基于微环谐振腔的微弱微波信号探测研究
发布时间：2021-10-29 16:39
微弱微波信号的探测是微波光子学领域的一个研究方向之一,其中关键的研究内容,是如何提高微弱微波信号的上转换到光频域的效率问题。传统的电光调制器如Mach–Zehnder调制器,其所需的驱动电压和偏压较高,电信号在毫瓦到瓦量级,无法用于处理微弱微波信号。本论文针对该问题,提出利用高品质因子Q的LiNbO3微环谐振腔来增强电信号与光的非线性相互作用,以提高微弱微波信号的上转换到光域的调制效率,实现微弱微波信号的探测。本论文利用该方法,仿真接收了比特率5 Mbps（或带宽10 MHz）的微弱微波信号,最小可探测信号功率达-82.966 d Bm,约0.005n W。论文首先简要综述了微环谐振腔,以及分别基于传统电子学方法和基于高Q谐振腔的微弱微波信号探测的国内外研究动态,并给出了综述分析;然后讨论了本论文需要用到的基本理论,包括微环谐振腔的理论、微带线的基本理论和LiNbO3相关的基本理论;结合基本理论,接着分析了将微环谐振腔、微带驻波电极分别应用于实现微弱微波信号检测的工作机制,以及该方法可以实现的工作原理和计算公式;结合工作机制,接下来针对该微弱...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
混合Si与LiNbO3结构的LNOI微环电光调制器[10]
bO3结构的LNOI微环电光调制器[10]2017年，MianZhang等人成功在单片集成的LiNbO3光子平台上刻蚀出了超低损耗的亚波长尺寸光波导，损耗低至2.7dB/m，并且制作出微环谐振腔结构，Q值达到107。他们设计了宽度1.2μm和2.4μm两种光波导，并通过实验测量，得到2.4μm的波导具有更低的损耗；此外他们还计算了该波导在曲率半径80μm时的额外弯曲损耗，约为9.3dB/m[11]。由此可见，在小曲率半径的微环中，弯曲损耗不可忽略。1.2.1.2基于光学谐振腔的微弱微波信号检测研究现状基于微波光子学的微波信号接收前端主要结构示意图如图1-2[12]。微波光子学的微波信号接收方法与传统电子学方法一样，需要对信号进行放大，滤波，设计本地振荡信号，并将其与接收到的信号在微波光子(MWP,MicrowavePhotonic)混频系统中进行混频，实现信号的下变频和接收。而本论文的微弱微波信号检测，利用高Q值放入光学微环或微盘[13]谐振腔可以实现高效率的E/O转换，可以省去RF放大器的使用，而直接将天线接收到的微波信号进行接收。图1-2微波光子学方法的微波信号接收前端示意图[12]2001年Cohen和Levi等人就已经开始对这种结构的电光调制器作理论研究了[14]，如图1-3为他们设计的器件结构示意图。一边可调谐DFB激光器入射通过棱镜倏逝波耦合进z-cut的LiNbO3电光晶体材料的微盘谐振腔，耦合效率κ，而另一边，微波信号通过微带线耦合进入制作在微盘上的金属驻波电极，耦合效率α。他们从Maxwell方程出发在球坐标系下计算出了微盘内的光场回音壁模式，
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-4-即WGM，这种模式分布于微盘的赤道侧壁上，且具有极小的模式体积。图1-3WGM光子微波接收装置示意图[14]2002年，Levi等人针对之前的研究设计了实验，测得这样的体材料LiNbO3晶体制作的微盘腔的Q值高达4×106。当光载波频率等于微盘腔谐振频率，且入射窄带微波信号频率峰值等于谐振腔的谐振间隔时，微盘谐振腔的输出光除了光载波外，还有因调制而产生的上下两个边带，且微盘腔Q值越高，边带的光强越大，调制效率越好。另外，微盘上的金属电极同时也是一个特定长度和折射率的开路微带线，对微波信号来说也是一个高Q值谐振腔。高频电信号和光波的同时谐振并且非线性作用，具有较高的调制效率，利用这样的工作机制，他们成功将37.9GHz的微波信号上转换到了1.55μm的通信光频域[15]。2002年Levi又与Hossein-Zadeh等人合作，第一次使用LiNbO3光学微盘结构作为的实际电光调制器，并用于Mb/s的数据传输[16]。他们在实验上，使用不归零数字编码(NRZ,Non-ReturntoZero)，成功在误码率(BER,BitErrorRatio)910<下传输10Mb/s的伪随机二进制序列数据，并且给出了在50和100Mb/s数据传输下的眼图(如图1-4)。他们在最后预言，通过减小微盘厚度、增加微波驻波电极的电压增益、降低激光器相对强度噪声(RIN)，可以大幅提升调制器的灵敏度，最小可探测信号功率可达到nW量级。图1-4分别在50和100Mb/s(NRA27-1PRBS)数据传输下的眼图[16].图中的RF调制功率大约在40至60mW随后2003年，Vladimir等人开始研究利用这种高Q值光学谐振腔实现电信号到光信号直接上转换，他们用非线性三波混频理论计算毫米尺度微盘内的高频电场和光波的非线性作用，提出了全谐振的三波混频的低噪声电光调制器[17]。
