硅基集成微波光子学研究

发布时间：2017-03-17 19:05

  本文关键词：硅基集成微波光子学研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微波光子学将射频(RF)工程与光电子技术融合,利用光电子大带宽、可调谐、抗电磁干扰等优异特性,一方面可以实现直接在射频领域实现起来复杂或根本无法实现的功能,另一方面为现有的光电子通信技术创造了新的机遇。微波光子学已经在很多领域如宽带无线通信、卫星通信、高清电视、太赫兹技术和相控阵雷达等获得广泛应用,其主要实现的功能可以概括为：微波／毫米波或太赫兹(THz)信号的产生、传输及处理。未来对微波光子学提出新的挑战：在实现更高速度、带宽、处理能力及动态范围的同时,要求器件和系统具有尺寸小、重量轻、功耗低及更强的电磁干扰抗性。这一要求衍生出新的研究方向,即集成微波光子学,意在实现微波光子系统的芯片集成,降低系统成本、尺寸、功耗,并增加系统的可调谐、可编程、机械抗性及电磁抗性等,实现微波光子系统的芯片化和产品化。截至目前,集成光电子已取得丰硕成果,人们已经可以在多种不同的材料体系上实现光子集成回路,包括：以InP为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料、SOI材料、Si3N4/SiO2材料、玻璃材料、聚合物材料、以及能产生表面等离子体激元的金属／电介质材料等等,可以根据不同的应用选择不同的光子集成技术。本论文的研究主要集中于SOl光电子集成材料,设计并制作高性能硅基光子集成器件,实现微波光子学三个领域(信号产生、传输及处理)中若干应用的芯片集成,并探究其性能。本文的贡献和创新主要在以下三个方面：1.信号产生方面：(1)、利用III-V/Silicon DFB双模激光器实现了频率为0.357 THz的太赫兹信号产生,功率-30dBm,线宽4.2MHz,信噪比40dB,频率抖动28MHz,可以携带至少20GHz的基带信号。在注入电流73mA-105mA及环境温度15。C-300C范围内依然保持良好性能。(2)、利用硅基微环调制器实现了RF信号频率倍频,10GHz微波信号输入到微环调制器上,20GHz微波信号从光电探测器中输出,谐波抑制比大于20dB。2.信号传输方面：(1)、应用于Radio-over-fiber的硅基光子高速调制器的非线性分析。建立Mach-Zehnder硅基光调制器载流子色散效应的非线性模型,利用Silvaco及Matlab软件计算有效折射率与调制电压的非线性关系。分析该非线性关系对超宽带信号(UWB)、差分相移键控信号(DPSK)的传输性能影响,包括噪声、啁啾及色散损耗特性等。(2)、应用于Radio-over-fiber的硅基光子高速调制器的非线性改善。设计并制作基于双光束干涉的硅基微环调制器,利用其Fano调制曲线的非线性抵消载流子色散效应的非线性,降低调制器的三阶互调失真,进而增加链路的无杂散动态范围(SFDR3)。3.信号处理方面：构建基于硅基(SO1)微环谐振器的两种瞬时频率测量(IFM)系统。其中一种微环谐振器有很低的Q值(3974),可以实现大带宽的IFM系统,达到0.5GHz-35GHz;而另一种微环谐振器的Q值达25833,实现了高精度的IFM系统,均方根误差在0.1GHz左右。
【关键词】：集成微波光子学 太赫兹 倍频 调制器线性度优化 微波频率测量
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN015;O572.31
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-20
• 1 绪论20-46
• 1.1 引言20
• 1.2 微波光子学的发展20-27
• 1.3 硅基光子学的发展27-31
• 1.4 硅基集成微波光子学的研究现状和发展趋势31-36
• 1.4.1 硅基集成微波光子学的研究现状31-35
• 1.4.2 硅基集成微波光子学的发展趋势35-36
• 1.5 本论文工作的主要内容36-38
• 参考文献38-46
• 2 微波信号产生——太赫兹信号产生和微波信号频率倍频46-76
• 2.1 基于集成Ⅲ-Ⅴ/Silicon双模DFB激光器的太赫兹信号产生46-59
• 2.1.1 引言46-48
• 2.1.2 DFB激光器的工作原理48-53
• 2.1.3 Ⅲ-Ⅴ/Silicon非对称四分之一(波长)相移DFB双模激光器阵列53-57
• 2.1.4 0.357 THz太赫兹信号产生57-59
• 2.2 基于纯硅微环调制器的微波信号产生59-71
• 2.2.1 引言60-61
• 2.2.2 硅基微环调制器的基本原理61-62
• 2.2.3 基于微环调制器的高频率微波信号产生62-66
• 2.2.4 实验结果和讨论66-71
• 2.3 小结71-72
• 参考文献72-76
• 3 微波信号传输——硅基调制器线性度优化76-122
• 3.1 硅基调制器载流子色散效应对UWB、DPSK信号的影响76-91
• 3.1.1 引言76-80
• 3.1.2 硅基MZM产生UWB信号理论及载流子色散效应的建模仿真80-82
• 3.1.3 载流子色散效应对DSB-UWB和QSSB-UWB信号的影响82-86
• 3.1.4 载流子色散效应对DPSK信号的影响86-91
• 3.2 硅基调制器的线性度优化91-114
• 3.2.1 引言91-94
• 3.2.2 几种硅基调制器的线性度优化方案94-101
• 3.2.3 基于侧向PN结和交趾型PN的二阶谐波失真101-106
• 3.2.4 基于双光束干涉的微环谐振器的SFDR改善106-114
• 3.3 小结114-115
• 参考文献115-122
• 4 微波信号处理——微波频率测量122-132
• 4.1 基于硅基微环谐振器的微波频率测量系统122-129
• 4.1.1 引言122-125
• 4.1.2 实验原理125-127
• 4.1.3 实验结果127-129
• 4.2 小节129-130
• 参考文献130-132
• 5 总结和展望132-138
• 5.1 硅基集成微波光子学总结132-136
• 5.2 工作中的不足和展望136-137
• 参考文献137-138
• 作者简历及攻读博士学位期间的研究成果138-139

  本文关键词：硅基集成微波光子学研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：253318