通过使用四波混频进行时间展宽的高速光采样转让专利
申请号 : CN201080015666.4
文献号 : CN102388298B
文献日 : 2013-10-23
发明人 : M·利普森 , A·加埃塔 , R·萨利姆 , M·福斯特 , D·格拉格提 , A·特纳
申请人 : 康奈尔大学
摘要 :
提供了用于基于对输入信号波形的时间展宽而进行超快速光波形采样的系统和方法。时间展宽是使用基于非线性介质中的四波混频的时间透镜设备来执行的。信号经由输入扩散单元被传递。扩散后的信号被发送到时间透镜，该时间透镜包括啁啾泵浦脉冲和非线性介质。啁啾泵浦脉冲与信号进行组合。在非线性设备或非线性介质中发生四波混频过程，这导致生成新的光频率的信号(闲频信号)。闲频信号使用带通滤波器而与信号和泵浦脉冲在频谱上分开，并被发送到输出扩散单元。输出扩散单元比输入扩散单元长，并且时间展宽倍数由这两个单元的扩散之间的比率给出。
权利要求 :
1.一种用于展宽信号波形的时间展宽设备，包括输入扩散单元，用于对输入信号波形进行扩散；
泵浦脉冲源；
泵浦脉冲扩散单元，用于对由所述泵浦脉冲源所产生的泵浦脉冲进行扩散；
光耦合器，用于对泵浦脉冲和扩散后的输入信号波形进行组合；
四波混频器，其中该四波混频器被耦合到所述光耦合器；
带通滤波器；以及
输出扩散单元。
2.权利要求1的设备，包括光检测器。
3.权利要求2的设备，其中所述光检测器是实时示波器或采样示波器。
4.权利要求1的设备，其中所述泵浦脉冲源是OPO或短脉冲激光器。
5.权利要求1的设备，其中所述输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是光栅、光纤、或扩散波导管。
6.权利要求5的设备，其中所述输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是啁啾布拉格光栅。
7.权利要求1的设备，其中所述四波混频器是基于硅芯片的波导管、光子晶体光纤、高度非线性光纤、半导体光放大器、或介电非线性波导管。
8.权利要求7的设备，其中所述四波混频器是基于硅芯片的波导管，并且所述带通滤波器被集成在所述硅芯片上。
9.权利要求1的设备，其中在泵浦路径上总的扩散与在信号路径上总的扩散的比率是
2∶1。
10.权利要求1的设备，其中展宽倍数由输出扩散单元的扩散与输入信号波形的扩散之间的比率给出。
11.权利要求1的设备，其中所述输入扩散单元被耦合到所述泵浦脉冲源和所述光耦合器。
12.权利要求1的设备，其中所述泵浦脉冲扩散单元被耦合到信号源和所述光耦合器。
13.权利要求1的设备，其中所述四波混频器被耦合到所述光耦合器和所述输出扩散单元。
14.权利要求1的设备，其中所述带通滤波器被耦合到所述四波混频器和第三扩散单元。
15.权利要求2的设备，其中所述带通滤波器被耦合到所述输出扩散单元和所述光检测器。
16.权利要求2的设备，其中所述光检测器被耦合到所述输出扩散单元。
17.权利要求1的设备，其中输入信号路径和泵浦路径的扩散斜率小到使得与所希望的时间分辨率相关联的三阶扩散长度比这些扩散路径的物理长度至少长10倍。
18.权利要求1的设备，其中所述输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元是具有小的扩散斜率的光纤，而所述输出扩散单元是比所述输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元具有更多的扩散的光纤。
19.权利要求1的设备，其中信号波形的展宽倍数是至少100倍。
20.权利要求19的设备，其中信号波形的展宽倍数是至少200倍。
21.权利要求20的设备，其中信号波形的展宽倍数是至少300倍。
22.权利要求21的设备，其中信号波形的展宽倍数是至少400倍。
23.权利要求22的设备，其中信号波形的展宽倍数是至少500倍。
24.一种用于展宽信号波形的时间展宽设备，包括：输入扩散单元，用于扩散具有输入信号光频率的输入信号波形；
泵浦脉冲源，用于生成具有不同于所述输入信号光频率的泵浦光频率的泵浦脉冲；
泵浦脉冲扩散单元，用于对耦合到泵浦脉冲源的所述泵浦脉冲进行扩散；
光耦合器，用于对所述泵浦脉冲和输入信号波形进行组合；
四波混频器，被耦合到所述光耦合器的输出端，用于基于所述泵浦脉冲和输入信号波形进行四波混频处理，以生成具有不用于所述输入信号光频率或所述泵浦光频率的输出光信号频率的新的光信号波形；
带通滤波器，被耦合到所述四波混频器的输出端，用于仅输出具有所述输出光信号频率的所述新的光信号波形；
输出扩散单元，被耦合到所述带通滤波器的输出端，用于扩散所述新的光信号波形，使其具有比输入信号波形的输入信号周期更长的输出信号周期；以及光检测器，被耦合到所述输出扩散单元的输出端。
25.权利要求24的设备，其中所述输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是光纤。
26.权利要求24的设备，其中所述光检测器是被耦合到第三扩散单元的输出端的实时示波器。
27.权利要求24的设备，其中输入信号路径和泵浦路径的扩散斜率小到使得与所希望的时间分辨率相关联的三阶扩散长度比输入信号路径和泵浦路径的物理长度至少长10倍。
28.权利要求24的设备，其中所述输出扩散单元被配置为具有比所述输入扩散单元的扩散大一定量的扩散，这个量控制所述新的光信号波形的输出信号周期相对于所述输入信号波形的输入信号周期的展宽。
29.一种用于采样光信号的方法，包括以下步骤：得到要采样的具有输入信号光频率的输入信号波形；
在输入扩散单元中对所述输入信号波形进行扩散；
提供具有不同于所述输入信号光频率的泵浦光频率的泵浦脉冲；
在泵浦脉冲扩散单元中对所述泵浦脉冲进行扩散；
在光耦合器中对扩散后的泵浦脉冲和扩散后的信号波形进行组合；
在四波混频器中对组合的泵浦脉冲和扩散后的信号波形进行四波混频，以生成具有不用于所述输入信号光频率或所述泵浦光频率的输出光信号频率的新的光信号波形；
使用带通滤波器对所述四波混频器的输出进行滤波，以仅输出所述新的光信号波形；
在输出扩散单元中对所述四波混频器的输出进行扩散，以使四波混频器的输出的输出信号周期比输入到四波混频器的光的输入信号周期更长；以及用光检测器仅检测具有更长的输出信号周期的所述新的光信号波形。
30.权利要求29的方法，其中使用带通滤波器对所述四波混频器的输出进行滤波的步骤在使用扩散单元对所述四波混频器的输出进行扩散的步骤之前进行。
31.权利要求29的方法，其中使用带通滤波器对所述四波混频器的输出进行滤波的步骤在使用扩散单元对所述四波混频器的输出进行扩散的步骤之后进行。
32.权利要求29的方法，包括提供用于耦合到所述四波混频器中的硅波导管。
33.权利要求29的方法，还包括使所述输出扩散单元具有比所述输入扩散单元的扩散大一定量的扩散，这个量控制所述新的光信号波形的输出信号周期相对于所述输入信号波形的输入信号周期的展宽。
34.权利要求29的方法，其中泵浦脉冲的扩散与输入信号波形的扩散的比率是2∶1。
35.权利要求29的方法，其中输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是光栅、光纤、或扩散波导管。
36.权利要求35的方法，其中输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是啁啾布拉格光栅。
37.权利要求29的方法，其中所述四波混频器是基于硅芯片的波导管、光子晶体光纤、高度非线性光纤、半导体光放大器、或介电非线性波导管。
38.权利要求37的方法，其中所述四波混频器是基于硅芯片的波导管，并且所述带通滤波器被集成在所述硅芯片上。
39.权利要求29的方法，其中在泵浦路径上总的扩散与在信号路径上总的扩散的比率是2∶1。
40.权利要求29的方法，其中展宽倍数由输出扩散单元的扩散与输入信号波形的扩散之间的比率给出。
41.权利要求29的方法，其中输入信号路径和泵浦路径的扩散斜率小到使得与所希望的时间分辨率相关联的三阶扩散长度比输入信号路径和泵浦路径的物理长度至少长10倍。
42.权利要求29的方法，其中所述输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元是具有小的扩散斜率的光纤，而所述输出扩散单元是比所述输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元具有更多的扩散的光纤。
43.权利要求29的方法，其中信号波形被展宽至少100倍。
44.权利要求43的方法，其中信号波形被展宽至少200倍。
45.权利要求44的方法，其中信号波形被展宽至少300倍。
46.权利要求45的方法，其中信号波形被展宽至少400倍。
47.权利要求46的方法，其中信号波形被展宽至少500倍。
48.权利要求29的方法，其中对信号波形进行单次采样。
说明书 :
通过使用四波混频进行时间展宽的高速光采样
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求由Lipson等在2009年2月5日提交的、题为“High-Speed Optical Sampling by Temporal Stretching Using Four-Wave Mixing”的共同待审的美国临时专利申请第61/150,270号的优先权和权益，该专利申请在这里通过整体引用而并入。
[0003] 关于联邦资助的研究或开发的声明
[0004] 所公开的发明是在来自DAPRA的DSO OAWG项目下和在由国家科学基金给予纳米级系统中心的拨款下的政府资助下完成的。美国政府拥有本发明的权利。1.技术领域
[0005] 本发明涉及用于基于输入信号波形的时间展宽的超快速光波形采样的方法和设备。2.背景技术
[0006] 光电二极管当前结合实时示波器被使用；然而，采样率被限制在60GS/s，其能够处理高达30GHz带宽的信号。当前的光采样系统使用短的光脉冲用于高分辨率采样。然而，这些系统不能单次(single-shot)操作，因此不能采样短的光分组或者不能在非重复波形下工作。
[0007] 也可以利用自相关和互相关，然而，光信号必须是从结果推断出的，而且在长于几皮秒的记录长度上不能进行单次测量。
[0008] 其它已知的方法包括频率分辨光栅(FROG)和用于直流电场重建的光谱位相干涉仪(SPIDER)。然而，使用这些技术的用于单次表征的记录长度仅限于几皮秒。
[0009] 表征超快速光信号在下面列举的许多科技领域中具有广泛的应用，如超快速现 象 (M.van Kampen，C.Jozsa，J.T.Kohlhepp，P.LeClair，L.Lagae，W.J.M.deJonge，and B.Koopmans，“All-optical probe of coherent spin waves，”Phys.Rev.Lett.88，227201-1-4(2002)；R.W.Schoenlein，W.Z.Lin，and J.G.Fujimoto，“Femtosecond studies of nonequilibrium electronic processes in metals，”Phys.Rev.Lett.58，
1680-1683(1987))、
1680-1683(1987))、
[0010] 太(拉)赫光谱学(M.Tonouchi，“Cutting-edge terahertz technology，”Nature Photonics 1，97-105(2007))和超高带宽通信(C.Dorrer，“High-speed measurements for optical telecommunication systems，”IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.12，843-858(2006)；N.Yamada，H.Ohta，and S.Nogiwa，“Polarization-insensitive optical sampling system using two KTP crystals，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，215-217(2004)；M.Westlund，P.A.Andrekson，H.Sunnerud，J.Hansryd，and J.Li，“High-performance optical-fiber-nonlinearity-based optical waveform monitoring，”J.Lightwave Technol.20，2012-2022(2005)；J.Li，M.Westlund，H.Sunnerud，B.-E.Olsson，M.Karlsson，and P.A.Andrekson，“0.5-Tb/s eye-diagram measurement by optical sampling using XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，566-568(2004)；C.Dorrer，C.R.Doerr，I.Kang，R.Ryf，J.Leuthold，and P.J.Winzer，“Measurement of eye diagrams and constellation diagrams of optical sources using linearoptics and waveguide technology，”J.Lightwave Technol.23，178-186(2005))。用于光信号采样的传统光电子方法使用高速检测器和采样保持电路，它们不能被应用于具有过大带宽的信号。所提出的用来克服这个带宽问题的一种方法是基于执行与短的光脉冲串的互相关(C.Dorrer，“High-speed measurements for optical telecommunication systems，”IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.12，843-858(2006)；N.Yamada，H.Ohta，and S.Nogiwa，“Polarization-insensitive optical sampling system using two KTP crystals，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，215-217(2004)；M.Westlund，P.A.Andrekson，H.Sunnerud，J.Hansryd，and J.Li，“High-performance optical-fiber-nonlinearity-based optical waveform monitoring，”J.Lightwave Technol.20，2012-2022(2005)；J.Li，M.Westlund，H.Sunnerud，B.-E.Olsson，M.Karlsson，and P.A.Andrekson，“0.5-Tb/seye-diagram measurement by optical sampling using XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，566-568(2004)；C.Dorrer，C.R.Doerr，I.Kang，R.Ryf，J.Leuthold，and P.J.Winzer，“Measurement of eye diagrams and constellation diagrams of optical sources using linear optics and waveguide technology，”J.Lightwave Technol.23，178-186(2005))。已经展示了用于互相关的各种技术，这些技术主要是基于非线性光栅的形式(N.Yamada，H.Ohta，and S.Nogiwa，“Polarization-insensitive optical sampling system using two KTP crystals，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，215-217(2004)；M.Westlund，P.A.Andrekson，H.Sunnerud，J.Hansryd，and J.Li，“High-performance optical-fiber-nonlinearity-based optical waveform monitoring，”J.Lightwave Technol.20，2012-2022(2005)；J.Li，M.Westlund，H.Sunnerud，B.-E.Olsson，M.Karlsson，and P.A.Andrekson，“0.5-Tb/s eye-diagram measurement by optical sampling using XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，566-568(2004))。 例如，诸如“和-差频率生成”那样的非线性处理(N.Yamada，H.Ohta，and S.Nogiwa，“Polarization-insensitive optical sampling system using two KTP crystals，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，215-217(2004))，四波混频(FWM)(M.Westlund，P.A.Andrekson，H.Sunnerud，J.Hansryd，and J.Li，“High-performance optical-fiber-nonlinearity-based optical waveform monitoring，”J.Lightwave Technol.20，2012-2022(2005))，以及交叉相位调制(J.Li，M.Westlund，H.Sunnerud，B.-E.Olsson，M.Karlsson，and P.A.Andrekson，“0.5-Tb/s eye-diagram measurement by optical sampling using XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，566-568(2004))被用来以高达500Gb/s的数据速率对通信信号进行采样。还研究了基于相干线性检测的互相关(C.Dorrer，C.R.Doerr，I.Kang，R.Ryf，J.Leuthold，and P.J.Winzer，“Measurement of eye diagrams and constellation diagrams of optical sources using linear optics and waveguide technology，”J.Lightwave Technol.23，178-186(2005))，它在结构体系上类似于那些非线性技术。尽管这样的系统可以达到亚皮秒的采样分辨率，但采样点在时间上相隔很远，因为这些采样点由采样脉冲周期(大于1纳秒)所决定。结果，样本必须被后处理，以便重建重复波形或对应于数字数据流的眼图。光分组和非重复光波形不能通过使用这些采样技术被表征，而且信号中的快速波动很难监视和表征，因为每个泵浦脉冲到达在采样后的波形上仅生成单个点。
