《Nature Communications》刊发信息学院周峰博士期间研究成果-湖南理工学院

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《Nature Communications》刊发信息学院周峰博士期间研究成果

作者:信息学院   来源:信息学院   时间:2019年09月24日 11:33

 

校园网讯  近期,《自然》子刊《自然·通讯》(Nature Communications,影响因子13.811)刊发信息学院光通信与光信息处理团队周峰博士期间成果现场可编程硅时域隐身“Field-programmable silicon temporal cloak”。周峰为独立第一作者,华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮教授、董建绩教授与新加坡国立大学仇成伟教授为通讯作者,研究工作同时得到了丹麦技术大学丁运鸿博士和上海交通大学周林杰教授大力支持。这是国际上首次采用集成器件实现时域隐身,为实现单片集成时域隐身系统提供了重要思路。

据了解,周峰是2018年新引进的青年博士,现为我校“信息与通信工程”湖南省国内一流培育学科“光通信与光信息处理”方向学术骨干,华中科技大学博士后,所在团队主要开展自由空间光通信、自适应光学以及光电检测方面的研究。近年来,他以第一或者共同第一发表SCI论文8篇,其中包含中科院一区Physical Review Letters(共同一作,影响因子9.227)和Photonics Research(共同一作,影响因子5.522),获2015年湖南省普通高校教师课堂教学竞赛二等奖。周峰博士是我校自己培养的学生(2006级本科生),硕士研究生毕业后返校工作,在学校的支持下考取华中科技大学武汉光电国家研究中心光学工程专业的博士研究生,2018年6月博士毕业,怀着对母校的感恩再次返校工作。

该研究成果发表,是我校湖南省国内一流培育学科、博士学位授权立项建设学科“信息与通信工程”建设的又一重大突破,将进一步激发青年学术骨干的研究热情,为光通信与光信息处理团队申请组建省级以上科技创新平台提供更加有力支撑。

 “隐身”,这一具有浓厚魔幻色彩的技术不仅极大地激发着人类无限的好奇心与想象力,而且在现实生活中具有重要的应用价值。隐身技术按照隐藏的信息载体可以分为空间隐身和时域隐身。其中,空间隐身不仅以隐身衣的素材出现在《哈利·波特》等科幻作品中,也引发了科研人员浓郁的研究兴趣,例如探索不同的隐身材料与光学技术。这些技术在军事活动中,如隐身飞机、雷达等技术领域可发挥重要作用。时域隐身是基于时空二元性,并根据空间隐身的概念延伸拓展而来,以一种全新的隐身形式出现在人们的视野中。时域隐身的实现,通常是在探测光路上打开一个有效隐身窗口,将有效隐身窗口内发生的时间事件“抹去”,再将探测光恢复到初始状态,于是任何发生在隐身窗口里的事件在隐身装置作用下都不能被观察者所察觉,该概念最早由英国帝国新宝6注册平台Martin W McCall研究团队于2011年提出。

之后,时域隐身在实验研究方面出现了几个突破性进展,特别是Gaeta等人第一次实验验证了时域隐身的存在(Gaeta et al., Nature 481, 62-65, 2012),随后Weiner等人第一次完成了在通信速率下的时域隐身(Weiner et al., Nature 498, 205-208, 2013)。然而,到目前为止,由于时间透镜的周期性和孔径尺寸的限制,最先进的时域隐身实验也仅获得皮秒级的固定隐身窗口,如图1a所示。隐身窗口的周期性和较小持续时间(<200ps)严重阻碍了其在数据屏蔽和安全通信中的应用。因此,如何构建一个隐身窗口可调控的时域隐身系统,实现不同数据包在不同时刻选择性隐身是时域隐身领域极其重要的难题。为了解决这个难题,周峰老师博士期间在导师董建绩教授指导下提出了现场可编程时域隐身的新概念,这种时域隐身能实时控制隐身窗口的打开、关闭和伸展,如图1b所示。

图1 硅基现场可编程时域隐身原理图

科研人员通过对集成时域透镜的调控问题进行长期实践与探索后,首次将光频梳和电调微环谐振器相结合,实现了电调硅基时间透镜,并由该新型时域透镜构建了现场可编程时域隐身系统,实验装置如图1c所示。该现场可编程的时域隐身系统受益于独特的电调硅基时间透镜,只要改变电调微环谐振器的驱动信号(锯齿波形状)的峰峰值、周期、以及锯齿波和直流交替调制等,即可获得不同有效隐身窗口大小、工作速率、有效隐身窗口开关可编程的时域隐身,这是国际上首次采用集成器件实现时域隐身,为实现单片集成时域隐身系统提供了重要思路。

科研人员进一步展示了具有数据屏蔽能力的现场可编程时域隐身系统,它能够向用户共享一些公共数据,并实时隐藏其他私有数据。重要的是,他们打破了隐藏窗口的周期性。在实验展示中,给电调微环谐振器加载特定的锯齿形驱动信号,则隐身打开;反之,给电调微环谐振器加载直流驱动电压,则隐身关闭。将锯齿波和直流驱动信号的隐身比特位分别记为“1”和“0”,通过控制驱动信号类型,即可实现隐身窗口开关的现场可编程。图2给出了不同开关控制信号和事件信号条件下,可编程时域隐身系统的实验结果。每组图的第一行为隐身开关控制信号,第二行为反归零码格式的事件信号,第三行为隐身系统输出的时域波形图。图2a和2d所示为隐身控制信号全部打开和全部关闭的实验结果,可以看出事件信号要么成功地被隐藏,要么成功地重现。图2b和2c展示了周期性的事件信号被随机的隐身控制信号所控制,系统输出的时域波形在隐身比特位(阴影区)呈现为幅度恒定的信号,即事件被隐藏;其他比特位则输出反归零信号“1”,表明事件被探测。图2e展示了半周期的反归零事件信号被随机隐身控制信号所控制。此外,图2f进一步验证了在单个周期隐身窗口内也能隐藏具有双脉冲信号的任意事件。从以上各种隐身情形看出,该系统在现场可编程隐身能力方面具有不俗表现。

图2 现场可编程时域隐身实验结果

同时,科研人员进一步实现了工作速率为200Mbit/s的周期性时域隐身系统,打开的有效隐身窗口大小为3.365ns,比之前国际上获得的最大有效隐身窗口还要大17倍,也是迄今首次达到纳秒量级的有效隐身窗口,如图3所示。不仅如此,该系统还能通过改变电调微环谐振器的驱动信号的频率和峰-峰值,获得不同大小的有效隐身窗口。

图3 纳秒量级时域隐身实验结果

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-019-10521-5

(责编/田夏    初审/司念伟    终审/王庆华 )