三角脉冲光子发生器和太赫兹波导光栅的研究

论文摘要

随着信息技术的蓬勃发展,低频频段越来越难以满足人们对带宽的需求。用电磁波传输信息,频率越高则可用带宽就会越大,因此人们开始对高频频段进行探索。微波光子学是一门新兴的交叉学科,将微波学和光子学融合在一起,目前在很多领域取得了显著的进展,主要包括微波/毫米波信号的光子学生成方法、传输方式、控制和处理,及光载无线（ROF）系统。由于引入了光子学,克服了传统微波技术中“电子瓶颈”问题,在高速无线通信网接入、雷达及卫星通信等民用和军用领域有着非常丰富的应用场景。随着人们对频谱资源的进一步探索,目前微波光子学的研究范围正朝着太赫兹（THz）领域拓展,因此有必要对应用在THz波段的波导和相关THz器件进行研究。本文结合所承担的国家自然科学基金重点项目和面上项目,就微波光子发生器和THz波导光栅展开了一系列深入的理论分析、仿真及实验研究,所取得的主要创新成果如下:1、设计并研究了两种利用连续射频（RF）调制结合光学色散效应实现的周期性三角脉冲信号光子发生器。两种方案利用了光学色散效应所致的功率衰落效应,实现信号光强度表达式和三角形傅立叶级数展开式的拟合,从而生成了重复频率四倍于RF调制频率的三角形光脉冲串。区别在于其中一个方案利用了四倍射频调制,获得了四倍频三角光脉冲信号,但需要较高的调制深度（m=4.438）。另一方案利用了两个级联的马赫增德尔调制器（MZM）,降低了实现四倍频三角脉冲信号所需的调制深度（1≤m1≤3,m2=0.606）。由于方案所生成信号重复频率四倍于RF驱动频率,可生成具有高重复率的光脉冲串,扩大了三角形脉冲光子发生器的适用范围。2、将光学非线性效应应用到微波信号的光学生成中,提出一种基于半导体光放大器（SOA）中四波混频（FWM）效应的光学三角脉冲发生结构。该结构首先利用双平行马赫增德尔调制器（DP-MZM）进行小信号调制,生成的两个频率分量作为SOA中FWM效应的两个泵浦光,经过FWM效应后,产生两个新的携带了相同数据信息的频率分量。恢复载波信号后,利用滤波器滤掉不需要的频率分量。通过控制DP-MZM的调制深度m=1.2和SOA的偏置电流G=0.145A,可实现二倍频的三角形光脉冲信号。3、提出并研究了一种基于时域脉冲叠加的光学三角形脉冲发生器的结构。本方案的基本原理在于连续波（CW）经过DP-MZM调制后,获得脉冲信号,通过改变RF驱动信号的电压可以改变脉冲的形状或功率比。当DP-MZM上下两臂输出端的两个类矩形脉冲包络存在π/2的相位差时,两信号叠加可产生三角脉冲信号。与以前的方案不同,该方案可以独立调节信号包络的强度分布和时间延迟取代频谱整形,由于没有使用色散元件和滤波器,使得方案具有很好的调谐性。此外,由于方案只利用了一个DP-MZM和可调时延线（TDL）,易于集成化。4、提出并研究了一种基于光偏振复用和偏振控制的三角形光脉冲串生成结构。该方案利用了正交偏振态光互不相干的原理,通过光交织器（OI）将四倍射频调制后光谱的两个内侧光边带与外侧光边带相分离,利用偏振合束器（PBC）将两个正交偏振态光耦合后,通过相位调制器（PM）在两个偏振态间引入90°的相位差。随后利用线性起偏器（LP）将混合偏振态信号变为单偏振态信号。方案给出了 LP偏振角度和调制深度之间的函数关系,可以通过改变偏振角度补偿调制深度的方法,实现调制深度在一定范围内动态可调（2.5≤m≤4.438）。5、提出并设计了一种基于亚波长波导的THz偏振不敏感光栅滤波器。选取轴对称圆形亚波长聚合物作为波导材料（文中选取Zeonex）,并通过设计周期性的几何结构,实现一种THz均匀光栅。由于聚合物波导的尺寸是亚波长的,所以太赫兹辐射主要集中在波导表面传输。传输方向具有周期性的几何结构可以实现对THz波的衍射,从而在THz频谱上实现一个传输率很低的阻带窗口。当引入一个π相移点后,可以实现THz相移光栅,作为THz窄带通滤波器可应用于分辨率为2GHz和灵敏度为0.14THz/RIU的折射率传感中。6、提出并设计了一种基于亚波长波导的THz保偏光栅滤波器。选取矩形亚波长聚合物作为光栅的波导材料,由于亚波长波导横截面的几何各向异性（矩形）使得波导中存在两个具有正交偏振态的基模,这有助于THz波的偏振保持传输。因此,可以通过沿THz波的传播方向周期性地改变波导尺寸来设计基于亚波长波导的THz光栅。该光栅滤波器的优势在于可以同时实现两个偏振态的滤波特性。本文所设计的基于亚波长波导的THz光栅鲜有报道,对目前THz器件的研究提供了补充。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 微波光子技术