[0011] 提出了能够以单次来表征任意波形的几种解决方案。一种解决方案是时间-空间转换，它允许通过使用一个检测器阵列进行时间采样(J.-H.Chung and A.M.Weiner，“Real-time detection of femtosecond optical pulse sequences via time-to-space conversion in the lightwave communications band，”J.Lightwave Technol.21，3323-3333(2003)；Y.Takagi，Y.Yamada，K.Ishikawa，S.Shimizu，and S.Sakabe，“Ultrafast single-shot optical oscilloscope based on time-to-space conversion due to temporal and spatial walk-off effects in nonlinear mixing crystal，”Jpn.J.Appl.Phys.44，6546-6549(2005)；P.C.Sun，Y.T.Mazurenko，and Y.Fainman，“Femtosecond pulse imaging：ultrafast optical oscilloscope，”J.Opt.Soc.Am.A 14，
1159-1170(1997)；M.A.Foster，R.Salem，D.F.Geraghty，A.C.Turner-Foster，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope，”Nature 456，
81-84(2008))。然而，基于这种方法的大多数所展示的系统限制了波形记录长度，很难达到快速检测器读出速率，这使得它们不适用于监视快速变化的信号。
1159-1170(1997)；M.A.Foster，R.Salem，D.F.Geraghty，A.C.Turner-Foster，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope，”Nature 456，
81-84(2008))。然而，基于这种方法的大多数所展示的系统限制了波形记录长度，很难达到快速检测器读出速率，这使得它们不适用于监视快速变化的信号。
[0012] 另一解决方案是基于创建泵信号的几个复制品(C.Dorrer，J.Bromage，and J.D.Zuegel，“High-dymanic-range single-shot cross-correlator based on an optical pulse replicator，”Opt.Express 16，13534-13544(2008))或输入波形(K.-L.Deng，R.J.Runser，I.Glesk，and P.R.Prucnal，“Single-shot optical sampling oscilloscope for ultrafast optical waveforms，”IEEE Photon.Technol.Lett，10，397-399(1998))，以便执行单次采样。然而，灵敏度受到所创建的复制品数目的限制，这导致要在灵敏度与样本数之间进行取舍。
[0013] 因此，本领域需要用于具有亚皮秒分辨率且具有长于100ps记录长度的光波形采样的超快速系统和方法。本领域还需要可被应用于非重复信号、短的光分组和单个事件的超快速光波形采样。本领域还需要可被用来将低速采样设备转换成超快速采样系统的光波形采样系统。
[0014] 在另一实施例中，时间展宽系统提供了允许表征短的光分组和一次性光事件的单次采样，以及监视光信号的快速变化。
[0015] 在第2节中或在本申请的任何其它章节中的任何参考文献的引用或标识不应当被认为是承认这样的参考文献作为本发明的现有技术。3.发明内容
[0016] 提供了一种用于展宽信号波形的时间展宽设备，包括
[0017] 输入扩散单元，用于对输入信号波形进行扩散；
[0018] 泵浦脉冲源；
[0019] 泵浦脉冲扩散单元，用于对由泵浦源所产生的泵浦脉冲进行扩散(或“施加啁啾(chirping)”)；
[0020] 光耦合器，用于将泵浦脉冲和扩散后的输入信号波形进行组合；
[0021] 四波混频器(FWM)，其中该四波混频器耦合到光耦合器；
[0022] 带通滤波器；以及
[0023] 输出扩散单元。
[0024] 在一个实施例中，所述时间展宽设备包括光检测器。
[0025] 在另一个实施例中，所述光检测器是实时示波器或采样示波器。
[0026] 在另一个实施例中，所述泵浦脉冲源是OPO或短脉冲激光器。
[0027] 所述输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元可以是本领域已知的任何适当的扩散单元。在一个实施例中，所述输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是光栅、光纤、啁啾布拉格光栅、或扩散波导管。
[0028] 所述四波混频器(FW)可以是本领域已知的任何FWM设备，例如基于硅芯片的波导管、光子晶体光纤、高度非线性光纤、半导体光放大器、或介电非线性波导管。
[0029] 在另一个实施例中，所述四波混频器(FWM)是基于硅芯片的波导管(或FWM设备)，所述带通滤波器被集成在FWM芯片上。
[0030] 在另一个实施例中，泵浦路径上总的扩散与信号路径上总的扩散的比率是2∶1。
[0031] 在另一个实施例中，展宽倍数由输出扩散单元的扩散与输入信号波形的扩散之间的比率给出。
[0032] 在另一个实施例中，所述输入扩散单元耦合到泵浦脉冲源和光耦合器。
[0033] 在另一个实施例中，所述泵浦脉冲扩散单元耦合到信号源(或发射机)和光耦合器。
[0034] 在另一个实施例中，所述四波混频器耦合到光耦合器和输出扩散单元。
[0035] 在另一个实施例中，所述带通滤波器耦合到四波混频器和第三扩散单元。
[0036] 在另一个实施例中，所述带通滤波器耦合到输出扩散单元和光检测器。
[0037] 在另一个实施例中，所述光检测器耦合到输出扩散单元。
[0038] 在另一个实施例中，输入信号和泵浦路径的扩散斜率小到使得与所希望的时间分辨率相关的三阶扩散长度比这些扩散路径的物理长度长至少10倍(实际的倍数可能取决于失真容差)。正如本领域技术人员将会认识到的，如果T是所希望的时间分辨率，而β3是扩散斜率，则对于具有与所希望的分辨率相同的宽度的脉冲的三阶扩散长度被定义为L’D3
＝T/β3。
＝T/β3。
[0039] 在另一个实施例中，输出扩散大到足以使得时间-频率转换在时间透镜后面发生，即，在时间透镜后面的信号的扩散长度比在输出处扩散路径的物理长度短得多。
[0040] 在另一个实施例中，放大倍数(它是输入与输出扩散之间的比率)在10-100、100-1000或1000-10000的范围内。
[0041] 在另一个实施例中，所述输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元是具有小的扩散斜率的光纤，而输出扩散单元是比输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元具有更多的(或更大的)扩散的光纤。
[0042] 在另一个实施例中，信号波形的展宽倍数是至少100倍、至少200倍、至少300倍、至少400倍、或至少500倍。
[0043] 在另一个实施例中，提供了一种用于展宽信号波形的时间展宽设备，包括：
[0044] 输入扩散单元，用于对耦合到输入信号波形源的输入信号波形进行扩散；
[0045] 泵浦脉冲源；
[0046] 泵浦脉冲扩散单元，用于对耦合到泵浦脉冲源的泵浦脉冲进行扩散；
[0047] 光耦合器，用于对泵浦脉冲和输入信号波形进行组合；
[0048] 四波混频器，耦合到光耦合器的输出端；
[0049] 带通滤波器，耦合到四波混频器的输出端；
[0050] 输出扩散单元，耦合到带通滤波器的输出端；以及
[0051] 光检测器，耦合到输出扩散单元的输出端。
[0052] 在一个实施例中，输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是光纤。
[0053] 在另一个实施例中，光检测器是耦合到第三扩散单元的输出端的实时示波器。
[0054] 在另一个实施例中，输入信号路径和泵浦路径的扩散斜率小到使得与所希望的时间分辨率相关的三阶扩散长度比输入信号路径和泵浦路径的物理长度长至少10倍。
[0055] 在另一个实施例中，所述输出扩散单元耦合到四波混频器的输出端，所述带通滤波器耦合到输出扩散单元的输出端，所述实时示波器耦合到带通滤波器的输出端。
[0056] 提供了一种用于对光信号进行采样的方法，包括以下步骤：
[0057] 得到(或提供)要采样的输入信号波形；
[0058] 展宽所述输入信号波形，以在时间上使输入信号减慢；以及
[0059] 用光检测器检测减慢后的信号。
[0060] 在一个实施例中，展宽输入信号波形的步骤包括：
[0061] 将啁啾(chirp)施加到输入信号波形上；以及
[0062] 在扩散单元中对啁啾信号波形进行扩散。
[0063] 在另一个实施例中，将啁啾施加到输入信号波形的步骤包括对泵浦脉冲进行扩散以及对扩散后的泵浦脉冲和扩散后的信号波形进行组合的步骤。
[0064] 还提供了一种用于对光信号进行采样的方法，包括以下步骤：
[0065] 得到(或提供)要采样的输入信号波形；
[0066] 在输入扩散单元中对所述输入信号波形进行扩散；
[0067] 提供泵浦脉冲；
[0068] 在泵浦脉冲扩散单元中对所述泵浦脉冲进行扩散，其中泵浦脉冲的扩散与输入信号波形的扩散的比率是2∶1；
[0069] 在光耦合器中对扩散后的泵浦脉冲和扩散后的信号波形进行组合；
[0070] 在四波混频器中对组合后的泵浦脉冲和扩散后的信号波形施加四波混频；
[0071] 用带通滤波器对四波混频器的输出进行滤波；
[0072] 在输出扩散单元中对四波混频器的输出进行扩散；以及
[0073] 用光检测器检测输出。
[0074] 在一个实施例中，用带通滤波器对四波混频器的输出进行滤波的步骤在用扩散单元对四波混频器的输出进行扩散的步骤之前进行。
[0075] 在另一个实施例中，用带通滤波器对四波混频器的输出进行滤波的步骤在用扩散单元对四波混频器的输出进行扩散的步骤之后进行。
[0076] 在另一个实施例中，所述方法包括提供用于耦合到四波混频器中的硅波导管。
[0077] 在另一个实施例中，所述光检测器是实时示波器或采样示波器。
[0078] 在另一个实施例中，所述泵浦脉冲源是OPO或短脉冲激光器。
[0079] 在另一个实施例中，所述输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是光栅、光纤、啁啾布拉格光栅、或扩散波导管。
[0080] 所述四波混频器(FWM)可以是本领域已知的任何适合的FWM设备。在一个实施例中，所述四波混频器(FWM)是基于硅芯片的波导管(或FWM设备)、光子晶体光纤、高度非线性的光纤、半导体光放大器、或介电非线性波导管。
[0081] 在另一个实施例中，所述四波混频器(FWM)是基于硅芯片的波导管(或FWM设备)，所述带通滤波器被集成在FWM芯片上。
[0082] 另一个实施例中，泵浦路径上总的扩散与信号路径上总的扩散的比率是2∶1。
[0083] 在另一个实施例中，展宽倍数由所述输出扩散单元的扩散与信号波形的扩散之间的比率给出。
[0084] 在另一个实施例中，输入信号路径和泵浦路径的扩散斜率小到使得与所希望的时间分辨率相关的三阶扩散长度比输入信号路径和泵浦路径的物理长度长至少10倍。
[0085] 在另一个实施例中，所述输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元是具有小的扩散斜率的光纤，而所述输出扩散单元是比输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元具有更多的(或更大的)扩散的光纤。
[0086] 在另一个实施例中，信号波形被展宽至少100倍、200倍、300倍、400倍、或500倍的倍数。
[0087] 在另一个实施例中，进行信号波形的单次采样。4.附图说明
[0088] 本发明在这里参照附图描述，其中相似的附图标记在多个图示中表示相似的单元。应当理解的是，在某些实例中，本发明的各个方面可以被夸大或放大地示出，以便于理解本发明。
[0089] 图1(a)是示出了使用FWM时间透镜的时间放大的概念的示意图。啁啾泵浦脉冲与输入信号进行混频，将二次相位传递给信号。(b)是用来使用硅纳米波导管演示时间放大概念的实验装置。细节见例3。
[0090] 图2.基于硅的超快速光示波器。超快速光示波器是使用在硅芯片上基于四波混频的参数化时间透镜来实现的。a.空间透镜使用上面示出的二焦距配置而生成输入波形的傅立叶变换。b.在时间波形傅立叶变换处理器中的时间透镜将输入的时间特性变换成输出的频谱特性。然后通过简单地测量处理器输出的频谱而执行单次时间测量。细节见例1。
[0091] 图3.超快速光示波器(UFO)的记录长度和分辨率的表征。一个342fs的脉冲使用基于硅芯片的UFO被时间扫描和测量，演示了100ps的记录长度。在这个扫描范围内该342fs脉冲的平均UFO观测宽度为407fs，表示220fs的去卷积分辨率。细节见例1。
[0092] 图4.使用超快速示波器和互相关器的测量结果的比较。a.通过非线性频谱展宽和扩散而生成的30ps脉冲。b.通过对两个300fs脉冲进行扩散和干涉而生成的高度复杂的波形。插图示出了从60ps到70ps的10ps区域。c.分开的超短脉冲激光源的测量结果。基于硅芯片的UFO被用来通过改变施加到激光源内的电-光调制器上的电压而实时地使得工作脉冲宽度最小化。d.具有不同间隔的两个啁啾脉冲的单次测量结果，与多激的互相关进行对比。当脉冲重叠时，在时域上观察到干涉条纹。细节见例1。
[0093] 图5.时间成像系统和基于FWM的时间透镜的示意图。细节见例2。
[0094] 图6.(a)用来演示基于FWM的时间透镜的实验装置。(b)输入信号的自相关，它包含具有3.3ps脉冲宽度和14.5ps间隔的两个脉冲。(c)计算得到的输入信号，其假定为高斯脉冲特性。(d)在硅波导管的输出端处的光谱。细节见例2。
[0095] 图7.使用20GHz检测器测得的放大的信号，(a)和(b)为仅存在两个脉冲中的一个脉冲的情况，(c)为两个脉冲都存在的情况。细节见例2。
[0096] 图8.(a)第一待测信号的互相关。(b)在硅波导管的输出端处测得的光谱，显示了高效的波长变换。变换后的信号光谱代表时域中的输入波形(时间到频率变换)。(c)对于不同的放大倍数所显示的展宽信号。(d)在用520倍进行时间展宽之前和之后所显示的任意光波形。细节见例3。
[0097] 图g.(a)是显示用于表征随机变化的信号的时间展宽系统和方法的应用的示意图。(b)是80Gb/s RZ信号的单次测量结果和相应的眼图。细节见例3。
[0098] 图10.对于发射机的三个不同的脉冲宽度设置的眼图比较，显示了对于较长的脉冲宽度的眼图出现了恶化。细节见例3。5.具体实施方式
[0099] 提供了用于时间展宽的系统、设备和方法。时间展宽系统(或设备)和方法可被用来直接表征超快速光信号。用于超快速光波形采样的系统和方法是基于输入信号波形的时间展宽。在一个实施例中，时间展宽是使用基于非线性介质中的四波混频的时间透镜设备而执行的。这样的适当的非线性介质是本领域已知的。
[0100] 在一个实施例中，时间展宽系统(或“展宽系统”)可包括输入扩散单元、时间透镜和输出扩散单元。信号经由输入扩散单元被传递。扩散后的信号被发送到时间透镜中，该时间透镜包括啁啾泵浦脉冲和非线性介质。啁啾泵浦脉冲与该信号进行组合。在非线性设备或非线性介质中发生四波混频过程，这导致生成新的光频率的信号(闲频信号(idler))。闲频信号通过使用带通滤波器与该信号和泵浦脉冲在频谱上分开，并被发送到输出扩散单元。输出扩散单元比输入扩散单元长，并且时间展宽倍数由这两个单元的扩散之间的比率给出。
[0101] 为了清楚地公开，而不是为了限制，本发明的详细描述被分成下述分段。
