基于硅芯片的超快光学示波器: 随着更快的电信数据速率的实现以及对超快化学和物理现象的日益关注，开发能够以亚皮秒分辨率简单测量光学波形的技术变得非常重要。具有高速光电探测器的先进的示波器可提供30 ps分辨率的单次波形测量。尽管多次激发采样技术可以实现几皮秒的分辨率，但是单次激发测量对于分析在时间上快速变化，异步或可能仅发生一次的事件是必要的。由于微电子带宽限制，单发分辨率的进一步改进是具有挑战性的。为了克服这些限制，由于光子学允许的大处理带宽，研究人员已经将目光投向了全光技术。这引起了人们对标准电子平台上的光子学集成的兴趣，这催生了硅光子学领域，并有望实现下一代计算机处理单元和高带宽通信的进步。为了使硅光子学在这些领域取得成功，用于光学性能监测的片上光信号处理将至关重要。除了下一代通信之外，硅兼容的超快计量学将对许多基础研究领域具有重要意义，这从超快测量技术继续产生的科学影响中可以明显看出。在这里，通过硅芯片上四波混频的非线性过程使用时间到频率转换，我们演示了硅光子平台内的波形测量技术。我们在大于100 ps的长度上测量具有220 fs分辨率的光学波形，这代表了任何具有单次发射能力的皮秒波形测量技术的最大记录长度与分辨率之比 (>450)。我们的实现允许单次测量，并且仅使用高度开发的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 兼容的绝缘体上硅技术和单模光纤的电子和光学材料。成熟的绝缘体上硅平台以及将电子器件与这些CMOS兼容的光子学集成的能力为将该技术扩展到普通的台式和芯片级仪器提供了巨大的希望。

　　存在几种已建立的非线性光学技术来测量具有几飞秒精度的光学波形，但是具有有限的几十皮秒的单次记录长度和有限的更新速率。为了跨越电子测量和这些方法之间的时间区域，并允许快速更新的直接光学检测，已经开发了使用电磁波的时空对偶和相关现象的技术。这种对偶依赖于控制空间场的衍射传播的近轴波方程与控制时间场的色散传播的标量波方程之间的等效性。二元性意味着诸如透镜或棱镜的空间光学部件具有被称为时间透镜或时间棱镜的时间对应物，其可以通过分别向时间场赋予二次或线性时间相移来实现。此外，这些组件允许以类似于空间对应物的方式进行时间处理，诸如波形的时间成像。

　　两种利用时空对偶性的方法可用于测量超快光波形。就像空间透镜可以放大图像一样，时间透镜可以在时间上延长超快波形，从而允许使用对于未放大的波形将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。第二种测量方法利用了透镜的傅里叶特性 -- 位于透镜前焦平面的物体将在后焦平面产生该物体的傅里叶变换 (图1a)。由于时间波形的傅立叶变换是其光谱，因此将空间傅立叶处理器扩展到时间域产生将输入的时间 (光谱) 分布转换为输出的光谱 (时间) 分布的装置 (图1b)。因此，在傅立叶平面处的频谱的测量直接产生入射波形的时间振幅，并且该过程被称为时间-频率转换。

图1：硅基超快光学示波器。

　　通常使用电光相位调制器来应用用于时间成像装置的相移，但是可以通过使用参数非线性波混合过程 (诸如和频生成和差频生成) 来实现替代方案。后一种技术称为参数时间成像22，它由线性chi泵的波混合组成，产生的转换波形几乎等于具有线性频率chi的信号波形或等效于时间所需的二次相移透镜。参量时间透镜具有超过100 π 的相移，这明显大于使用电光相位调制器可能的最大10π，因此极大地扩展了时间成像系统的应用。使用和频生成和差频生成二阶非线性过程的缺点是，只有窄范围的材料具有二阶非线性矩，并且转换的波形固有地在与泵浦或输入信号的波长大不相同的波长处生成。基于使用差频生成的时间放大的波形测量已经产生了可喜的结果，包括对超快波形的单次测量，其分辨率小于900 fs，同时记录长度为100 ps。基于使用电光调制的时间到频率转换的波形测量已经证明，使用多次平均的31 ps记录长度上的分辨率为3 ps。

　　在这里，我们演示了基于四波混频 (FWM) 的三阶非线性过程的参量时间透镜，并将该时间透镜应用于基于硅芯片的超快光学示波器的创建。由于我们的设备基于三阶Kerr非线性，因此基于FWM的时间透镜可以在任何材料平台中实现，包括此处使用的CMOS兼容的绝缘体上硅 (SOI) 光子平台。该时间透镜的输出以接近泵浦和输入波的波长产生，从而使所有相互作用的波都处于S，C和L电信波段，例如，这允许使用可用于这些波段的完善的仪器和组件来操纵所有的波。使用我们的设备，我们在大于100 ps的记录长度上以220 fs的分辨率执行高度复杂波形的测量。这种220 fs的分辨率和大于100 ps的记录长度的组合代表了皮秒时间范围内任何单发波形测量技术的最大记录长度与分辨率之比 (>450)。此外，与用于直接电场重建的常用技术 (例如频率分辨光学门控和光谱相位干涉法) 不同，我们的实现不使用重建算法直接测量时间振幅分布，从而可以快速更新单次测量。