硅基集成微波光子學(xué)研究.pdf

1、微波光子學(xué)將射頻(RF)工程與光電子技術(shù)融合，利用光電子大帶寬、可調(diào)諧、抗電磁干擾等優(yōu)異特性，一方面可以實(shí)現(xiàn)直接在射頻領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)起來復(fù)雜或根本無法實(shí)現(xiàn)的功能，另一方面為現(xiàn)有的光電子通信技術(shù)創(chuàng)造了新的機(jī)遇。微波光子學(xué)已經(jīng)在很多領(lǐng)域如寬帶無線通信、衛(wèi)星通信、高清電視、太赫茲技術(shù)和相控陣?yán)走_(dá)等獲得廣泛應(yīng)用，其主要實(shí)現(xiàn)的功能可以概括為:微波/毫米波或太赫茲(THz)信號的產(chǎn)生、傳輸及處理。未來對微波光子學(xué)提出新的挑戰(zhàn):在實(shí)現(xiàn)更高速度、帶寬、處理能

2、力及動態(tài)范圍的同時(shí)，要求器件和系統(tǒng)具有尺寸小、重量輕、功耗低及更強(qiáng)的電磁干擾抗性。這一要求衍生出新的研究方向，即集成微波光子學(xué)，意在實(shí)現(xiàn)微波光子系統(tǒng)的芯片集成，降低系統(tǒng)成本、尺寸、功耗，并增加系統(tǒng)的可調(diào)諧、可編程、機(jī)械抗性及電磁抗性等，實(shí)現(xiàn)微波光子系統(tǒng)的芯片化和產(chǎn)品化。截至目前，集成光電子已取得豐碩成果，人們已經(jīng)可以在多種不同的材料體系上實(shí)現(xiàn)光子集成回路，包括:以InP為代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料、SOI材料、Si3N4/SiO2材

3、料、玻璃材料、聚合物材料、以及能產(chǎn)生表面等離子體激元的金屬/電介質(zhì)材料等等，可以根據(jù)不同的應(yīng)用選擇不同的光子集成技術(shù)。本論文的研究主要集中于SOI光電子集成材料，設(shè)計(jì)并制作高性能硅基光子集成器件，實(shí)現(xiàn)微波光子學(xué)三個(gè)領(lǐng)域（信號產(chǎn)生、傳輸及處理）中若干應(yīng)用的芯片集成，并探究其性能。本文的貢獻(xiàn)和創(chuàng)新主要在以下三個(gè)方面:
　　1.信號產(chǎn)生方面:(1)、利用Ⅲ-Ⅴ/Silicon DFB雙模激光器實(shí)現(xiàn)了頻率為0.357 THz的太赫茲信號產(chǎn)

4、生，功率-30dBm，線寬4.2MHz，信嗓比40dB，頻率抖動28MHz，可以攜帶至少20GHz的基帶信號。在注入電流73mA-105mA及環(huán)境溫度15℃-30℃范圍內(nèi)依然保持良好性能。(2)、利用硅基微環(huán)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了RF信號頻率倍頻，10GHz微波信號輸入到微環(huán)調(diào)制器上，20GHz微波信號從光電探測器中輸出，諧波抑制比大于20dB。
　　2.信號傳輸方面:(1)、應(yīng)用于Radio-over-fiber的硅基光子高速調(diào)制器的非線

5、性分析。建立Mach-Zehnder硅基光調(diào)制器載流子色散效應(yīng)的非線性模型，利用Silvaco及Matlab軟件計(jì)算有效折射率與調(diào)制電壓的非線性關(guān)系。分析該非線性關(guān)系對超寬帶信號(UWB)、差分相移鍵控信號(DPSK)的傳輸性能影響，包括噪聲、啁啾及色散損耗特性等。(2)、應(yīng)用于Radio-over-fiber的硅基光子高速調(diào)制器的非線性改善。設(shè)計(jì)并制作基于雙光束干涉的硅基微環(huán)調(diào)制器，利用其Fano調(diào)制曲線的非線性抵消載流子色散效應(yīng)的非