[0102] 5.1.工作原理
[0103] 提供了用于高速采样的方法，其中输入信号在时间上被展宽，类似于用于对电信号进行光采样的技术(J.Chou，O.Boyraz，B.Jalali，“Femtosecond real-time single-shot digitizer，”Appl.Phys.Lett.91，161105(2007)；C.Dorrer，“Single-shot measurement of the electric field of optical waveforms by use of time magnification and heterodyning，”Opt.Lett.31，540-542(2006))。
[0104] 在一个实施例中，高速采样是基于使用FWM时间透镜的时间展宽。利用了空间-时间对偶性的概念(M.A.Foster，R.Salem，D.F.Geraghty，A.C.Turner-Foster，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope，”Nature456，81-84(2008)；C.V.Bennett，B.D.Moran，C.Langrock，M.M.Fejer，and M.Ibsen，“640GHz real-time recording using temporal imaging，”Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest CD，paper CtuA6(2008))，它依赖于空间场的衍射传播与时间波形的扩散传播之间的等价性。像空间透镜可以放大空间图案那样，时间透镜也可以在时间上放大信号(C.V.Bennett and B.H.Kolner，“Principles of parametric temporal imaging-Part I：System configurations，”IEEE J.Quantum Electron.36，
430-437(2000)；C.V.Bennett，R.P.Scott，and B.H.Kolner，“Temporal magnification and reversal of 100Gb/s optical data with an upconversion time microscope，”Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；C.V.Bennett，B.D.Moran，C.Langrock，M.M.Fejer，and M.Ibsen，“640 GHz real-time recording using temporal imaging，”Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest CD，paper CtuA6(2008)；R.Salem，M.A.Foster，A.C.Turner，D.F.Geraghty，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Optical time lens based on four-wave mixing on a silicon chip，”Opt.Lett.33，1047-1049(2008))。
430-437(2000)；C.V.Bennett，R.P.Scott，and B.H.Kolner，“Temporal magnification and reversal of 100Gb/s optical data with an upconversion time microscope，”Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；C.V.Bennett，B.D.Moran，C.Langrock，M.M.Fejer，and M.Ibsen，“640 GHz real-time recording using temporal imaging，”Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest CD，paper CtuA6(2008)；R.Salem，M.A.Foster，A.C.Turner，D.F.Geraghty，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Optical time lens based on four-wave mixing on a silicon chip，”Opt.Lett.33，1047-1049(2008))。
[0105] 时域中透镜的功能是在输入信号上赋予二次相移。尽管当前本领域已知的方法是使用电光相位调制器，但可被赋予给信号的最大相移是有限的，这限制了它在超快速信号处理方面的使用(M.T.Kauffman，W.C.Banyal，A.A.Godil，and D.M.Bloom，D.M.“Time-to-frequency converter for measuring picosecond optical pulses，”Appl.Phys.Lett.64，270-272(1994)；J.van Howe and C.Xu，“Ultrafast optical signal processing based upon space-time dualities，”J.Lightwave Technol.24，2649-2662(2006)；C.V.Bennett and B.H.Kolner，“Principles of parametric temporal imaging-Part I：System configurations，”IEEE J.Quantum Electron.36，
430-437(2000))。
430-437(2000))。
[0106] 在一个实施例中，可使用时间透镜，与电驱动相位调制器相比，该时间透镜产生10倍以上的最大相移，是基于利用参数非线性光处理过程产生的，比如与啁啾泵浦脉冲的“和频率或差频率生成”(C.V.Bennett and B.H.Kolner，“Principles of parametric temporal imaging-Part I：System configurations，”IEEE J.Quantum Electron.36，
430-437(2000)；C.V.Bennett，R.P.Scott，and B.H.Kolner，“Temporal magnification and reversal of 100Gb/s optical data with an upconversion time microscope，”Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；C.V.Bennett，B.D.Moran，C.Langrock，M.M.Fejer，and M.Ibsen，“640 GHz real-time recording using temporal imaging，”Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest CD，paper CtuA6(2008))。啁啾泵浦脉冲的二次相位通过非线性波混频处理被传送到输入信号。使用这种方法的时间成像方案是本领域已知的(C.V.Bennett and B.H.Kolner，“Principles of parametric temporal imaging-Part I：System configurations，”IEEE J.Quantum Electron.36，
430-437(2000)；C.V.Bennett，R.P.Scott，and B.H.Kolner，“Temporal magnification and reversal of 100Gb/soptical data with an upconversion time microscope，”Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；C.V.Bennett，B.D.Moran，C.Langrock，M.M.Fejer，and M.Ibsen，“640GHzreal-time recording using temporal imaging，”Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest CD，paper CtuA6(2008))。
430-437(2000)；C.V.Bennett，R.P.Scott，and B.H.Kolner，“Temporal magnification and reversal of 100Gb/s optical data with an upconversion time microscope，”Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；C.V.Bennett，B.D.Moran，C.Langrock，M.M.Fejer，and M.Ibsen，“640 GHz real-time recording using temporal imaging，”Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest CD，paper CtuA6(2008))。啁啾泵浦脉冲的二次相位通过非线性波混频处理被传送到输入信号。使用这种方法的时间成像方案是本领域已知的(C.V.Bennett and B.H.Kolner，“Principles of parametric temporal imaging-Part I：System configurations，”IEEE J.Quantum Electron.36，
430-437(2000)；C.V.Bennett，R.P.Scott，and B.H.Kolner，“Temporal magnification and reversal of 100Gb/soptical data with an upconversion time microscope，”Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；C.V.Bennett，B.D.Moran，C.Langrock，M.M.Fejer，and M.Ibsen，“640GHzreal-time recording using temporal imaging，”Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest CD，paper CtuA6(2008))。
[0107] 在硅波导管中或在利用X(3)的其它材料中的FWM也可以被用于实现参数化时间透镜(例1和2，也参见M.A.Foster，R.Salem，D.F. Geraghty，A.C.Turner-Foster，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope，”Nature 456，81-84，2008；R.Salem，M.A.Foster，A.C.Turner，D.F.Geraghty，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Optical time lens based on four-wave mixing on a silicon chip，”Opt.Lett.33，
1047-1049，2008)。与“和频率或差频率生成”不同的是，输入信号和输出信号在频率上可以是彼此接近的。
1047-1049，2008)。与“和频率或差频率生成”不同的是，输入信号和输出信号在频率上可以是彼此接近的。
[0108] 5.2.时间展宽系统
[0109] 提供了用于超快速光波形采样的系统(即，设备)和方法，它们是基于信号的时间展宽。时间展宽是使用时间透镜设备而执行的，其基于在非线性介质中的四波混频。
[0110] 在一个实施例中，展宽系统可包括输入扩散单元、时间透镜和输出扩散单元。信号首先经由输入扩散单元被传递。扩散后的信号被发送到时间透镜，时间透镜包括啁啾泵浦脉冲和非线性介质。啁啾泵浦脉冲与该信号进行组合，并在非线性设备中发生四波混频处理过程，这导致生成新的光频率的信号(闲频信号)。闲频信号随后使用带通滤波器与该信号和泵浦脉冲在频谱上分开，并被发送到输出扩散单元。输出扩散单元比输入扩散单元具有更多的总的扩散，并且时间展宽倍数由这两个单元的扩散之间的比率给出。
[0111] 还提供了用于展宽信号波形的时间展宽设备，包括：
[0112] 输入扩散单元，用于对输入信号波形进行扩散；
[0113] 泵浦脉冲源；
[0114] 泵浦脉冲扩散单元，用于对由泵浦源产生的泵浦脉冲进行扩散(或“施加啁啾”)；
[0115] 光耦合器，用于对泵浦脉冲和扩散后的输入信号波形进行组合；
[0116] 四波混频器(FWM)，其中该四波混频器被耦合到光耦合器；
[0117] 带通滤波器；以及
[0118] 输出扩散单元。
[0119] 在一个实施例中，时间展宽设备包括光检测器。
[0120] 在另一个实施例中，光检测器是实时示波器或采样示波器。
[0121] 在另一个实施例中，泵浦脉冲源是OPO或短脉冲激光器。
[0122] 输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元可以是本领域已知的任何适当的扩散单元。在一个实施例中，输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是光栅、光纤、布拉格光栅(例如啁啾布拉格光栅)、光栅、棱镜或扩散波导管。
[0123] 四波混频器(FW)可以是本领域已知的任何FWM设备，例如，基于硅芯片的波导管、半导体波导管、光子晶体光纤、光纤、高度非线性光纤、半导体光放大器、或介电非线性波导管。
[0124] 在另一个实施例中，四波混频器(FWM)是基于硅芯片的波导管(或FWM设备)，带通滤波器被集成在FWM芯片上。
[0125] 在另一个实施例中，在泵浦路径上总的扩散与在信号路径上总的扩散的比率是2∶1。
[0126] 在另一个实施例中，展宽倍数由输出扩散单元的扩散与输入信号波形的扩散之间的比率给出。
[0127] 在另一个实施例中，输入扩散单元被耦合到(或者功能连接到)泵浦脉冲源和光耦合器。
[0128] 在另一个实施例中，泵浦脉冲扩散单元被耦合到信号源(或发射机)和光耦合器。
[0129] 在另一个实施例中，四波混频器被耦合到光耦合器和输出扩散单元。
[0130] 在另一个实施例中，带通滤波器被耦合到四波混频器和第三扩散单元。
[0131] 在另一个实施例中，带通滤波器被耦合到输出扩散单元和光检测器。
[0132] 在另一个实施例中，光检测器被耦合到输出扩散单元。
[0133] 在另一个实施例中，输入信号和泵浦路径的扩散斜率小到使得与所希望的时间分辨率相关联的三阶扩散长度比这些扩散路径的物理长度至少长10倍(实际的倍数可能取决于失真容差)。正如本领域技术人员将会认识到的，如果T是所希望的时间分辨率，β3是扩散斜率，则对于具有与所希望的分辨率相同的宽度的脉冲的三阶扩散长度被定义为L’D3
＝T/β3。
＝T/β3。
[0134] 在另一个实施例中，输出扩散大到足以使得时间-频率转换在时间透镜后发生，即，在时间透镜后信号的扩散长度比在输出处扩散路径的物理长度短得多。
[0135] 在另一个实施例中，放大倍数(它是输入扩散与输出扩散之间的比率)在10-100、100-1000或1000-10000的范围内。
[0136] 在另一个实施例中，输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元是具有小的扩散斜率的光纤，而输出扩散单元是比输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元具有更多的(或更大的)扩散的光纤。
[0137] 在另一个实施例中，信号波形的展宽倍数是至少100倍、至少200倍、至少300倍、至少400倍、或至少500倍。
[0138] 在另一个实施例中，提供了用于展宽信号波形的时间展宽设备，包括：
[0139] 输入扩散单元，用于对耦合到输入信号波形源的输入信号波形进行扩散；
[0140] 泵浦脉冲源；
[0141] 泵浦脉冲扩散单元，用于对耦合到泵浦脉冲源的泵浦脉冲进行扩散；
[0142] 光耦合器，用于对泵浦脉冲和输入信号波形进行组合；
[0143] 四波混频器，被耦合到光耦合器的输出端；
[0144] 带通滤波器，被耦合到四波混频器的输出端；
[0145] 输出扩散单元，被耦合到带通滤波器的输出端；以及
[0146] 光检测器，被耦合到输出扩散单元的输出端。
[0147] 在一个实施例中，输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是光纤。
[0148] 在另一个实施例中，光检测器是耦合到第三扩散单元的输出端的实时示波器。
[0149] 在另一个实施例中，输入信号路径和泵浦路径的扩散斜率小到使得与所希望的时间分辨率相关联的三阶扩散长度比输入信号路径和泵浦路径的物理长度至少长10倍。
[0150] 在另一个实施例中，输出扩散单元被耦合到四波混频器的输出端，带通滤波器被耦合到输出扩散单元的输出端，并且实时示波器被耦合到带通滤波器的输出端。
[0151] 在另一个实施例中，时间展宽系统具有全光纤和波导管几何形状(完全引导的)，并且可以被封装在紧凑和牢靠的系统中。
[0152] 在另一个实施例中，该系统直接显示光波形(无需检索算法)。
