signals processing, with the benefits of improved bandwidth efficiency, increased processing speed, great flexibility and reliability. The main challenges of the PHT include the bandwidth limitation and long term stability. Compared to the currently used fiber-based schemes, the monolithically integrated interferometric single-sideband filter based on planar Bragg gratings implementing photonic Hilbert transform is proposed. Optical signals from the PHT grating and the flat reflector undergoes constructive and destructive interference, thereby suppressing one side band and enhancing the other. The technique allows the monolithic integration, ultra-wide operation bandwidth and appropriate cost, having a promised future in the scientific research and practical applications. Through modelling design, experimental fabrication and response enhancement, spectral responses of planar Bragg gratings are investigated and improved, expecting more than 1THz (approx. 8nm) operation bandwidth and achieving the stable all optical SSB filtering.

光学希尔伯特变换应用在单边带滤波器和全光信号处理中，能够提高带宽使用效率，提升信号处理速度，增强系统灵活性和可靠性。实现宽带而稳定的光学希尔伯特变是此处理方法中亟待突破的重点和难点技术。针对目前被广泛研究的光纤连接系统，本项目创新性地提出利用平面布拉格光栅与波导耦合器相结合，实现集成化的光学希尔伯特变换和全光单边带滤波器。经希尔伯特变换的一路信号，与未经变换的另一路信号相互作用，会形成某一边带信号的相消，达到单边带抑制的功能，并有实现单片集成器件和超大带宽信号处理的潜力。该方案工作带宽大、温度性能稳定而且制备成本合理，具有重要的研究价值和应用前景。从结构模拟、制备方法和设计优化三方面研究光学希尔伯特变换频谱特性，分析平面光栅光谱特点，在频域上实现1THz(～8nm)及以上工作带宽，进而实现全光单边带滤波功能。

全光希尔伯特变换已成为世界范围内的研究热点，被广泛用于单边带滤波，图像处理等很多领域。文献中有多种实现方案，如光纤延时线结构，相移光纤光栅，微型环形腔和相移硅基波导光栅等。已报道的采用光纤系统和已有集成器件方案中存在一些需要注意和改善的地方，如带宽有限、工作稳定性、系统复杂性和制备加工精度等。本项目提出研究基于平面布拉格光栅实现全光希尔伯特变换集成器件，具有超大工作带宽、单片集成和光路平衡性高等优点，有明显的应用潜力。. 本项目基于光栅耦合理论，采用了传递函数法和逆向散射法，对实现希尔伯特变换功能的平面光栅相关结构进行了深入细致的仿真模拟和灵活多样的结构设计，对大时间带宽积的全光希尔伯特变换器件、多功能可调谐的推拉结构光学滤波器、偏振相关的可调阶数希尔伯特变换光栅、以及新型倾斜布拉格光栅器件进行了研究。从集成结构设计、波导理论仿真、光谱相位调控、制备加工工艺等多方面进行深入系统研究和改进优化，并完成相关器件的制备和测试，对相关器件应用结果进行了分析。. 通过简易光栅实现全光希尔伯特变换，获得50 GHz至3 THz的工作频带范围，其时域带宽积TBP为60；多功能、可重构光学滤波器，实现FWHM最小为10pm的窄带陷波滤波、12dB抑制比的宽带边带调制信号和50GHz频段的实时频率测量核心器件等功能；使用高双折射掺杂平面芯片（Δn≈0.0004），理论实现了结构简单的0至1阶数连续可调分数阶希尔伯特变换器，利用偏振相关特性进一步实现了一种新型偏振模式复用的光波导结构，经测试光信息传输速率达到20Gbps，误码率低于10-9；研究通过1.5度倾斜Bragg光栅实现了4种模式和3个波长的光信号复用和解复用。. 项目成果在OE等期刊上发表多篇高水平论文，在CLEO等国际会议上进行了报告，并申请了发明专利。本项目的成功实施为研究全光希尔伯特变换问题，以及研制高速宽带全光单边带滤波器奠定理论和技术基础，并探索了应用于集成光子处理器件的潜力，具有重要的理论意义和工程价值。