•     1.2.1 微波光子技术研究热点
•     1.2.2 微波光子系统中关键器件及技术
•   1.3 太赫兹技术
•     1.3.1 太赫兹波特性与应用领域
•     1.3.2 太赫兹波导及其器件
•   1.4 本论文所涉及相关领域研究进展
•     1.4.1 微波光子发生器的研究进展
•     1.4.2 太赫兹器件的研究进展
•   1.5 本论文的结构安排与主要成果
• 2 利用色散实现的三角脉冲光子发生器的研究
•   2.1 引言
•   2.2 周期性三角形光脉冲的特性及实现原理
•     2.2.1 周期性三角形光脉冲的特性
•     2.2.2 周期性三角形光脉冲的实现原理
•   2.3 基于四倍射频调制和光栅色散效应的实现方案
•     2.3.1 周期性三角形光脉冲串的产生结构与原理
•     2.3.2 啁啾光栅的参数设计与仿真结果讨论
•     2.3.3 调制器消光比及偏置点漂移对三角脉冲的影响
•   2.4 基于射频调制和光纤色散效应的实现方案
•     2.4.1 周期性三角形光脉冲的产生结构与原理
•     2.4.2 仿真结果与实验结果讨论
•   2.5 本章小结
• 3 利用滤波器实现的三角脉冲光子发生器的研究
•   3.1 引言
•   3.2 基于FWM效应和滤波器的三角光脉冲实现方案
•     3.2.1 周期性三角形光脉冲的产生原理
•     3.2.2 仿真结果与讨论
•   3.3 基于级联DD-MZM和FBG滤波特性的三角脉冲实现方案
•     3.3.1 周期性三角形光脉冲串的产生结构与原理
•     3.3.2 仿真结果与讨论
•     3.3.3 DD-MZM偏置点漂移对三角脉冲的影响
•   3.4 本章小结
• 4 具有可调谐性的三角脉冲光子发生器的研究
•   4.1 引言
•   4.2 基于时域脉冲叠加的光学三角脉冲发生器研究
•     4.2.1 周期性三角形光脉冲的产生原理
•     4.2.2 仿真结果与讨论
•   4.3 基于光偏振复用的光学三角脉冲发生器研究
•     4.3.1 周期性三角形光脉冲的产生原理
•     4.3.2 仿真结果与讨论
•   4.4 本章小结
• 5 THz波段亚波长波导光栅的设计与研究
•   5.1 引言
•   5.2 基于亚波长波导的THz偏振不敏感光栅的研究
•     5.2.1 THz均匀光栅滤波器的设计
•     5.2.2 THz相移光栅滤波器的设计
•     5.2.3 THz相移光栅滤波器在传感中的应用
•   5.3 基于亚波长波导的THz偏振保持光栅的研究
•     5.3.1 THz偏振保持均匀光栅滤波器的设计
•     5.3.2 THz偏振保持相移光栅滤波器的设计
•   5.4 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本论文的主要研究成果
•   6.2 下一步拟进行的工作
• 参考文献
• 附录A
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 袁瑾

导师: 宁提纲

关键词: 微波光子,三角形脉冲,光栅

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 北京交通大学

基金: 国家自然科学基金重点项目和面上项目

分类号: O572.31;TN25

DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.000789

总页数: 136

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