[0153] 图1(a)示出了时间展宽系统的一个实施例，其包括输入扩散单元、时间透镜和输出扩散单元。时间透镜包括借助于经由扩散单元和硅纳米波导管进行传递而被施加啁啾的泵浦脉冲，硅纳米波导管将泵浦脉冲的信息啁啾经由FWM传递给扩散后的输入信号。以类似于空间成像系统放大空间图案的方式将输入信号在时间上放大，放大倍数由公式M＝DoLo/DiLi给出，其中DiLi和DoLo分别是输入和输出扩散单元的总的扩散。
[0154] 对于大的展宽倍数，总的输入扩散(DiLi)优选地约为用于啁啾泵浦脉冲的扩散(DpLp)的一半，该扩散对应于时间透镜的时间焦距(见例1和2)。类似于空间傅立叶分析器，在时间透镜后的信号的频谱代表时间输入波形，时间到波长的转换倍数由公式Δλ/-1Δt＝(DiLi) 给出。类似于Fraunhofer衍射，在时间透镜后面的大的扩散单元将信号从频域转换回时域(J.Azana and M.A.Muriel，“Real-time optical spectrum analysis based on the time-space duality in chirped fiber gratings，”IEEE J.Quantum Electron.36，517-526(2000))，波长到时间的转换倍数近似由公式Δt′/Δλ＝DoLo给出，这导致在t与t’之间的时间展宽倍数M＝DoLo/DiLi。
[0155] 在该系统中的非线性设备可以使用本领域已知的方法来制造，例如使用电子束光刻或者光刻在硅纳米制造设施中制造。非线性设备可以通过使用本领域已知的任何适当的半导体或介电材料(波导管)或非线性玻璃(光纤)来制造。
[0156] 在一个实施例中，该系统包括短脉冲激光器，它可以是基于光纤或半导体，在某些实施例中，它可以与非线性硅波导管集成在一起。
[0157] 在另一个实施例中，纳米锥被用来耦合到硅波导管中。这样的设置在某些实施例中可以改善耦合效率。耦合器可以由本领域已知的任何适当的材料、例如硅制成。在其它实施例中，例如在FWM设备是光纤或介电波导管的实施例中，耦合器不是由硅制成，而是用本领域已知的其它适当的材料制成。
[0158] 在另一个实施例中，输出检测系统包括光检测器和电采样设备。这两种类型的设备是可商业获得的，在某些实施例中，这两种类型的设备可以被集成在硅芯片上或本领域已知的其它适当的基质上。
[0159] 扩散单元可基于可商业获得的光纤。可以使用本领域已知的和可商业获得的其它扩散源，例如光纤-布拉格光栅、棱镜、光栅等等。
[0160] 在一个实施例中，时间透镜是基于四波混频(FWM)的三阶非线性过程的参数化时间透镜(见例1)。由于这种装置是基于三阶Kerr非线性，基于FWM的时间透镜可以在包括在例1中使用的CMOS兼容的SOI光子学平台在内的任何材料平台上实现。这种时间透镜的输出在接近于泵浦波和输入波的那些波长的波长处生成，使得所有交互作用的波都在S-、C-、和L-电信波段内，例如，这允许通过使用对于这些波段可用的、已经建立的仪器和部件来操控所有的波。
[0161] FWM时间透镜和在纳米波导管中可用的扩散工程的灵活性可以被用于通过使用其它CMOS兼容的波导材料、如SiN和SiON而将该方法扩展到不同的波长范围(例如，可见光)。
[0162] 在一些实施例中，时间展宽系统的部件可以全部片上集成。
[0163] 在另一个实施例中，该系统可以与使用本领域已知方法的光学时钟同步，这使得能够通过使通信信号的许多单次测量进行重叠而进行眼图测量。
[0164] 5.3.时间展宽方法
[0165] 提供了用于对光信号进行采样的方法，包括以下步骤：
[0166] 得到(或提供)要采样的输入信号波形；
[0167] 展宽输入信号波形，以在时间上使输入信号减慢；以及
[0168] 用光检测器检测减慢后的信号。
[0169] 在一个实施例中，展宽输入信号波形的步骤包括：
[0170] 将啁啾施加到输入信号波形上；以及
[0171] 在扩散单元中对啁啾信号波形进行扩散。
[0172] 在另一个实施例中，将啁啾施加到输入信号波形的步骤包括对泵浦脉冲进行扩散以及对扩散后的泵浦脉冲和扩散后的信号波形进行组合的步骤。
[0173] 还提供了用于时间展宽信号的方法，包括以下步骤：
[0174] 经由输入扩散单元传递输入信号，以产生扩散后的信号；
[0175] 将扩散后的信号发送到时间透镜，其中该时间透镜包括啁啾泵浦脉冲和非线性介质；
[0176] 对啁啾泵浦脉冲和扩散后的信号进行组合，由此产生组合信号；
[0177] 在非线性设备和/或非线性介质上对组合信号进行四波混频处理，其中四波混频处理包括生成新的光频率的信号(下面被称为“闲频信号(idler)”)，以及
[0178] 使用带通滤波器将闲频信号与组合信号在频谱上分开；以及
[0179] 将组合信号发送到输出扩散单元。
[0180] 还提供了用于对光信号进行采样的方法，包括以下步骤：
[0181] 得到(或提供)要采样的输入信号波形；
[0182] 在输入扩散单元中对输入信号波形进行扩散；
[0183] 提供泵浦脉冲；
[0184] 在泵浦脉冲扩散单元中对泵浦脉冲进行扩散，其中泵浦脉冲的扩散与输入信号波形的扩散的比率是2∶1；
[0185] 在光耦合器中对扩散后的泵浦脉冲与扩散后的信号波形进行组合；
[0186] 在四波混频器中对组合的泵浦脉冲和扩散后的信号波形施加四波混频；
[0187] 使用带通滤波器对四波混频器的输出进行滤波；
[0188] 在输出扩散单元中对四波混频器的输出进行扩散；以及
[0189] 用光检测器检测输出。
[0190] 在一个实施例中，使用带通滤波器对四波混频器的输出进行滤波的步骤在使用扩散单元对四波混频器的输出进行扩散的步骤之前进行。
[0191] 在另一个实施例中，使用带通滤波器对四波混频器的输出进行滤波的步骤在使用扩散单元对四波混频器的输出进行扩散的步骤之后进行。
[0192] 在另一个实施例中，该方法包括提供硅波导管，用于耦合到四波混频器中。
[0193] 在另一个实施例中，光检测器是实时示波器或采样示波器。
[0194] 在另一个实施例中，泵浦脉冲源是OPO或短脉冲激光器。
[0195] 在另一个实施例中，输入扩散单元、泵浦脉冲扩散单元和/或输出扩散单元是光栅、光纤、啁啾布拉格光栅或扩散波导管。
[0196] 四波混频器(FWM)可以是在本领域已知的任何适合的FWM设备。在一个实施例中，四波混频器(FWM)是基于硅芯片的波导管(或FWM设备)、光子晶体光纤、高度非线性的光纤、半导体光放大器、或介电非线性波导管。
[0197] 在另一个实施例中，四波混频器(FWM)是基于硅芯片的波导管(或FWM设备)，带通滤波器被集成在FWM芯片上。
[0198] 在另一个实施例中，在泵浦路径上总的扩散与在信号路径上总的扩散的比率是2∶1。
[0199] 在另一个实施例中，展宽倍数由在输出扩散单元的扩散与信号波形的扩散之间的比率给出。
[0200] 另一个实施例中，输入信号路径和泵浦路径的扩散斜率小到使得与所希望的时间分辨率相关联的三阶扩散长度比输入信号路径和泵浦路径的物理长度至少长10倍。
[0201] 在另一个实施例中，输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元是具有小的扩散斜率的光纤，而输出扩散单元是比输入扩散单元和/或泵浦脉冲扩散单元具有更多的(或更大的)扩散的光纤。
[0202] 在另一个实施例中，信号波形被展宽至少100倍、200倍、300倍、400倍、或500倍的倍数。
[0203] 在另一个实施例中，进行信号波形的单次采样。
[0204] 在一个实施例中，输出扩散单元比输入扩散单元具有更多的总的扩散。在一个实施例中，输出扩散单元可以比输入扩散单元长，并且时间展宽倍数由这两个单元的扩散之间的比率给出。在另一个实施例中，输出扩散单元可以是与输入扩散单元相同的长度(或者甚至比输入扩散单元短)，但是比输入扩散单元具有更多的总的扩散。确定这样的单元的总的扩散是本领域已知的。
[0205] 在一个特定的实施例中，非线性设备是硅纳米波导管。也可以使用诸如本领域已知的半导体波导管或介电波导管这样的其它非线性设备。
[0206] 在另一个实施例中，输入扩散单元和/或输出扩散单元是扩散补偿光纤。也可以使用本领域已知的其它光纤，如光纤布拉格光栅、棱镜和光栅。
[0207] 5.4.时间展宽系统和方法的用途
[0208] 时间展宽系统可以被用来直接表征超快速光信号。记录长度可以由扩散单元中的三阶扩散和所希望的分辨率来确定。对于亚皮秒分辨率，长于100ps的记录长度可以通过使用可商业获得的扩散单元来达到。
[0209] 时间展宽系统可以被用来将低速采样设备转换成超快速采样系统。该系统可以与未加修改的常规采样系统相结合，将它们转换成高速采样系统。
[0210] 和普通光采样系统不一样的是，这种方法可以被应用于非重复信号、短的光分组和单个事件。由于该方案的实时特性，时间展宽系统可以被用来跟踪和监视10ns时间尺度的信号波动。
[0211] 时间展宽系统可以被用于对单个过渡现象进行采样(即，单次表征)，这允许表征短的光分组和一次性光事件，以及监视光信号的快速变化。
[0212] 该时间系统以大于100nm的宽工作带宽工作，允许亚200-fs分辨率。它具有长的记录长度(大于100ps)。在一些实施例中，它可以被用于例如对高速数据进行性能监控或者对超快速光波形进行测量。
[0213] 本发明的方法提供了用于使用常规采样设备对具有亚皮秒分辨率的超快速光波形进行单次采样的工具。可以达到单次波形测量、高速眼图分析和性能监控，以及高达500的大的展宽倍数。
[0214] 下面的示例是作为说明而不是作为限制而提供的。
[0215] 6.示例
[0216] 6.1.例1：基于硅芯片的超高速光示波器
[0217] 引言
[0218] 本例展示了基于硅芯片的超高速光示波器的一般性原理配置、设计和功能。这些原理可以被应用于时间展宽系统和方法，正如在以上和在例3(针对使用硅芯片时间放大器进行的高速光采样)中公开的。
[0219] 随着更为快速的电信数据速率的实现和对于超快速化学和物理现象的不断增长的兴趣，具有亚皮秒分辨率的光波形的简单测量越来越重要(C.Dorrer，High-speed measurements for optical telecommunication systems，IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.12，843-858(2006))。带有高速光电检测器的现有示波器提供了具有30ps分辨率的单次波形测量。尽管多激采样技术可以达到几皮秒的分辨率，但为了要对快速时变的、非同步的、或者可能只发生一次的事件进行分析，单次测量是必要的。对单次分辨率的进一步改进由于微电子带宽限制是具有挑战性的。为了克服这些限制，研究者已经着眼于全光学技术，因为光子学允许的大的处理带宽。这对于在标准电子学平台上集成光子学技术产生了极大的兴趣，其孕育了硅光子学技术领域(Jalali，B.Can silicon change photonics？，Physics Status Solid.205，213-224(2008))，并且其预示了能够实现下一代计算机处理单元和先进的高带宽通信。为了硅光子学技术在这些领域的成功，用于光性能监控的片上光信号处理将证明是关键性的。除了下一代通信以外，硅兼容的超快速计量学将对于许多基础研究领域带来很大的便利，正如从超快速测量技术不断造成的科学影响所看到的(Dudley，J.M.，Finot，C.，Richardson，D.J.，&Millot，G.，Self-similarity in ultrafast nonlinear optics.Nature Physics，3，597-603(2007)；Solli，D.R.，Ropers，C.，Koonath，P.，&Jalali，B.，Optical rogue waves.Nature，450，1054-1057(2007)；Solli，D.R.，Chou，J.，&Jalali，B.，Amplified wavelength-timetransformation for real-time spectroscopy.Nature Photonics，2，48-51(2008))。
[0220] 使用经由硅芯片上的四波混频的非线性处理的时间到频率的转换(Kauffman，M.T.，Banyal，W.C.，Godil，A.A.，&Bloom，D.M.Time-to-frequency converter for measuring picosecond optical pulses.Appl.Phys.Lett.64，270-272(1994))，本例展示了用于能够实现微电子集成的硅光子学技术平台的第一种波形测量技术。光波形在大于100ps的记录长度上以220-fs的分辨率被测量，这代表了任何能够单次的皮秒波形测量技术的最大记录长度与分辨率的比率(＞450)(Kauffman，M.T.，Banyal，W.C.，Godil，A.A.，&Bloom，D.M.Time-to-frequency converter for measuring picosecond optical pulses.Appl.Phys.Lett.64，270-272(1994)；Bennett，C.V.，Scott，R.P.，& Kolner，B.H.Temporal magnification and reversal of 100Gb/s optical data with an upconversion time microscope.Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；Bennett，C.V.，& Kolner，B.H.Upconversion time microscope demonstrating 103x magnification of femtosecond waveforms.Opt.Lett.24，783-785(1999)；Mouradian，L.K.，Louradour，F.，Messager，V.，Barthelemy，A.，&Froehly，C.Spectro-temporal imaging of femtosecond events.IEEE J.Quantum Electron.36，795-801(2000)；Azana，J.，Berger，N.K.，Levit，B.，&Fischer，B.Spectral Fraunhofer regime：time-to-frequency conversion by the action of a single time lens on an optical pulse.Appl.Opt.43，483-490(2004)；Fernandez-Pousa，C.R.Temporal resolution limits of time-to-frequency transformations.Opt.Lett.31，3049-3051(2006)；Bennett，C.V.，Moran，B.D.，Langrock，C.，Fejer，M.M.，& Ibsen，M.640GHzreal-time recording using temporal imaging.Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest Series(CD)(Optical Society of America，2008)，paper CtuA6；Kan ′ an，A.M.，&Weiner，A.M.Efficient time-to-space conversion of femtosecond optical pulses.J.Opt.Soc.Am.B 15，
1242-1245(1998)；Oba，K.，Sun，P.C.，Mazurenko，Y.T.，&Fainman，Y.Femtosecond Single-Shot Correlation System：A Time-Domain Approach.Appl.Opt.38，
3810-3817(1999)；Chou，J.，Boyraz，O.，Jalali，B.Femtosecond real-time single-shot digitizer.Appl.Phys.Lett.91，161105(2007)；Bromage，J.，Dorrer，C.，Begishev，I.A.，Usechak，N.G.，& Zuegel，J.D.Highly sensitive，single-shot characterization for pulse widths from 0.4 to 85 ps using electro-optic shearing interferometry.Opt.Lett.31，3523-3525(2006))。这种实施方式允许单次测量，并且仅利用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的绝缘体上的硅(SOI)技术的已高度开发的电子和光学材料以及单模光纤。将电子器件与这些CMOS兼容的光子学技术集成在一起的成熟SOI平台对于把这种技术扩展到普通的测试级和芯片级器件提供了很大的保证。
1242-1245(1998)；Oba，K.，Sun，P.C.，Mazurenko，Y.T.，&Fainman，Y.Femtosecond Single-Shot Correlation System：A Time-Domain Approach.Appl.Opt.38，
