基于宇称-时间对称双微环系统的超效全光波长转换

作     者：鲁欣达 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐竞

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：全光波长转换 微环谐振腔 宇称-时间对称 集成光学 四波混频 

摘      要：全光波长转换可在光域直接完成波长转换操作,克服了光纤通信链路传输容量与电子设备处理速度之间存在的瓶颈,对降低系统的复杂度与功耗具有巨大潜力。然而由于缺乏有效的光-光相互作用手段,基于光学非线性效应的全光波长转换效率偏低。近年来随着微纳加工技术的不断发展,高品质因子集成光学微环谐振腔在非线性光学领域崭露头角。尽管微腔具有很高的谐振增强效应,能极大提高非线性效应转换效率,基于单个微环的全光波长转换却存在转换效率和转换带宽之间的根本制约关系,无法满足高效高速全光波长转换的应用需求。近年来宇称-时间(Parity-Time,PT)对称性在光学系统中得到了广泛的研究,为非厄米系统的光操纵打开了新大门。本论文将PT对称性引入到微环系统中,提出了一种克服微环效率-带宽矛盾的耦合双环器件结构,并通过实验探究了其在全光波长转换中的应用。本论文主要内容和创新如下:(1)提出了 PT对称耦合双环的结构系统,极大缓解了微环系统全光波长转换中转换效率与转换带宽间的制约关系。基于时域耦合模理论,证明了在大带宽时,PT双环系统相较于传统单环系统实现了显著转换效率提升。(2)基于传输矩阵模型和非线性传播方程,严格推导了 PT双环系统的全光波长转换效率计算公式。进一步的,通过使用全映射方程,构建了 PT双环系统的完整仿真模型,并展示了系统对非归零码(Non-Return-To-Zero,NRZ)开关键控(On-Off Keying,OOK)调制信号的全光波长转换结果。通过不同模型间的相互验证,证实了理论模型的正确性。(3)设计、测试并验证了基于PT双环器件的波长转换效率大幅提升。实验表明,与传统单环系统相比,PT双环系统在大转换带宽(30～60 GHz)下实现了至少100倍(20 dB)的转换效率提升。进一步,实现了 38 Gbit/s NRZ-OOK调制信号全光波长转换实验,误码率低于硬判决前向纠错阈值,所用泵浦光功率仅1 mW。除了转换速率高,该器件的波长转换范围也很大,实验证实其转换范围大于170 nm。