光频梳的硅基集成及应用基础研究

The convergence of optical and radio frequency is required by the rapid development of optical communication system and electronic countermeasure. The new trend of processing of optical and radio frequencies is high precision for optical frequency and wideband for radio frequencies. However, it is difficult to obtain such high precision and wideband in converged optical and radio frequency processing. Optical frequency comb (OFC) is an ideal solution for this difficulty due to its ability to link optical and radio frequency coherently. Therefore, this project will focus on the following topics: (1) OFC based on hybrid integration of Si-slot-microring and materials with high nonlinearity; (2) the mechanism for efficient cascaded four-wave mixing in microring resonator; (3) the management of dispersion in microring resonator; (4) novel pumping mechanism for high coherent microring-based OFC; (5) converged signal processing for optical and radio frequency based on OFC. Si-based integrated OFC covering the C-band will be carried out in this project. The model for converged signal precessing for optical and radio frequency will be figured out. Novel applications of OFC in optical communication system and electronic countermeasure will be studied. Finally, this project will prove the application of OFC in the wideband perception and reception of radio frequencies and signal generation for super-channel in optical communication.

光通信、电子对抗等军民应用需求正在促使光频与射频积极融合。光和射频信号处理发展的新趋势是光信号处理的精细化、射频信号处理的宽带化，这是当前的技术难点。而光频梳能高相干的连接光频和射频，采用光频梳技术将能解决这一难题。因此，项目将重点研究：（1）硅基slot微环与高非线性材料混合集成的光频梳器件及其硅基集成技术；（2）微环内级联四波混频的高效产生机制；（3）微环的色散管理方法；（4）通过新泵浦方式提升光频梳相干性的机理（5）基于光频梳的射频光频融合的信号处理。项目将研制出覆盖C波段的高相干硅基集成光频梳，建立对应的射频光频融合的信号处理模型，利用宽带且相干的光频率梳、有效融合光子的宽带优势和电子的精细处理优势，探索其在未来光通信和电子对抗等重要领域的应用，并最终演示光频梳在超宽带射频感知与接收和super-channel信号产生中的应用。

光频梳能高相干的连接光频和射频，实现光频和射频的有效融合，满足光通信、电子对抗等军民应用需求，硅基光频梳因体积小、集成度高等特点，成为当今的研究重点。提出并设计了几种硅基微环波导结构，包括基于空间模式耦合效应的双层波导结构、覆盖层为矩形的硅基混合狭缝波导结构、矩形氮化硅波导结构等，通过仿真优化实现了有效的色散管理，可分别对波导的色散值和色散波段进行独立控制，突破材料和工艺的限制，宽且平坦的反常色散波导可促进微环中级联四波混频的发生，是产生宽带光频梳的重要保证。研究与开发了硅基波导与微环谐振器的微纳制备工艺，包括材料生长、高精度电子束光刻、氮化硅和铌酸锂刻蚀等工艺，制出了低损耗和具有反常色散的硅基氮化硅波导，实现了超高Q值的硅基氮化硅微环谐振器，其Q值超过80万，还制出了高性能的硅基铌酸锂波导和微环谐振器，微环的本征Q值超过50万。采用单波长泵浦，基于硅基氮化硅微环谐振器，产生了覆盖600nm范围（包含C波段）、频率间距<=100GHz的光频梳，并且在高Q值硅基铌酸锂微环中也获得了四波混频和光频梳，为进一步实现高效可调的集成克尔光频梳打下了基础。实现了一种频率间隔从0.75 THz到2.75 THz的高相干频率梳，采用相干的种子源作泵浦，基于光纤中的相干级联四波混频效应，产生了高相干的光学频率梳，并通过测量时域波形验证了频率梳的相干性。基于光学频率梳的频率严格等间距、梳齿之间的高相干性等独特特点，还开展了面向卫星通信、雷达、电子对抗等背景的众多应用，包括阵列化频率变换、低噪声大范围可调谐微波振荡信号产生、超宽带射频信道化接收、实时傅里叶变换等研究；这些研究推动使得光频率梳成为微波光子学领域当前和未来的重要手段之一，也是得集成光频梳成为集成微波光子学的重要研究内容。

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