3810-3817(1999)；Chou，J.，Boyraz，O.，Jalali，B.Femtosecond real-time single-shot digitizer.Appl.Phys.Lett.91，161105(2007)；Bromage，J.，Dorrer，C.，Begishev，I.A.，Usechak，N.G.，& Zuegel，J.D.Highly sensitive，single-shot characterization for pulse widths from 0.4 to 85 ps using electro-optic shearing interferometry.Opt.Lett.31，3523-3525(2006))。这种实施方式允许单次测量，并且仅利用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的绝缘体上的硅(SOI)技术的已高度开发的电子和光学材料以及单模光纤。将电子器件与这些CMOS兼容的光子学技术集成在一起的成熟SOI平台对于把这种技术扩展到普通的测试级和芯片级器件提供了很大的保证。
[0221] 背景
[0222] 几种已建立的 非线性光学技 术(Kane，D.J.，&Trebino，R.Single-shot measurement of the intensity and phase of an arbitrary ultrashort pulse by using frequency-resolved optical gating.Opt.Lett.18，823-825(1993)；Dorrer，C.，de Beauvoir，B.，Le Blanc，C.，Ranc，S.，Rousseau，J.P.，Rousseau，P.，Chambaret，J.P.，&Salin，F.Single-shot real-time characterization of chirped-pulse amplification systems by spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction.Opt.Lett.24，1644-1646(1999))已经存在，以几飞秒的精度测量光波形，但具有几十皮秒的有限的单次记录长度和有限的更新速率。为了跨越电子测量与这些方法之间的时间区域及允许可快速更新的直接光检测，已经开发了利用电磁波的空间-时间对偶性及相关现象的技术(Kauffman，M.T.，Banyal，W.C.，Godil，A.A.，& Bloom，D.M.Time-to-frequency converter for measuring picosecond optical pulses.Appl.Phys.Lett.64，270-272(1994)；Bennett，C.V.，Scott，R.P.，& Kolner，B.H.Temporal magnification and reversal of 100Gb/s optical data with an upconversion time microscope.Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；
Bennett，C.V.，& Kolner，B.H.Upconversion time microscope demonstrating 103x magnification of femtosecond waveforms.Opt.Lett.24，783-785(1999)；Mouradian，L.K.，Louradour；F.，Messager，V.，Barthelemy，A.，& Froehly，C.Spectro-temporal imaging of femtosecond events.IEEE J.Quantum Electron.36，795-801(2000)；
Azana，J.，Berger，N.K.，Levit，B.，& Fischer，B.Spectral Fraunhofer regime：
time-to-frequency conversion by the action of a single time lens on an optical pulse.Appl.Opt.43，483-490(2004)；Fernandez-Pousa，C.R.Temporal resolution limits of time-to-frequency transformations.Opt.Lett.31，3049-3051(2006)；
Bennett，C.V.，Moran，B.D.，Langrock，C.，Fejer，M.M.，&Ibsen，M.640GHz real-time recording using temporal imaging.Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest Series(CD)(Optical Society of America，2008)，paper CtuA6；
Kan′an，A.M.，& Weiner，A.M.Efficient time-to-space conversion of femtosecond optical pulses.J.Opt.Soc.Am.B 15，1242-1245(1998)；Oba，K.，Sun，P.C.，Mazurenko，Y.T.，&Fainman，Y.Femtosecond Single-Shot Correlation System：A Time-Domain Approach.Appl.Opt.38，3810-3817(1999)；Chou，J.，Boyraz，O.，Jalali，B.Femtosecond real-time single-shot digitizer.Appl.Phys.Lett.91，161105(2007)；Bromage，J.，Dorrer，C.，Begishev，I.A.，Usechak，N.G.，&Zuegel，J.D.Highly sensitive，single-shot characterization for pulse widths from 0.4to 85ps using electro-optic shearing interferometry.Opt.Lett.31，3523-3525(2006))。这种对偶性依赖于支配空间场的衍射传播的近轴波动方程与支配时间场的扩散传播的标量波动方程之间的等价性(Akhmanov，S.A.，Vysloukh，V.A.，&Chirkin，A.S.Self-action of wave packets in a nonlinear medium and femtosecond laser pulse generation.Sov.Phys.Usp.29，642-677(1986)；
Kolner，B.H.Space-time duality and the theory of temporal imaging.IEEE J.Quantum Electron.30，1951-1963(1994))。对偶性意味着如透镜或棱镜那样的空间光学部件具有被称为时间透镜或时间棱镜的时间配对部分，这些部分可以通过在时间场上分别施加二次的和线性的时间相移而实现(Akhmanov，S.A.，Vysloukh，V.A.，&Chirkin，A.S.Self-action of wave packets in a nonlinear medium and femtosecond laser pulse generation.Sov.Phys.Usp.29，642-677(1986)；Kolner，B.H.Space-time duality and the theory of temporal imaging.IEEE J.Quantum Electron.30，1951-1963(1994))。此外，这些部件允许以类似于诸如波形的时间成像这样的空间配对部分的处理方式进行时间处理。
Bennett，C.V.，& Kolner，B.H.Upconversion time microscope demonstrating 103x magnification of femtosecond waveforms.Opt.Lett.24，783-785(1999)；Mouradian，L.K.，Louradour；F.，Messager，V.，Barthelemy，A.，& Froehly，C.Spectro-temporal imaging of femtosecond events.IEEE J.Quantum Electron.36，795-801(2000)；
Azana，J.，Berger，N.K.，Levit，B.，& Fischer，B.Spectral Fraunhofer regime：
time-to-frequency conversion by the action of a single time lens on an optical pulse.Appl.Opt.43，483-490(2004)；Fernandez-Pousa，C.R.Temporal resolution limits of time-to-frequency transformations.Opt.Lett.31，3049-3051(2006)；
Bennett，C.V.，Moran，B.D.，Langrock，C.，Fejer，M.M.，&Ibsen，M.640GHz real-time recording using temporal imaging.Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest Series(CD)(Optical Society of America，2008)，paper CtuA6；
Kan′an，A.M.，& Weiner，A.M.Efficient time-to-space conversion of femtosecond optical pulses.J.Opt.Soc.Am.B 15，1242-1245(1998)；Oba，K.，Sun，P.C.，Mazurenko，Y.T.，&Fainman，Y.Femtosecond Single-Shot Correlation System：A Time-Domain Approach.Appl.Opt.38，3810-3817(1999)；Chou，J.，Boyraz，O.，Jalali，B.Femtosecond real-time single-shot digitizer.Appl.Phys.Lett.91，161105(2007)；Bromage，J.，Dorrer，C.，Begishev，I.A.，Usechak，N.G.，&Zuegel，J.D.Highly sensitive，single-shot characterization for pulse widths from 0.4to 85ps using electro-optic shearing interferometry.Opt.Lett.31，3523-3525(2006))。这种对偶性依赖于支配空间场的衍射传播的近轴波动方程与支配时间场的扩散传播的标量波动方程之间的等价性(Akhmanov，S.A.，Vysloukh，V.A.，&Chirkin，A.S.Self-action of wave packets in a nonlinear medium and femtosecond laser pulse generation.Sov.Phys.Usp.29，642-677(1986)；
Kolner，B.H.Space-time duality and the theory of temporal imaging.IEEE J.Quantum Electron.30，1951-1963(1994))。对偶性意味着如透镜或棱镜那样的空间光学部件具有被称为时间透镜或时间棱镜的时间配对部分，这些部分可以通过在时间场上分别施加二次的和线性的时间相移而实现(Akhmanov，S.A.，Vysloukh，V.A.，&Chirkin，A.S.Self-action of wave packets in a nonlinear medium and femtosecond laser pulse generation.Sov.Phys.Usp.29，642-677(1986)；Kolner，B.H.Space-time duality and the theory of temporal imaging.IEEE J.Quantum Electron.30，1951-1963(1994))。此外，这些部件允许以类似于诸如波形的时间成像这样的空间配对部分的处理方式进行时间处理。
[0223] 利用空间-时间对偶性的两种方法可被应用于测量超快速光波形。像空间透镜可以放大图像那样，时间透镜可以在时间上展宽超快速波形，允许使用本来对于未放大的波形具有不足的时间分辨率的光电检测器和示波器进行测量。这种技术被称为时 间 放 大(Bennett，C.V.，Scott，R.P.，&Kolner，B.H.Temporal magnification and reversal of 100Gb/s optical data with an upconversion time microscope.Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；Bennett，C.V.，&Kolner，B.H.Upconversion time microscope demonstrating 103x magnification of femtosecond waveforms.Opt.Lett.24，783-785(1999)；Bennett，C.V.，Moran，B.D.，Langrock，C.，F ejer，M.M.，& Ibsen，M.640GHzreal-time recording using temporal imaging.Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest Series(CD)(Optical Society of America，2008)，paper CtuA6))。第二种测量方法利用透镜的傅立叶特征(Goodman，J.W.Introduction to Fourier Optics.(McGraw-Hill，San Francisco，1968))：放 置在透镜的前方焦平面处的物体将在透镜的后方焦平面处产生物体的傅立叶变换，如图2a所示。由于时间波形的傅立叶变换是它的光谱，将空间傅立叶处理器扩展到时域，产生了一种设备，它将输入的时间(频谱)特性变换成输出的频谱(时间)特性，如图
2b所示。因此，在傅立叶平面上的频谱的测量直接得到了入射波形的时间幅值，这一处理过程被称为时间-频率变换(Kauffman，M.T.，Banyal，W.C.，Godil，A.A.，& Bloom，D.M.Time-to-frequency converter for measuring picosecond optical pulses.Appl.Phys.Lett.64，270-272(1994))。
2b所示。因此，在傅立叶平面上的频谱的测量直接得到了入射波形的时间幅值，这一处理过程被称为时间-频率变换(Kauffman，M.T.，Banyal，W.C.，Godil，A.A.，& Bloom，D.M.Time-to-frequency converter for measuring picosecond optical pulses.Appl.Phys.Lett.64，270-272(1994))。
[0224] 时间成像设备的相移典型地是通过使用电光相位调制器而施加的，然而，也可以通过使用诸如“和频率生成(SFG)”和“差频率生成(DFG)”那样的参数化非线性波混频处理来实现替代方案。一种技术被称为参数化时间成像(Bennett，C.V.，&Kolner，B.H.Principles of parametric temporal imaging-Part I：System configurations.IEEE J.Quantum Electron.36，430-437(2000))，其包括用线性啁啾泵进行波混频，得到近似等价于具有线性频率啁啾或者等价地具有对于时间透镜所需的二次相移的信号波形的变换后的波形。参数化时间透镜具有超过100π的相移，这远大于在使用电光相位调制器时最大可能的10π，因而大大地扩展了时间成像系统的应用。使用SFG和DFG二阶非线性处理的缺点在于，只有很窄范围的材料拥有二阶非线性矩，而且变换后的波形在与泵浦信号或输入信号的波长有很大不同的波长处固有地生成。基于使用DFG进行时间放大的波形测量已得到了预期的结果，包括对于100ps的同步记录长度以小于900fs的分辨率的超快速波形的单次测量(Bennett，C.V.，Moran，B.D.，Langrock，C.，Fejer，M.M.，&Ibsen，M.640GHz real-time recording using temporal imaging.Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest Series(CD)(Optical Society of America，2008)，paper CtuA6))。基于使用SFG的时间-频率变换的波形测量已经展示了使用多次平均在31ps记录长度上有3ps的分辨率(Kauffman，M.T.，Banyal，W.C.，Godil，A.A.，&Bloom，D.M.Time-to-frequency converter for measuring picosecond optical pulses.Appl.Phys.Lett.64，270-272(1994))。
