微弱微波信號(hào)的探測(cè)是微波光子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究方向之一,其中關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容,是如何提高微弱微波信號(hào)的上轉(zhuǎn)換到光頻域的效率問題。傳統(tǒng)的電光調(diào)制器如Mach–Zehnder調(diào)制器,其所需的驅(qū)動(dòng)電壓和偏壓較高,電信號(hào)在毫瓦到瓦量級(jí),無法用于處理微弱微波信號(hào)。本論文針對(duì)該問題,提出利用高品質(zhì)因子Q的LiNbO₃微環(huán)諧振腔來增強(qiáng)電信號(hào)與光的非線性相互作用,以提高微弱微波信號(hào)的上轉(zhuǎn)換到光域的調(diào)制效率,實(shí)現(xiàn)微弱微波信號(hào)的探測(cè)。本論文利用該方法,仿真接收了比特率5 Mbps（或帶寬10 MHz）的微弱微波信號(hào),最小可探測(cè)信號(hào)功率達(dá)-82.966 d Bm,約0.005n W。論文首先簡(jiǎn)要綜述了微環(huán)諧振腔,以及分別基于傳統(tǒng)電子學(xué)方法和基于高Q諧振腔的微弱微波信號(hào)探測(cè)的國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài),并給出了綜述分析;然后討論了本論文需要用到的基本理論,包括微環(huán)諧振腔的理論、微帶線的基本理論和LiNbO₃相關(guān)的基本理論;結(jié)合基本理論,接著分析了將微環(huán)諧振腔、微帶駐波電極分別應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)微弱微波信號(hào)檢測(cè)的工作機(jī)制,以及該方法可以實(shí)現(xiàn)的工作原理和計(jì)算公式;結(jié)合工作機(jī)制,接下來針對(duì)該微弱... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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混合Si與LiNbO3結(jié)構(gòu)的LNOI微環(huán)電光調(diào)制器[10]

bO3結(jié)構(gòu)的LNOI微環(huán)電光調(diào)制器[10]2017年，MianZhang等人成功在單片集成的LiNbO3光子平臺(tái)上刻蝕出了超低損耗的亞波長(zhǎng)尺寸光波導(dǎo)，損耗低至2.7dB/m，并且制作出微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，Q值達(dá)到107。他們?cè)O(shè)計(jì)了寬度1.2μm和2.4μm兩種光波導(dǎo)，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到2.4μm的波導(dǎo)具有更低的損耗；此外他們還計(jì)算了該波導(dǎo)在曲率半徑80μm時(shí)的額外彎曲損耗，約為9.3dB/m[11]。由此可見，在小曲率半徑的微環(huán)中，彎曲損耗不可忽略。1.2.1.2基于光學(xué)諧振腔的微弱微波信號(hào)檢測(cè)研究現(xiàn)狀基于微波光子學(xué)的微波信號(hào)接收前端主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-2[12]。微波光子學(xué)的微波信號(hào)接收方法與傳統(tǒng)電子學(xué)方法一樣，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，設(shè)計(jì)本地振蕩信號(hào)，并將其與接收到的信號(hào)在微波光子(MWP,MicrowavePhotonic)混頻系統(tǒng)中進(jìn)行混頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的下變頻和接收。而本論文的微弱微波信號(hào)檢測(cè)，利用高Q值放入光學(xué)微環(huán)或微盤[13]諧振腔可以實(shí)現(xiàn)高效率的E/O轉(zhuǎn)換，可以省去RF放大器的使用，而直接將天線接收到的微波信號(hào)進(jìn)行接收。圖1-2微波光子學(xué)方法的微波信號(hào)接收前端示意圖[12]2001年Cohen和Levi等人就已經(jīng)開始對(duì)這種結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器作理論研究了[14]，如圖1-3為他們?cè)O(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)示意圖。一邊可調(diào)諧DFB激光器入射通過棱鏡倏逝波耦合進(jìn)z-cut的LiNbO3電光晶體材料的微盤諧振腔，耦合效率κ，而另一邊，微波信號(hào)通過微帶線耦合進(jìn)入制作在微盤上的金屬駐波電極，耦合效率α。他們從Maxwell方程出發(fā)在球坐標(biāo)系下計(jì)算出了微盤內(nèi)的光場(chǎng)回音壁模式，

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-4-即WGM，這種模式分布于微盤的赤道側(cè)壁上，且具有極小的模式體積。圖1-3WGM光子微波接收裝置示意圖[14]2002年，Levi等人針對(duì)之前的研究設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，測(cè)得這樣的體材料LiNbO3晶體制作的微盤腔的Q值高達(dá)4×106。當(dāng)光載波頻率等于微盤腔諧振頻率，且入射窄帶微波信號(hào)頻率峰值等于諧振腔的諧振間隔時(shí)，微盤諧振腔的輸出光除了光載波外，還有因調(diào)制而產(chǎn)生的上下兩個(gè)邊帶，且微盤腔Q值越高，邊帶的光強(qiáng)越大，調(diào)制效率越好。另外，微盤上的金屬電極同時(shí)也是一個(gè)特定長(zhǎng)度和折射率的開路微帶線，對(duì)微波信號(hào)來說也是一個(gè)高Q值諧振腔。高頻電信號(hào)和光波的同時(shí)諧振并且非線性作用，具有較高的調(diào)制效率，利用這樣的工作機(jī)制，他們成功將37.9GHz的微波信號(hào)上轉(zhuǎn)換到了1.55μm的通信光頻域[15]。2002年Levi又與Hossein-Zadeh等人合作，第一次使用LiNbO3光學(xué)微盤結(jié)構(gòu)作為的實(shí)際電光調(diào)制器，并用于Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸[16]。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)上，使用不歸零數(shù)字編碼(NRZ,Non-ReturntoZero)，成功在誤碼率(BER,BitErrorRatio)910<下傳輸10Mb/s的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列數(shù)據(jù)，并且給出了在50和100Mb/s數(shù)據(jù)傳輸下的眼圖(如圖1-4)。他們?cè)谧詈箢A(yù)言，通過減小微盤厚度、增加微波駐波電極的電壓增益、降低激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)，可以大幅提升調(diào)制器的靈敏度，最小可探測(cè)信號(hào)功率可達(dá)到nW量級(jí)。圖1-4分別在50和100Mb/s(NRA27-1PRBS)數(shù)據(jù)傳輸下的眼圖[16].圖中的RF調(diào)制功率大約在40至60mW隨后2003年，Vladimir等人開始研究利用這種高Q值光學(xué)諧振腔實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)直接上轉(zhuǎn)換，他們用非線性三波混頻理論計(jì)算毫米尺度微盤內(nèi)的高頻電場(chǎng)和光波的非線性作用，提出了全諧振的三波混頻的低噪聲電光調(diào)制器[17]。


本文編號(hào)：3465006