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用于片上超短光脉冲诊断的横向-频域分辨光学开关

时间:2023-12-02 点击量: 718

创新点:团队展示了一种新型可集成超短光脉冲表征技术,被称为横向-频域分辨光学开关(T-FROG)。T-FROG在铌酸锂薄膜波导平台上进行了实验验证,展示了在精确全参量表征波导飞秒脉冲的通用性和一致性,可以直接在光子集成回路中提供超快光脉冲的时间振幅和相位曲线。

关键词:集成光波导,横向-频域分辨光学开关,超短光脉冲,二次谐波产生


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图1:在LN波导中实现的T-FROG原理图。在相向传播脉冲的重叠区域产生横向的SHG,然后被导入进成像光谱仪中以生成FROG算法所需的谱图。

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图2:a) 相向传播光脉冲在LN波导中产生的横向SHG强度迹线显微图像。b) 沿波导轴的横向SHG强度轨迹的强度分布图(黑线),红线表示实验数据的双曲正割拟合。c) 通过T-FROG测量得到的FROG迹线图。d) 通过标准的FROG算法,还原得到的FROG迹线。e) 还原得到的光脉冲强度与相位的时间分布 (红线),f) 还原得到的光脉冲强度与相位的波长分布(红线)。其中蓝线表示商用FROG仪器获得的结果。


在过去的几十年里,集成光子学促进了各种片上光电器件的快速发展。光子器件的小型化与集成已经成为推动现代光子学发展的主要驱动力。为了更精确地认知集成光子回路中超短光脉冲的传输、相互作用和动态演变,开发一种能够实时、原位、全参量表征的超短光脉冲片上诊断工具显得尤为重要。传统的频域分辨光学开关(FROG)技术通过测量信号的自相关信号及相应的频谱,并通过迭代相位恢复算法重建光脉冲强度和相位信息。然而,传统FROG无法直接集成到集成光子回路系统中,而若将信号提取出来的过程会带来不可避免的脉冲信息失真。


华南理工大学虞华康教授等人研发了一种片上集成的光脉冲诊断工具,其工作原理如图1所示。与传统的自相关仪不同,T-FROG中相向传播的脉冲对在空间和时间上自动地相交重叠,产生对应于时间自相关的SHG空间强度分布图。通过将空间坐标转换为时间延迟,可以通过简单地用成像光谱仪对SHG的空间变化强度剖面进行成像,得到谱图,其相当于传统FROG迹线图。可以很容易地通过常规FROG算法还原完整的时域与频域上的强度和相位信息。


实验表明,测量到的强度分布是完全无背景的,相应的时域分布与理想的双曲割线型很好地匹配,结果验证了T-FROG具有更强的灵敏度和更高的信噪比。对不同脉冲啁啾的精确测量,进一步地证实了T-FROG作为光脉冲诊断工具的通用性和准确性。除此之外,T-FROG还能够支持交叉相关FROG (X-FROG)的工作模式下工作,可用于更复杂光脉冲的表征。


论文信息:

Frequency-Resolved Optical Gating in Transverse Geometry for On-Chip Optical Pulse Diagnostics 

Huakang Yu, Yipeng Lun, Jintian Lin, Yantong Li, Xingzhao Huang, Bodong Liu, Wanling Wu, Chunhua Wang, Ya Cheng, Zhi-yuan Li, Jacob B. Khurgin

Laser & Photonics Reviews

DOI:10.1002/lpor.202201017