[0225] 本例展示了基于四波混频(FWM)的三阶非线性处理的参数化时间透镜。这个时间透镜被应用于创建基于硅芯片的超快速光示波器(UFO)。由于这种设备是基于三阶Kerr非线性，基于FWM的时间透镜可以在包括本例中使用的CMOS兼容的SOI光子学技术平台的任何材料平台上实现。这种时间透镜的输出在接近于泵浦波和输入波波长的波长上生成，使得所有交互作用的波能够在例如S-、C-和L-电信波段内，这允许通过使用对于这些波段可用的、已经建立的仪器和部件来操控所有的波。
[0226] 在大于100ps的记录长度上具有220-fs分辨率的高度复杂的波形的测量是用该设备执行的。这个220-fs分辨率和大于100-ps的记录长度的组合代表了用于皮秒时间范围的任何能够进行单次波形测量的技术的最大记录长度与分辨率的比率(＞450)(Kauffman，M.T.，Banyal，W.C.，Godil，A.A.，&Bloom，D.M.Time-to-frequency converter for measuring picosecond optical pulses.Appl.Phys.Lett.64，
270-272(1994)；Bennett，C.V.，Scott，R.P.，&Kolner，B.H.Temporal magnification and reversal of 100Gb/s optical data with an upconversion time microscope.Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；Bennett，C.V.，& Kolner，B.H.Upconversion time microscope demonstrating 103x magnification of femtosecond waveforms.Opt.Lett.24，783-785(1999)；Mouradian，L.K.，Louradour；F.，Messager，V.，Barthelemy，A.，& Froehly，C.Spectro-temporal imaging of femtosecond events.IEEE J.Quantum Electron.36，795-801(2000)；Azana，J.，Berger，N.K.，Levit，B.，&Fischer，B.Spectral Fraunhofer regime：time-to-frequency conversion by the action of a single time lens on an optical pulse.Appl.Opt.43，483-490(2004)；Fernandez-Pousa，C.R.Temporal resolution limits of time-to-frequency transformations.Opt.Lett.31，3049-3051(2006)；Bennett，C.V.，Moran，B.D.，Langrock，C.，Fejer，M.M.，& Ibsen，M.640 GHz real-time recording using temporal imaging.Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest Series(CD)(Optical Society of America，2008)，paper CtuA6；Kan′an，A.M.，& Weiner，A.M.Efficient time-to-space conversion of femtosecond optical pulses.J.Opt.Soc.Am.B 15，1242-1245(1998)；
Oba，K.，Sun，P.C.，Mazurenko，Y.T.，&Fainman，Y.Femtosecond Single-Shot Correlation System：A Time-Domain Approach.Appl.Opt.38，3810-3817(1999)；Chou，J.，Boyraz，O.，Jalali，B.Femtosecond real-time single-shot digitizer.Appl.Phys.Lett.91，
161105(2007)；Bromage，J.，Dorrer，C.，Begishev，I.A.，Usechak，N.G.，&Zuegel，J.D.Highly sensitive，single-shot characterization for pulse widths from 0.4to
85ps using electro-optic shearing interferometry.Opt.Lett.31，3523-3525(2006))。
此外，与通常使用的技术不同，如频率分辨的光栅(Kane，D.J.，& Trebino，R.Single-shot measurement of the intensity and phase of an arbitrary ultrashort pulse by using frequency-resolved optical gating.Opt.Lett.18，823-825(1993))和用于直接电场重建的频谱-相位干涉测量(Bromage，J.，Dorrer，C.，Begishev，I.A.，Usechak，N.G.，&Zuegel，J.D.Highly sensitive，single-shot characterization for pulse widths from 0.4to 85 ps using electro-optic shearing interferometry.Opt.Lett.31，
3523-3525(2006)；Dorrer，C.，de Beauvoir，B.，Le Blanc，C.，Ranc，S.，Rousseau，J.P.，Rousseau，P.，Chambaret，J.P.，&Salin，F.Single-shot real-time characterization of chirped-pulse amplification systems by spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction.Opt.Lett.24，1644-1646(1999))，这种实施方式不使用重建算法，而是直接测量时间幅值特性，这允许进行可快速更新的单次测量。
270-272(1994)；Bennett，C.V.，Scott，R.P.，&Kolner，B.H.Temporal magnification and reversal of 100Gb/s optical data with an upconversion time microscope.Appl.Phys.Lett.65，2513-2515(1994)；Bennett，C.V.，& Kolner，B.H.Upconversion time microscope demonstrating 103x magnification of femtosecond waveforms.Opt.Lett.24，783-785(1999)；Mouradian，L.K.，Louradour；F.，Messager，V.，Barthelemy，A.，& Froehly，C.Spectro-temporal imaging of femtosecond events.IEEE J.Quantum Electron.36，795-801(2000)；Azana，J.，Berger，N.K.，Levit，B.，&Fischer，B.Spectral Fraunhofer regime：time-to-frequency conversion by the action of a single time lens on an optical pulse.Appl.Opt.43，483-490(2004)；Fernandez-Pousa，C.R.Temporal resolution limits of time-to-frequency transformations.Opt.Lett.31，3049-3051(2006)；Bennett，C.V.，Moran，B.D.，Langrock，C.，Fejer，M.M.，& Ibsen，M.640 GHz real-time recording using temporal imaging.Conference on Lasers and Electro-Optics，OSA Technical Digest Series(CD)(Optical Society of America，2008)，paper CtuA6；Kan′an，A.M.，& Weiner，A.M.Efficient time-to-space conversion of femtosecond optical pulses.J.Opt.Soc.Am.B 15，1242-1245(1998)；
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161105(2007)；Bromage，J.，Dorrer，C.，Begishev，I.A.，Usechak，N.G.，&Zuegel，J.D.Highly sensitive，single-shot characterization for pulse widths from 0.4to
85ps using electro-optic shearing interferometry.Opt.Lett.31，3523-3525(2006))。
此外，与通常使用的技术不同，如频率分辨的光栅(Kane，D.J.，& Trebino，R.Single-shot measurement of the intensity and phase of an arbitrary ultrashort pulse by using frequency-resolved optical gating.Opt.Lett.18，823-825(1993))和用于直接电场重建的频谱-相位干涉测量(Bromage，J.，Dorrer，C.，Begishev，I.A.，Usechak，N.G.，&Zuegel，J.D.Highly sensitive，single-shot characterization for pulse widths from 0.4to 85 ps using electro-optic shearing interferometry.Opt.Lett.31，
3523-3525(2006)；Dorrer，C.，de Beauvoir，B.，Le Blanc，C.，Ranc，S.，Rousseau，J.P.，Rousseau，P.，Chambaret，J.P.，&Salin，F.Single-shot real-time characterization of chirped-pulse amplification systems by spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction.Opt.Lett.24，1644-1646(1999))，这种实施方式不使用重建算法，而是直接测量时间幅值特性，这允许进行可快速更新的单次测量。
[0227] 基于硅芯片的UFO的能力用各种不同的输入波形进行测试。每个输入波形进入UFO，并通过由一段长度的光纤组成的扩散单元传递。为了匹配于FWM时间透镜的焦距，输入波与泵浦脉冲进行混频，该泵浦脉冲被传送通过光纤的扩散长度两次。在传送通过光纤后，泵浦脉冲和测试波形组合，并在SOI纳米波导管中执行FWM。这些硅结构的强的光学限制允许高效率的非线性处理和工程上可行的群速扩散(GVD)，其通过宽的泵浦可调谐性得到了大于150nm的变换带宽(Dulkeith，E.，Xia，F.，Schares，L.，Green，W.M.J.，& Vlasov Y.A.Group index and group velocity dispersion in silicon-on-insulator photonic wires.Opt.Express.14，3853-3863(2006)；Turner，A.C.，Manolatou，C.，Schmidt，B.S.，Lipson，M.，Foster，M.A.，Sharping，J.E.，&Gaeta，A.L.Tailored anomalous group-velocity dispersion in silicon channel waveguides.Opt.Express14，4357-4362(2006)；Foster，M.A.，Turner，A.C.，Sharping，J.E.，Schmidt，B.S.，Lipson，M.，& Gaeta，A.L.Broad-band optical parametric gain on a silicon photonic chip.Nature 441，960-963(2006)；Lin，Q.，Zhang，J.，Fauchet，P.M.，& Agrawal，G.P.Ultrabroadband parametric generation and wavelength conversion in silicon waveguides.Opt.Express 14，4786-4799(2006)；Foster，M.A.，Turner，A.C.，Salem，R.，Lipson，M.，&Gaeta，A.L.Broad-band continuous-wave parametric wavelength conversion in silicon nanowaveguides.Opt.Express 15，12949-12958(2007))。所得到的FWM生成的频谱使用光谱仪被测量，以确定输入的时间特性。
[0228] 泵浦脉冲带宽和扩散路径的长度决定了UFO的记录长度和分辨率。用于基于FWM的变换器的时间-频率变换倍数由下式给出：
[0229]
[0230] 其中Δt是输入信号的时间位移，Δω是所得到的空间位移，β2是GVD参数，L是扩散信号路径的长度。对于该系统，这个关系式得到了对于时间位置中5.2ps位移的变换后的波长的1-nm位移。通过使用FWM，窄带信号可以被变换成超过两倍的泵浦带宽，这产生了对于基于FWM的UFO的近似记录长度τrecord，
[0231] τrecord＝2β2LΩpump， (4)
[0232] 其中Ωpump是泵浦脉冲的频谱带宽。UFO的分辨率通过考虑时间Δ函数经由UFO系统的传递而被预测。该冲击响应正好就是该仪器的时间分辨率τresolution，由下式给出：
[0233]
[0234] 其中τpump是泵浦脉冲宽度。对于这个系统，这些关系式预测了150ps的记录长度和200ps的分辨率。实际上，在泵浦与信号之间的分离和FWM变换带宽会限制记录长度。如由于TOD、FWM变换带宽和频谱仪的频谱分辨率所引起的相对于泵浦脉冲的二次相位的偏离也会决定时间分辨率。由于FWM变换带宽限制了记录长度和分辨率，重要的是使得这个数值最大化。
[0235] 在本实施方式中使用的硅波导管具有足够大的变换带宽(＞150nm)(Foster，M.A.，Turner，A.C.，Salem，R.，Lipson，M.，&Gaeta，A.L.Broad-band continuous-wave parametric wavelength conversion in silicon nanowaveguides.Opt.Express 15，12949-12958(2007))，其允许UFO性能仅受到三阶扩散(TOD)和频谱仪性能所造成的偏差的制约。
[0236] 该系统的记录长度和分辨率是通过注入342-fs脉冲并改变它的时间位置来表征的。如图3所示，脉冲位置是在100ps的记录长度上测得的。为了表征基于FWM的UFO的分辨率，从在该设备的记录长度上这个脉冲的平均观测宽度，对时间分辨率进行去卷积。测量了407fs的平均脉冲宽度，与342fs的实际脉冲宽度相比，其指示对于这个实施方式有220fs的时间分辨率。
[0237] 通过生成具有不同复杂性的测试波形，进一步研究基于硅芯片的UFO的测量能力。首先，通过使用呈现450-fs分辨率和100-ps记录长度的UFO，对受到非线性频谱展宽和扩散的脉冲进行测量。这个脉冲的UFO测量结果与互相关的比较在图4a中示出。具有甚至更大的复杂性的光波形通过生成具有900-fs时间特征的120-ps波形来测量。这个波形是使用具有220-fs分辨率的、基于硅芯片的UFO被测量的。这个测量的结果和与互相关的比较在图4b中示出。
[0238] 图4a，b中的测试波形是由与泵浦脉冲相同的激光源得到的。UFO也可以被用来通过将具有9.6GHz重复速率的可变脉冲宽度时间透镜压缩的激光源(van Howe，J.，Lee，J.H.，Xu，C.Generation of 3.5nJ femtosecond pulses from a continuous-wave laser without mode locking.Opt.Lett.32，1408-1410(2007))与工作在36MHz下的超快速光纤激光泵浦源进行同步，对来自一个单独的源的波形进行测量。使用具有220-fs分辨率的UFO，9.6GHz源的脉冲宽度通过观察它从具有30-mW峰值功率的30-ps脉冲压缩到具有150-mW峰值功率的6-ps脉冲而得以优化。使用UFO的这种优化的结果与互相关的比较在图4c中示出。
[0239] 最后，该设备的单次能力通过结合单次频谱仪而被演示。测量了三个单次光波形，它们是由具有86ps、27ps的时间分隔、并且在时间上几乎重叠的两个脉冲组成的。这些单次测量的结果与多次互相关的比较在图4d中示出。正如由86-ps间隔所显示的，保持了100-ps的记录长度。当脉冲重叠时，观察到具有3-ps周期的时间干涉条纹。对于这个实施方式，由于红外照相机，时间分辨率被限制在766fs/像素，或者记录长度与分辨率的比率被限制在130。具有1000像素以上的高动态范围线性阵列是可商业获得的，在一些实施例中，可允许利用该设备的全部(＞450)记录长度与分辨率的比率。
