硅基波导光栅和微环在微波光子系统的应用研究

论文摘要

微波技术在人类的科技发展中占据了重要的地位,在通信系统、汽车防撞、雷达、电子对抗、卫星导航等高科技领域具有广泛的应用。然而由于传统电子器件的带宽限制,利用电子器件产生和处理微波信号存在一系列的问题,已不能满足日益增大的通信需求。与此同时,具有低损耗、强抗电磁干扰能力以及超宽带等优势的远距离光传输系统,已经逐步成为信息载体的首选,因此微波光子学应运而生。将微波技术与光学技术结合,充分发挥两者的优势,是解决未来无线通信问题的重要手段之一。然而,仅仅使用分立的光学器件来搭建微波系统,还面临着系统体积大、功耗大、易受环境影响、一致性和可靠性低等问题。随着光子集成技术的发展,采用半导体工艺,已经可以制作出各种集成光学元器件。将复杂微波光子系统在集成平台上实现,已经成为目前研究的一种趋势。对比各种材料体系,硅基微波光子集成器件可以直接利用成熟的CMOS工艺,在SOI平台上刻蚀、生长或者键合来直接制备,具有低成本、低损耗、尺寸紧凑等诸多优势,因此受到了普遍关注。本文基于SOI平台,设计和制作了基于波导布拉格光栅和光学微环谐振器两种类型的集成器件,并且研究了这些硅光器件在微波光子系统中的应用。主要内容如下:（1）详细介绍了集成微波光子学的研究背景和意义,以及近年来集成微波光子学的最新研究成果,涵盖了微波信号产生、处理和测量等方面的重要应用,并对一些具有代表性的解决方案进行了讨论和分析。（2）从硅基集成器件的基本理论出发,讨论与总结了硅基布拉格光栅和微环谐振器的基本理论和分析方法,以及热调谐和电调谐两种常用的硅基器件调节方法,概述了硅基集成器件的制造工艺、测试方法和封装方案。（3）基于220nm和250nm两种SOI平台,提出并实验验证了基于集成反向耦合光栅的可调光学延时线。基于220nm厚度下的SOI无源波导进行了理论分析和仿真设计,在此基础上对250nm厚度下的光栅延时器件的切趾类型进行了重点研究,并选择了一种优化的切趾方法来抑制传输谱和延时线的抖动。在220nm的SOI平台下制作了744μm长的器件,最终在10nm带宽内总延时量达到28ps,并利用外部温控装置研究了不同温度下的光谱漂移。在250nm的SOI平台下制作了各种参数的器件,分析了各参数对器件性能的影响。为了解决较长光栅产生的热阻问题,提出了一种具有较好加热效率的并联电极设计方案。最终制作了1.8mm长度光栅,在不同波长下工作时,该芯片最终实现了12nm带宽内50ps的可调延时量;在热调谐模式下,器件的实际延时调谐范围在7.2V时约为20ps。将反向耦合光栅与超紧凑的反射镜结合在一起,实现了在相同器件尺寸下延时量翻倍,在6mm长度下可以实现400ps的延时以及5.5×106ps/nm/km的超大色散。最后,为了进一步减小器件尺寸,降低工艺难度,提出了一种螺旋光栅结构,并进行了参数分析和仿真。（4）提出并实验证明了一种基于硅基相移布拉格光栅的全光积分器。通过引入相移布拉格光栅作为积分器,可以打破谐振器件有限FSR的带宽限制。我们制作的积分器达到750GHz的工作带宽和约-12.4dB的最大理论能量效率。但由于器件的Q值较低,积分器的积分时间窗口仅为9ps。（5）提出了一种基于集成硅基扫描滤波器的宽带微波频率识别系统。该方案的核心器件是热调高Q硅基微环,用于实现频率到时间映射。通过将周期性锯齿波电压加载在微环,微环的谐振波长会发生周期性红移,形成一个周期性扫描滤波器。首先根据此系统架构推导出待测频率和脉冲时间的关系。随后介绍了所使用的热调高Q微环的设计制作及测试结果,给出了热调微环的Q值、谱漂特性和调节速率。最后验证了该系统具有识别和量化单频信号和复杂微波信号的能力,包括多频微波信号、啁啾微波信号、跳频微波信号以及它们的线性组合。系统的测量速度约为10毫秒。实验测得的频率测量范围为1-30GHz,具有375MHz的高分辨率和237.3MHz的低测量误差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 集成微波光子学的研究背景及意义
•   1.3 集成微波光子学的国内外研究进展
•   1.4 本文的主要工作及创新点
• 2 硅基集成器件的基本理论与设计方法
•   2.1 引言
•   2.2 波导布拉格光栅的基本理论
•   2.3 波导微环谐振器的基本理论
•   2.4 硅基集成器件的调节方法
•   2.5 器件的工艺制作和测试方法
•   2.6 本章小结
• 3 信号处理-基于线性啁啾布拉格光栅的可调延时线
•   3.1 引言
•   3.2 线性啁啾布拉格光栅的设计仿真
•   3.3 基于反向耦合啁啾布拉格光栅的可调延时线
•   3.4 基于螺旋波导光栅的延时线设计
•   3.5 本章小结
• 4 信号处理-基于相移布拉格光栅的光学宽带积分器
•   4.1 引言
•   4.2 光学宽带积分器的工作原理
•   4.3 相移布拉格光栅的设计制作
•   4.4 基于相移布拉格光栅的光学宽带积分器
•   4.5 本章小结
• 5 信号检测-基于热调高Q微环的宽带微波频率识别系统
•   5.1 引言
•   5.2 宽带微波频率识别系统的工作原理
•   5.3 热调高Q微环的设计、制作及测试
•   5.4 多种微波频率类型识别系统的建模仿真
•   5.5 基于热调高Q微环的宽带微波频率识别实验
•   5.6 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本文工作总结
•   6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 英文缩写简表

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王旭

导师: 董建绩

关键词: 硅基光子学,微波光子学,微环谐振器,波导光栅,可调真延时,光子模拟信号处理,微波频率测量

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

基金: 国家自然科学基金面上项目:“微环阵列和衍射光栅单片集成器件在光学任意波形产生中的新机理研究”,项目编号:11174096,国家自然科学基金面上项目:“硅基集成时域隐身器件机理研究”,项目编号:61475052,国家优秀青年基金:“高性能光计算中的频谱调控机理研究”,项目编号: 61622502

分类号: TN252

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000072

总页数: 137

文件大小: 8897K

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