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《自然·通訊》刊發張新亮教授、董建績教授團隊研究成果

發布:opticseditor    |    2019-06-27 15:27    閱讀:228
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摘要:6月20日,《自然·通訊》(Nature Communications)刊發華中科技大學武漢光電國家研究中心張新亮教授、董建績教授與新加坡國立大學仇成偉教授、丹麥技術大學丁運鴻博士和上海交通大學周林杰教授合作研究成果。該論文題為“Field-programmable silicon temporal cloak”。

“隱身”,這一具有濃厚魔幻色彩的技術不僅極大地激發著人類無限的好奇心與想象力,并且在現實生活中具有重要的應用價值。隱身技術按照隱藏的信息載體可以分為空間隱身和時域隱身。其中,空間隱身不僅以隱身衣的素材出現在《哈利·波特》等科幻作品中,也引起了科研人員濃郁的研究興趣,例如探索不同的隱身材料與光學技術,這些技術在軍事活動中,例如隱身飛機、雷達等技術領域可發揮重要作用。時域隱身是基于時空二元性,并根據空間隱身的概念延伸拓展而來,以一種全新的隱身形式出現在人們的視野中。時域隱身的實現,通常是在探測光路上打開一個有效隱身窗口,將有效隱身窗口內發生的時間事件“抹去”,再將探測光恢復到初始狀態,于是任何發生在隱身窗口里的事件在隱身裝置作用下都不能被觀察者所察覺,該概念最早由英國帝國理工學院Martin W McCall研究團隊于2011年提出。

之后,時域隱身在實驗研究方面出現了幾個突破性進展,特別是Gaeta等人第一次實驗驗證了時域隱身的存在(Gaeta et al., Nature 481, 62-65, 2012),隨后Weiner等人第一次完成了在通信速率下的時域隱身(Weiner et al., Nature 498, 205-208, 2013)。然而,到目前為止,由于時間透鏡的周期性和孔徑尺寸的限制,最先進的時域隱身實驗也僅獲得皮秒級的固定隱身窗口,如圖1a所示。隱身窗口的周期性和較小持續時間(<200ps)嚴重阻礙了其在數據屏蔽和安全通信中的應用。因此,如何構建一個隱身窗口可調控的時域隱身系統,實現不同數據包在不同時刻選擇性隱身是時域隱身領域極其重要的難題。為了解決這個難題,張新亮教授科研團隊成員董建績教授提出了現場可編程時域隱身的新概念,這種時域隱身能實時控制隱身窗口的打開、關閉和伸展,如圖1b所示。

華中科技大學武漢光電國家研究中心的科研人員通過對集成時域透鏡的調控問題進行長期實踐與探索后,首次將光頻梳和電調微環諧振器相結合,實現了電調硅基時間透鏡,并由該新型時域透鏡構建了現場可編程時域隱身系統,實驗裝置如圖1c所示。該現場可編程的時域隱身系統受益于獨特的電調硅基時間透鏡,只要改變電調微環諧振器的驅動信號(鋸齒波形狀)的峰峰值、周期、以及鋸齒波和直流交替調制等,即可獲得不同有效隱身窗口大小、工作速率、有效隱身窗口開關可編程的時域隱身,這是國際上首次采用集成器件實現時域隱身,為實現單片集成時域隱身系統提供了重要思路。

科研人員進一步展示了具有數據屏蔽能力的現場可編程時域隱身系統,它能夠向用戶共享一些公共數據,并實時隱藏其他私有數據。重要的是,他們打破了隱藏窗口的周期性。在實驗展示中,給電調微環諧振器加載特定的鋸齒形驅動信號,則隱身打開;反之,給電調微環諧振器加載直流驅動電壓,則隱身關閉。將鋸齒波和直流驅動信號的隱身比特位分別記為“1”和“0”,通過控制驅動信號類型,即可實現隱身窗口開關的現場可編程。圖2給出了不同開關控制信號和事件信號條件下,可編程時域隱身系統的實驗結果。每組圖的第一行為隱身開關控制信號,第二行為反歸零碼格式的事件信號,第三行為隱身系統輸出的時域波形圖。圖2a和2d所示為隱身控制信號全部打開和全部關閉的實驗結果,可以看出事件信號要么成功地被隱藏,要么成功地重現。圖2b和2c展示了周期性的事件信號被隨機的隱身控制信號所控制,系統輸出的時域波形在隱身比特位(陰影區)呈現為幅度恒定的信號,即事件被隱藏;其他比特位則輸出反歸零信號“1”,表明事件被探測。圖2e展示了半周期的反歸零事件信號被隨機隱身控制信號所控制。此外,圖2f進一步驗證了在單個周期隱身窗口內也能隱藏具有雙脈沖信號的任意事件。從以上各種隱身情形看出,該系統在現場可編程隱身能力方面具有不俗表現。

同時,科研人員進一步實現了工作速率為200Mbit/s的周期性時域隱身系統,打開的有效隱身窗口大小為3.365ns,比之前國際上獲得的最大有效隱身窗口還要大17倍,也是迄今首次達到納秒量級的有效隱身窗口,如圖3所示。不僅如此,該系統還能通過改變電調微環諧振器的驅動信號的頻率和峰-峰值,獲得不同大小的有效隱身窗口。

該項成果于2019年6月20日發表于綜合類學術期刊《Nature Communications》,董建績教授、仇成偉教授(新加坡國立大學)和張新亮教授為通訊作者。該項研究得到了中國國家自然科學基金委優秀青年基金(No. 61622502)和面上基金(No. 61475052, 61571186)和上海市科技重大專項(No. 2017SHZDZX03)的支持。

參考文獻:F. Zhou, S. Yan, H. Zhou, X. Wang, H. Qiu, J. Dong, L. Zhou, Y. Ding, C.-W. Qiu, and X. Zhang, "Field-programmable silicon temporal cloak," Nature Communications 10, 2726 (2019).

網址鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-019-10521-5


圖1 硅基現場可編程時域隱身原理圖

圖2 現場可編程時域隱身實驗結果

圖3 納秒量級時域隱身實驗結果

圖4 董建績教授團隊合影

來源:武漢光電國家研究中心

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