[0240] 单次测量的动态范围受到在硅纳米波导管中所允许的、同时避免自相位调制和自由载波生成的最大功率(Foster，M.A.，Turner，A.C.，Salem，R.，Lipson，M.，&Gaeta，A.L.Broad-band continuous-wave parametric wavelength conversion in silicon nanowaveguides.Opt.Express 15，12949-12958(2007))和每个像素的最小可检测功率的限制。这些约束条件会把时间透镜处信号峰值功率的范围限制在100μW到100mW，其对应3
于10 的动态范围。进入到UFO内的最大功率取决于特征宽度，因为窄的时间特征将在扩散传播期间在透镜前面散布，因此在透镜处的峰值功率要低得多。如果考虑分辨率受限的
5
时间特征，则允许40W的峰值功率，这对应于10 的动态范围。此外，由于最小可检测功率取决于所希望的单次分辨率，而最大功率则不取决于它，因此在该系统中可能以减小的分辨率实现较高的动态范围测量。
于10 的动态范围。进入到UFO内的最大功率取决于特征宽度，因为窄的时间特征将在扩散传播期间在透镜前面散布，因此在透镜处的峰值功率要低得多。如果考虑分辨率受限的
5
时间特征，则允许40W的峰值功率，这对应于10 的动态范围。此外，由于最小可检测功率取决于所希望的单次分辨率，而最大功率则不取决于它，因此在该系统中可能以减小的分辨率实现较高的动态范围测量。
[0241] 在所有的测量中，观察到在基于硅的UFO和与280-ps脉冲的互相关之间具有良好的一致性。无论如何，与UFO相比较，观察到某些偏差，这些偏差部分地是由于被用来使波形和泵浦脉冲到达互相关器的到达时间同步的光纤有着稍微不同的长度(变化小于3米)而造成的。另外的不一致性可能是由于在FWM时间透镜中泵浦脉冲的缺陷而造成的。为了实现最佳性能，必须很仔细地得到泵浦脉冲的整齐和平坦的频谱幅值和相位。另外，分辨率最后还受到扩散单元中的TOD所引起的像差的限制。在扩散路径中扩散平坦的光纤或扩散-工程化波导管的使用(Dulkeith，E.，Xia，F.，Schares，L.，Green，W.M.J.，&Vlasov Y.A.Group index and group velocity dispersion in silicon-on-insulator photonic wires.Opt.Express.14，3853-3863(2006)；Turner，A.C.，Manolatou，C.，Schmidt，B.S.，Lipson，M.，Foster，M.A.，Sharping，J.E.，&Gaeta，A.L.Tailored anomalous group-velocity dispersion in silicon channel waveguides.Opt.Express
14，4357-4362(2006))可被用来缓解这种像差，并通过使用亚100-fs泵浦脉冲来提供趋于亚100-fs分辨率的路径。
14，4357-4362(2006))可被用来缓解这种像差，并通过使用亚100-fs泵浦脉冲来提供趋于亚100-fs分辨率的路径。
[0242] 在一些实施例中，该测量系统的部件可以全部集成在芯片上。具体地说，脉冲激光源(Koch，B.R.，Fang，A.W.，Cohen，O.，&Bowers，J.E.Mode-locked silicon evanescent lasers.Opt.Express 15，11225-11233(2007))、用于扩散路径的低损耗扩散-工程化波导 管 (Dulkeith，E.，Xia，F.，Schares，L.，Green，W.M.J.，&Vlasov Y.A.Group index and group velocity dispersion in silicon-on-insulator photonic wires.Opt.Express.14，3853-3863(2006)；Turner，A.C.，Manolatou，C.，Schmidt，B.S.，Lipson，M.，Foster，M.A.，Sharping，J.E.，&Gaeta，A.L.Tailored anomalous group-velocity dispersion in silicon channel waveguides.Opt.Express 14，4357-4362(2006))、以及集成单次频谱仪和检测器(Cheben，P.，Schmid，J.H.，Delage，A.，Densmore，A.，Janz，S.，Lamontagne，B.，Lapointe，J.，Post，E.，Waldron，P.，& Xu，D.-X.，A high-resolution silicon-on-insulator arrayed waveguide grating microspectrometer with submicrometer aperture waveguides.Opt.Express 15，2299-2306(2007))的集成都是在硅光子学技术中当前研究的领域。此外，FWM时间透镜和在纳米波导管中可用的扩散工程的灵活性允许通过使用如SiN和SiON那样的其它CMOS兼容的波导材料而直接将该技术扩展到不同的波长范围(例如，可见光)。另外，使用UFO来测量任意重复率的源需要具有重复率灵活性的超快速泵激光器，它例如可以通过使用时间透镜压缩的源(van Howe，J.，Lee，J.H.，Xu，C.Generation of 3.5nJ femtosecond pulses from a continuous-wavelaser without mode locking.Opt.Lett.32，1408-1410(2007))来实现。单次能力不仅允许测量单个光学事件，而且当与光学时钟同步时，也允许通过重叠通信信号的许多个单次测量结果来测量眼图。
[0243] 总之，这个例子演示了用于根据使用绝缘体上的硅的光子芯片中的四波混频的非线性处理而实现的时间透镜测量光波形的超快速示波器。这个例子也演示了测量高度复杂的波形的能力，并且设备的单次操作被实验证实。基于FWM的UFO使用标准光学和电子材料，并且在CMOS兼容的光子芯片上潜在地集成部件为基于该技术创建测试级和芯片级器件提供了很大的保证，这为需要简单、超快速地测量光波形的许多科学分支中的研究提供了便利。
[0244] 方法概要
[0245] 为了实验表征基于硅的UFO，从超快速光纤激光器或光学参数化振荡器生成泵浦波和输入波。脉冲串在频谱上被划分成280-fs泵浦脉冲和信号脉冲。每个输入波形进入UFO并通过由50米长度的扩散补偿光纤(DCF)所构成的扩散单元被传递，随后与通过100米长度的DCF被传递的泵浦脉冲进行混频。图4a-c中的测试波形是使用非线性频谱展宽、扩散和干涉的组合而创建。1.5厘米长的硅纳米波导管具有300nm×750nm的横截面尺寸、1.5dB/cm的线性传播损耗、以及3-dB的耦合效率。对于多次测量，FWM光谱使用光谱分析仪来表征。对于单次演示，使用单色光镜和红外照相机来实现，每帧创建一个单个事件。
[0246] 方法
[0247] 激光源
[0248] 所使用的超快速光纤激光器产生38-MHz重复速率的80-fs脉冲。所使用的光学参数化振荡器产生76-MHz重复速率的150-fs脉冲。泵浦脉冲是具有以1550nm为中心的15nm带宽的280-fs泵浦脉冲。图4的测试波形是从以1580nm为中心的可变带宽信号脉冲生成的。
[0249] 光纤
[0250] 使用了DCF(Corning model：DCM-D-080-04)，因为它具有比标准单模光纤(SMF)(Corning model：SMF-28)的扩散斜率小12倍的扩散斜率。这个较小的TOD减小了透镜像差，实验中在时间分辨率方面得到了相当于使用SMF的等价系统的2倍的改进。在通过DCF传递后，15-nm带宽泵浦脉冲使用铒掺杂的光纤放大器(EDFA)被放大，随后在CMOS兼容的嵌入式SOI纳米波导管中执行FWM。
[0251] 测试波形
[0252] 图4a中的测试波形是通过在EDFA中放大信号脉冲和在放大器中引入非线性频谱展宽而创建的。频谱展宽的脉冲随后通过2米长的光纤被传递。图4b中的测试波形是使用50米的光纤和Michelson干涉仪对两个300-fs脉冲进行扩散和干涉而生成的。图4c中的测试波形是通过对具有9.6GHz重复速率的时间透镜压缩的激光源(van Howe，J.，Lee，J.H.，Xu，C.Generation of 3.5nJ femtosecond pulses from a continuous-wave laser without mode locking.Opt.Lett.32，1408-1410(2007))和工作在36MHz下的超快速光纤激光泵浦源进行同步而生成的。9.6GHz源的脉冲宽度由被发送到用于时间透镜压缩器的相位调制器的电正弦波的幅值来决定。图4d中的测试波形是通过使用50米的SMF对300-fs脉冲施加啁啾并使用Michelson干涉仪把它分成两个脉冲而生成的。随后使用干涉仪上的延时级来调节脉冲之间的间隔。
[0253] 硅波导管
[0254] 硅波导管的尺寸被选为通过在C-电信波段中设置零GVD点而使变换带宽最大。在纳米波导管内的峰值光功率保持在低于100mW，以避免自相位调制和在硅中由于二光子而引起的自由载波效应(Foster，M.A.，Turner，A.C.，Salem，R.，Lipson，M.，&Gaeta，A.L.Broad-band continuous-wave parametric wavelength conversion in silicon nanowaveguides.Opt.Express 15，12949-12958(2007))。
[0255] 单次测量
[0256] 单次频谱仪的每帧创建一个单个的事件。38MHz源通过使用电光调制器被下采样，使得每0.5μs仅生成一个脉冲，其对应于照相机的积分时间，因此对应于每个照相机图像的单次拍摄。
[0257] 6.2.例2：基于在硅芯片上的四波混频(FWM)的光学时间透镜
[0258] 这个例子演示了基于在硅芯片上的四波混频(FWM)的光学时间透镜的配置、设计和功能的一般性原理。这些一般性原理可被应用于使用硅芯片时间放大器进行高速光采样的方法和系统，如在上面和在例3中所公开的。
[0259] 本例演示了实现用于基于在硅纳米波导管中的四波混频的超快速时间处理的光学时间透镜的技术。所演示的时间透镜产生大于100π的相移，这是使用电光相位调制器不容易实现的。使用本方法，演示了由两个3ps脉冲组成的信号的20倍放大，这允许使用具有20GHz带宽的检测器进行时间测量。该技术提供了在芯片级器件中进行超快速时间表征和处理的能力。
[0260] 引言
[0261] 空间-时间对偶性已经被用作为用于高速时间处理的技术(M.T.Kauffman，W.C.Banyai，A.A.Godil，and D.M.Bloom，Appl.Phys.Lett.64，270(1994)；B.H.Kolner，IEEEJ.Quantum Electron.30，1951(1994)；C.V.Bennett，R.P.Scott，and B.H.Kolner，Appl.Phys.Lett.65，2513(1994)；L.K.Mouradian，F.Louradour，V.Messager，A.；Barthelemy，and C.Froehly，IEEE J.Quantum Electron.36，795(2000)；C.V.Bennett and B.H.Kolner，IEEE J.Quantum Electron.36，430(2000)；J.Azaa，N.K.Berger，B.Levit，and B.Fischer，Appl.Opt.43，483(2004)；J.van Howe and C.Xu，J.Lightwave Technol.24，
2649(2006))。这种对偶性是基于在波束通过空间的近轴衍射与通过扩散介质的脉冲传播之间的平行性。利用这个概念，演示了脉冲压缩(B.H.Kolner，Appl.Phys.Lett.52，
1122(1988))、时间放大(C.V.Bennett，R.P.Scott，and B.H.Kolner，Appl.Phys.Lett.65，
2513(1994)；C.V.Bennett and B.H.Kolner，IEEE J.Quantum Electron.36，430(2000))、可调谐的延时(J.van Howe and C.Xu，Opt.Lett.30，99(2005))、和时序抖动减小(J.van Howe and C.Xu，J.Lightwave Technol.24，2649(2006))。为了在时域中实现空间成像系统，需要空间透镜的时间等价性。这样的设备常常被称为时间透镜，它将二次相位施加到输入波形。实现时间透镜的简单的方法是使用用二次电压驱动的相位调制器来对光信号的相位进行调制。实际上，具有正弦波形的调制电压被用来提供局部的二次相位(M.T.Kauffman，W.C.Banyai，A.A.Godil，and D.M.Bloom，Appl.Phys.Lett.64，270(1994))。因此，透镜以低的像差工作的时间窗口被限制在调制信号周期的一个片段。使用这种类型的时间透镜的另一个困难是由于驱动电压受到调制器可容忍的最大电压的限制而引起的。这限制了可被施加到输入信号的最大相移。
2649(2006))。这种对偶性是基于在波束通过空间的近轴衍射与通过扩散介质的脉冲传播之间的平行性。利用这个概念，演示了脉冲压缩(B.H.Kolner，Appl.Phys.Lett.52，
1122(1988))、时间放大(C.V.Bennett，R.P.Scott，and B.H.Kolner，Appl.Phys.Lett.65，
2513(1994)；C.V.Bennett and B.H.Kolner，IEEE J.Quantum Electron.36，430(2000))、可调谐的延时(J.van Howe and C.Xu，Opt.Lett.30，99(2005))、和时序抖动减小(J.van Howe and C.Xu，J.Lightwave Technol.24，2649(2006))。为了在时域中实现空间成像系统，需要空间透镜的时间等价性。这样的设备常常被称为时间透镜，它将二次相位施加到输入波形。实现时间透镜的简单的方法是使用用二次电压驱动的相位调制器来对光信号的相位进行调制。实际上，具有正弦波形的调制电压被用来提供局部的二次相位(M.T.Kauffman，W.C.Banyai，A.A.Godil，and D.M.Bloom，Appl.Phys.Lett.64，270(1994))。因此，透镜以低的像差工作的时间窗口被限制在调制信号周期的一个片段。使用这种类型的时间透镜的另一个困难是由于驱动电压受到调制器可容忍的最大电压的限制而引起的。这限制了可被施加到输入信号的最大相移。
[0262] 可以应用非线性光学处理将二次相位施加到输入信号。例如，在具有二次时间特性的泵浦脉冲与输入信号之间的交叉相位调制导致将二次相位加到信号上(L.K.Mouradian，F.Louradour，V.Messager，A.Barthelemy，and C.Froehly，IEEE J.QuantumElectron.36，795(2000))。然而，为了把大的相移施加到输入信号，需要高的泵功率。另外，泵浦脉冲的二次时间形状只能被保持在脉冲持续时间的一部分内。实现时间透镜的另一技术是使用参数化处理(C.V.Bennett，B.D.Moran，C.Langrock，M.M.Fejer，and M.Ibsen，in Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications Systems Technologies，OSA Technical Digest Series(CD)(Optical Society of America，2007)，paper CFF)，如通过啁啾泵浦脉冲的“和频率”或“差频率”生成。这种方法允许将大的相移施加到输入信号，使得时间成像技术的应用扩展到亚皮秒范围。
[0263] 本例展示了四波混频(FWM)的参数化处理可被用来产生时间透镜。不像仅仅在具有二阶非线性的材料中发生的“和频率”与“差频率”生成那样，FWM在包括硅玻璃和硅的任何材料中发生。因此，具有成熟制造工艺的其它类别的光学设备，包括光纤和硅绝缘体装置，也可被用于实现FWM时间透镜。另外，在FWM处理中经过变换的波长在附近的波长处生成，这使得更容易检测或发送用于电信应用的信号。在厘米长度硅纳米波导管中的Kerr非线性被成功地用于构建非线性设备，如基于FWM的波长转换器(M.A.Foster，A.C.Turner，R.Salem，M.Lipson，and A.L.Gaeta，Opt.Express 15，12949(2007)；R.Salem，M.A.Foster，A.C.Turner，D.F.Geraghty，M.Lipson，and A.L.Gaeta，Nat.Photonics 2，35(2008)；Y.-H.Kuo，H.Rong，V.Sih，S.Xu，M.Paniccia，and O.Cohen，Opt.Express 14，11721(2006))、参数化放大器(M.A.Foster，A.C.Turner，J.E.Sharping，B.S.Schmidt，M.Lipson，and A.L.Gaeta，Nature 441，960(2006))、和信号再生器(R.Salem，M.A.Foster，A.C.Turner，D.F.Geraghty，M.Lipson，and A.L.Gaeta，Opt.Express 15，7802(2007))。在参数化时间透镜方案中，变换处理的带宽决定了成像系统的时间分辨率。已经表明，在硅纳米波导管中的扩散(A.C.Turner，C.Manolatou，B.S.Schmidt，M.Lipson，M.A.Foster，J.E.Sharping，and A.L.Gaeta，Opt.Express 14，4357(2006))可以通过改变波导管尺寸而以高精度进行控制。这种扩散定制允许大至150nm的变换带宽(M.A.Foster，A.C.Turner，R.Salem，M.Lipson，and A.L.Gaeta，Opt.Express 15，12949(2007))，从而能够表征单个瞬变现象，或者以飞秒的分辨率快速改变波形。