本文编号：3465006
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
混合Si与LiNbO3结构的LNOI微环电光调制器[10]
bO3结构的LNOI微环电光调制器[10]2017年，MianZhang等人成功在单片集成的LiNbO3光子平台上刻蚀出了超低损耗的亚波长尺寸光波导，损耗低至2.7dB/m，并且制作出微环谐振腔结构，Q值达到107。他们设计了宽度1.2μm和2.4μm两种光波导，并通过实验测量，得到2.4μm的波导具有更低的损耗；此外他们还计算了该波导在曲率半径80μm时的额外弯曲损耗，约为9.3dB/m[11]。由此可见，在小曲率半径的微环中，弯曲损耗不可忽略。1.2.1.2基于光学谐振腔的微弱微波信号检测研究现状基于微波光子学的微波信号接收前端主要结构示意图如图1-2[12]。微波光子学的微波信号接收方法与传统电子学方法一样，需要对信号进行放大，滤波，设计本地振荡信号，并将其与接收到的信号在微波光子(MWP,MicrowavePhotonic)混频系统中进行混频，实现信号的下变频和接收。而本论文的微弱微波信号检测，利用高Q值放入光学微环或微盘[13]谐振腔可以实现高效率的E/O转换，可以省去RF放大器的使用，而直接将天线接收到的微波信号进行接收。图1-2微波光子学方法的微波信号接收前端示意图[12]2001年Cohen和Levi等人就已经开始对这种结构的电光调制器作理论研究了[14]，如图1-3为他们设计的器件结构示意图。一边可调谐DFB激光器入射通过棱镜倏逝波耦合进z-cut的LiNbO3电光晶体材料的微盘谐振腔，耦合效率κ，而另一边，微波信号通过微带线耦合进入制作在微盘上的金属驻波电极，耦合效率α。他们从Maxwell方程出发在球坐标系下计算出了微盘内的光场回音壁模式，
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-4-即WGM，这种模式分布于微盘的赤道侧壁上，且具有极小的模式体积。图1-3WGM光子微波接收装置示意图[14]2002年，Levi等人针对之前的研究设计了实验，测得这样的体材料LiNbO3晶体制作的微盘腔的Q值高达4×106。当光载波频率等于微盘腔谐振频率，且入射窄带微波信号频率峰值等于谐振腔的谐振间隔时，微盘谐振腔的输出光除了光载波外，还有因调制而产生的上下两个边带，且微盘腔Q值越高，边带的光强越大，调制效率越好。另外，微盘上的金属电极同时也是一个特定长度和折射率的开路微带线，对微波信号来说也是一个高Q值谐振腔。高频电信号和光波的同时谐振并且非线性作用，具有较高的调制效率，利用这样的工作机制，他们成功将37.9GHz的微波信号上转换到了1.55μm的通信光频域[15]。2002年Levi又与Hossein-Zadeh等人合作，第一次使用LiNbO3光学微盘结构作为的实际电光调制器，并用于Mb/s的数据传输[16]。他们在实验上，使用不归零数字编码(NRZ,Non-ReturntoZero)，成功在误码率(BER,BitErrorRatio)910<下传输10Mb/s的伪随机二进制序列数据，并且给出了在50和100Mb/s数据传输下的眼图(如图1-4)。他们在最后预言，通过减小微盘厚度、增加微波驻波电极的电压增益、降低激光器相对强度噪声(RIN)，可以大幅提升调制器的灵敏度，最小可探测信号功率可达到nW量级。图1-4分别在50和100Mb/s(NRA27-1PRBS)数据传输下的眼图[16].图中的RF调制功率大约在40至60mW随后2003年，Vladimir等人开始研究利用这种高Q值光学谐振腔实现电信号到光信号直接上转换，他们用非线性三波混频理论计算毫米尺度微盘内的高频电场和光波的非线性作用，提出了全谐振的三波混频的低噪声电光调制器[17]。
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