[0264] 图5示出了使用时间透镜的时间成像概念。理想的透镜施加二次相位 到信号，使得：
[0265]
[0266] 其中 是与透镜相关联的焦距群时延扩散(GDD)，它等于相位的二阶导数的倒数。
[0267] 在透镜前面和后面的扩散单元通过它们的GDD参数 和 来表征，其中 和L1，2分别是群速扩散(GVD)和扩散单元的长度。已经表明，类似于被用于空间透镜的关系式描述了这个成像系统，即，
[0268]
[0269] 其中放大倍数由 给出，它类似于空间成像的放大。
[0270] 被用作时间透镜的系统在图5中示出。考虑通过扩散介质传播的高斯泵浦脉冲，该扩散介质比脉冲的扩散长度长得多。结果，脉冲经过时间展宽，并且被线性地施加啁啾。啁啾泵浦脉冲的相位随时间二次地变化： 其中 是泵浦所经受的
GDD， 是GDD，Lp是扩散单元的长度。如果具有电场幅值Es(t)的输入信号经由FWM处理与啁啾泵浦电场幅值Ep(t)进行混频，则所得到的闲频电场为 它将二次
相位加到输入信号。基于公式(1)，时间透镜具有 的焦距GDD。在公式(2)中
信号的输入GDD以相反的符号出现，因为变换后的信号与输入信号的共轭值成正比。
GDD， 是GDD，Lp是扩散单元的长度。如果具有电场幅值Es(t)的输入信号经由FWM处理与啁啾泵浦电场幅值Ep(t)进行混频，则所得到的闲频电场为 它将二次
相位加到输入信号。基于公式(1)，时间透镜具有 的焦距GDD。在公式(2)中
信号的输入GDD以相反的符号出现，因为变换后的信号与输入信号的共轭值成正比。
[0271] 图6(a)示出了用来演示这个概念的实验装置。泵浦脉冲和待测信号由宽带光学参数化振荡器通过频谱滤波生成。在1557nm中心波长处的6nm带通滤波器产生泵浦脉冲，在1543nm处的1nm带通滤波器产生所述信号。信号脉冲被分成两个脉冲，一个脉冲相对于另一个脉冲被延时，然后它们被加到一起，产生了两个脉冲信号。测得的输入信号的自相关在图6(b)中示出，其显示了具有3.3ps脉冲宽度且间隔14.5ps的两个脉冲。虚线表示假设脉冲具有高斯分布时所计算出的自相关。假设具有高斯脉冲形状所计算出的输入信号在图6(c)中示出。标准光纤的1000和1900米线轴分别被用于输入信号和泵扩散单元。泵浦脉冲从0.6ps被展宽到200ps，信号脉冲从3.3ps被展宽到18ps。结果，啁啾泵浦脉冲的幅值在啁啾信号的时间间隔内近似为恒定。泵浦和信号峰值功率保持足够低的电平，使得自相位调制的影响可以被忽略。信号和泵浦然后被组合、放大，并被发送到1cm长的、具有300×750nm的横截面尺寸和3dB/cm的线性传播损耗的嵌入式绝缘体上的硅的纳米波导管。在波导管内的峰值泵功率保持为低于200mW，以避免显著的自由载波效应。在泵浦与信号之间的FWM处理产生了1570nm处的闲频信号，如图6(d)所示。在使用带通滤波器选择这个经过变换的信号之后，它被发送到具有-342ps/nm扩散的扩散补偿模块(Corning DCM-F-020)。使用针对标准单模光纤的扩散参数的数值和针对三个GDD单元的正确的符号，公式(2)得以满足，且放大系数为M＝-20。负号表示放大的信号在时间上相对于输入信号被倒相。放大的信号随后通过使用20GHz检测器和电采样示波器被测量。图7示出了当一个脉冲被关断时(图7(a)与7(b))和当两个脉冲被接通时(图7(c))的放大的信号。脉冲之间的间隔是290ps，这显示了20倍的放大。在示波器上测得的脉冲宽度比所希望的数值(66ps)要长，这是由于检测器的长的时间响应。在该时间成像系统中的扩散单元可以使用啁啾布拉格光栅来实现，以得到具有低得多的滞后的更为紧凑的系统。利用公式(1)和在扩散单元后面的泵浦脉冲的近似宽度(200ps)，使用该时间透镜可施加的总的相移估计大于100π，这是使用电光相位调制器不容易实现的。
[0272] 总之，本例演示了在硅纳米波导管上基于FWM的时间透镜。该时间透镜可被用于超快速光信号的时间处理，这种新技术的优点包括宽的变换带宽，导致增强的时间分辨率和它在芯片级器件中集成的潜力。
[0273] 6.3.例3：使用硅芯片时间放大器的高速光采样
[0274] 本例演示了用于高速信号时间展宽高达520倍的基于FWM的时间透镜的利用，从而可以使用低速电子设备来进行采样。本例还演示了以超过1TS/s的采样速率的单次采样和以80Gb/s的性能监控，作为该设备的两个重要的应用。采用这个方案达到的读出速率接近于纳秒时间等级，这允许表征快速变化的信号。在本例中描述的实施方案是基于CMOS兼容的绝缘体上的硅技术和商业可获得的单模光纤的、利用了硅纳米波导管的完全导引的系统。除了采用标准制造工艺的牢靠且电子设备兼容的平台以外，硅波导管装置还允许借助扩散工程(A.C.Turner，M.A.Foster，B.S.Schmidt，A.L.Gaeta，and M.Lipson，“Tailored anomalous group-velocity dispersion in silicon channel waveguides，”Opt.Express14，4357-4362(2006))实现功率高效(R.L.Espinola，J.I.Dadap，R.M.Osgood，Jr.，S.J.McNab，and Y.A.Vlasov，“C-band wavelength conversion in silicon photonic wire waveguides，”Opt.Express 13，4341-4349(2005)；Y.-H.Kuo，H.Rong，V.Sih，S.Xu，and M.Paniccia，“Demonstration of wavelength conversion at 40Gb/s data rate in silicon waveguides，”Opt.Express 14，11721-11726(2006)；M.A.Foster；A.C.Turner，J.E.Sharping，B.S.Schmidt，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Broad-band optical parametric gain on a silicon photonic chip，”Nature 441，960-963(2006)；M.A.Foster，A.C.Turner，R.Salem，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Broad-band continuous-wave parametric wavelength conversion in silicon nanowaveguides，”Opt.Express 15，12949-12958(2007))以及宽带(M.A.Foster，A.C.Turner，J.E.Sharping，B.S.Schmidt，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Broad-band optical parametric gain on a silicon photonic chip，”Nature 441，960-963(2006)；M.A.Foster，A.C.Turner，R.Salem，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Broad-band continuous-wave parametric wavelength conversion in silicon nanowaveguides，”Opt.Express 15，12949-12958(2007))的波长变换，使得小于100fs的时间分辨率是可能的。
[0275] 图1(a)示出了包含输入扩散单元、时间透镜和输出扩散单元的时间展宽系统的示意图。时间透镜由通过扩散单元传递被施加啁啾的泵浦脉冲和经由FWM将泵浦脉冲的线性啁啾传递到扩散后的输入信号的硅纳米波导管构成。以类似于空间成像系统放大空间图案的方式，输入信号在时间上被放大，放大倍数由M＝DoLo/DiLi给出，其中DiLi和DoLo分别是输入和输出扩散单元的总的扩散。对于大的展宽倍数，总的输入扩散(DiLi)优选地近似为对应于时间透镜的时间焦距长度的、用于对泵浦脉冲施加啁啾的扩散(DpLp)的一半(例1和2，也参阅M.A.Foster，R.Salem，D.F.Geraghty，A.C.Turner-Foster，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope，”Nature456，81-84(2008)；R.Salem，M.A.Foster，A.C.Turner，D.F.Geraghty，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Optical time lens based on four-wave mixing on a silicon chip，”Opt.Lett.33，1047-1049(2008))。
[0276] 类似于空间傅立叶分析器，在时间透镜后面的信号的频谱代表时间输入波形，时-1间到波长的变换倍数由Δλ/Δt＝(DiLi) 给出。类似于Fraunhofer衍射，在时间透镜后面的大的扩散单元将信号从频域变换回时域(J.Azana and M.A.Muriel，“Real-time optical spectrum analysis based on the time-space duality in chirped fiber gratings，”IEEE J.Quantum Electron.36，517-526(2000))，波长到时间的变换倍数由Δt′/Δλ＝DoLo近似给出，这导致在t与t’之间的时间展宽倍数M＝DoLo/DiLi。
[0277] 实验装置
[0278] 用于演示本技术的实验装置在图1(b)中示出。具有38MHz重复率和7nm带宽的无源模式锁定的光纤激光器被用作泵浦源，后面跟随具有总的扩散DpLp＝-10.4ps/nm的一段长度的扩散补偿光纤。输入信号经由具有总的扩散DiLi＝-5.2ps/nm的另一段长度的扩散补偿光纤被发送，并与啁啾泵浦脉冲组合。组合的泵浦和信号被发送到硅纳米线(横截面尺寸为300nm×700nm，1.8cm长)，通过FWM处理生成的闲频信号分量使用带通滤波器被分隔开，并被发送到具有等于DoLo的总的扩散的扩散补偿模块。被展宽的信号随后用10GHz检测器被检测，并使用10GHz采样示波器被测量。硅纳米波导管是在SOI平台上使用E-波束光刻而制作的，平均线性传播损耗为2dB/cm。使用透镜化单模光纤将光耦合到波导管，然后使用显微镜物镜透镜将波导管输出耦合回光纤。每个波导管小平面上的耦合损耗约为4dB。在系统中使用的扩散补偿光纤(Corning model：DCM-D-080-04)具有D＝87ps/nm·km的
2
扩散参数和S＝0.025ps/nm·km的扩散斜率。该光纤的扩散斜率(S)与扩散参数(D)的比率比标准单模光纤的这个比率小12倍，使得由于三阶扩散引起的失真最小化。
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扩散参数和S＝0.025ps/nm·km的扩散斜率。该光纤的扩散斜率(S)与扩散参数(D)的比率比标准单模光纤的这个比率小12倍，使得由于三阶扩散引起的失真最小化。
[0279] 在第一个实验中，使用由两个间隔8.7ps的3-ps脉冲组成的重复信号，以便演示时间展宽的概念。信号和泵浦是从相同的光纤激光器通过频谱滤波生成的。图8(a)示出了输入信号与超快速泵的互相关，图8(b)示出了在硅波导管的输出端处的频谱。如图8(b)所示，闲频信号频谱代表时域的信号，它演示在时间透镜后面的时间到频率的变换。在10GHz采样示波器上测得的展宽的信号在图8(c)中示出，对于输出扩散(DoLo)的三个不同的数值，演示了正和负的展宽倍数。
[0280] 这一方案也被使来表征更复杂的波形，如图8(d)中所示的波形。该复杂波形是通过将两个脉冲(频谱宽度为4-nm，中心在1536nm处)在时间上部分地重叠，并把它们发送到标准单模光纤的300米线轴而生成的。所述波形通过使用DoLo＝-2720ps/nm被展宽520倍(实验演示了最大的已知时间展宽倍数)，并与其互相关进行比较。对于M＝520的系统的数字建模显示有330-fs的脉冲响应，它与为达到Fraunhofer极限而假设具有零扩散斜率和非常大的放大倍数的简化模型相一致(例1，也参阅M.A.Foster，R.Salem，D.F.Geraghty，A.C.Turner-Foster，M.Lipson，and A.L.Gaeta，“Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope，”Nature 456，81-84(2008))。基于这个估计出的分辨率和由啁啾泵浦脉冲的宽度(～70ps)所决定的测量的时间孔径，该测量的记录长度与分辨率的比率(或者时间-带宽乘积(31))被估计为210。
[0281] 该系统也可以被用于单次测量随机变化的波形。图9(a)示出了这一方案如何被用于对随机编码的数据流进行采样。测量窗口是由啁啾泵浦脉冲的宽度(在本例中为～70ps)决定的，它可通过选择在泵浦路径上的扩散量而被调节。在这个测量窗口内的信号被展宽，并且使用检测器和实时示波器被测量。
[0282] 一个10-GHz脉冲串使用产生33-ps脉冲的标准Mach-Zehnder脉冲调制器(pulse carver)以及将脉冲向下压缩到4.5ps的时间透镜压缩器而生成。该脉冲串随后用具有31
2 -1个图样长度的10-Gb/s图样生成器来调制。将该信号与它的延时拷贝进行时间交织，使得在相邻的比特之间的延时为12.5ps，模拟80-Gb/s RZ数据流。信号源被同步到用作泵浦源的光纤激光器。图9(b)示出了在5-GHz实时示波器上以20GS/s被采样的展宽后的信号的图示，图中示出了该方案的单次能力。信号被展宽M＝65(DoLo＝-340ps/nm)倍，其对应于1.3-TS/s采样速率或采样值之间的770-fs间隔。眼图是使用在10-s时间窗口上累积的输入信号的380次快门拍摄(近似为8000个采样值)生成，这在图9(b)中示出，显示了对于80-Gb/s数据速率有清晰张开的眼图。通过将时间透镜后面的扩散增大到DoLo＝-1360ps/nm(M＝260)，使用5-GHz(20-GS/s)示波器观察5.2TS/s采样速率，并使用
1-GHz(5-GS/s)示波器观察1.3TS/s采样速率。
2 -1个图样长度的10-Gb/s图样生成器来调制。将该信号与它的延时拷贝进行时间交织，使得在相邻的比特之间的延时为12.5ps，模拟80-Gb/s RZ数据流。信号源被同步到用作泵浦源的光纤激光器。图9(b)示出了在5-GHz实时示波器上以20GS/s被采样的展宽后的信号的图示，图中示出了该方案的单次能力。信号被展宽M＝65(DoLo＝-340ps/nm)倍，其对应于1.3-TS/s采样速率或采样值之间的770-fs间隔。眼图是使用在10-s时间窗口上累积的输入信号的380次快门拍摄(近似为8000个采样值)生成，这在图9(b)中示出，显示了对于80-Gb/s数据速率有清晰张开的眼图。通过将时间透镜后面的扩散增大到DoLo＝-1360ps/nm(M＝260)，使用5-GHz(20-GS/s)示波器观察5.2TS/s采样速率，并使用
1-GHz(5-GS/s)示波器观察1.3TS/s采样速率。
[0283] 在一个实施例中，该高速采样系统可被用来监控通信信道和发射机的性能。演示了用于监控发射机性能的这个方案的应用。使用三种不同的脉冲宽度(4.5ps、6ps和7ps)来查看相邻比特之间的干涉的影响。较长的脉冲是通过调节时间透镜压缩器产生较弱的压缩而生成的。对应于这三个脉冲宽度的眼图在图10中示出，图中显示了对于较长的脉冲出现信号恶化。测量的功率灵敏度由最小的可检测输出峰值功率决定，该最小的可检测输出峰值功率取决于放大倍数。对于图10所示的测量，其中M＝62，估计出的最小输入峰值功率为5mW。该数值可以通过增加FWM变换效率和波导管耦合效率而被降低。
[0284] 概述
[0285] 总之，高速采样方案是基于信号被时间放大超过500倍而演示的。该方法允许使用1-GHz示波器以大于1-TS/s的速率进行光采样。与常规的光采样技术不同，该方法允许单次采样和对短的光分组进行测量。另外，眼图是在微秒时间尺度内生成的，这允许监控输入信号的MHz速率的变化。
[0286] 本发明的范围不受这里所描述的具体实施例的范围所限。事实上，本领域技术人员将通过以上的描述清楚除这里所描述的这些实施例以外的本发明的各种修改方案。这样的修改方案也落入到所附权利要求书的保护范围内。
[0287] 这里引用的所有参考文献通过整体引用且出于所有的目的在同样的程度上被并入本文，就像每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地通过整体引用并出于所有的目的被并入一样。
[0288] 任何出版物的引用是用于在申请日前公开，而不应被看作为由于先前的发明使本发明没有资格先于这样的出版物的认可。