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硅基光子晶体在微波光子学中的应用研究

【摘要】:随着“互联网+”和“大数据”时代的到来,人类社会对通信容量和速率的需求呈现出爆炸式的增长趋势。作为民用和军事领域中常见的信息载体,微波信号的频率正在迅速地向高频段扩展,这使传统的电学器件越来越难以高效地产生和处理微波信号。因此,在光域产生和处理微波信号的科学,即微波光子学,因其所具有的大带宽,抗电磁干扰,低传输损耗等优良的特性,受到了广泛的关注。在近年来分立的光纤器件逐步集成化的大背景下,如何在芯片级的硅基光子处理器上高质量、高速、低能耗地完成微波光子学功能,成为了一个值得深入研究的课题。基于以上背景,本文在深入研究硅基光子晶体的物理机理的基础上,将其应用在解决集成微波光子学领域中的若干关键问题上,所做的主要贡献可以总结为以下几个方面:1)提出并实现了基于慢光效应的高效石墨烯热电极。通过优化硅基光子晶体波导的结构参数,降低在其中传播的光信号的群速度,同时将传统的金属热电极替换为单分子层石墨烯结构,慢光和石墨烯的相互作用有效地增强了光与物质的相互作用,提高了热效应对光场的调控效率,同时大幅降低了响应时间,实现了迄今为止最快的硅基热电极。此外,还从理论上分析了石墨烯热电极的形状结构对器件性能的影响,并得到了实验验证。该工作为集成微波光子学中的快速低功耗调控提供了一个有价值的解决方案。2)从理论上指出了光学微分器的处理带宽下限的存在,并利用硅基光子晶体干涉结构解决了带宽下限带来的微分器带宽受限的问题,拓展了微分器的实际处理带宽。通过将噪声模型加入微分器的理论模型中,确定了微分器在实际应用中存在带宽下限,通过设计具有不同Q值的光子晶体微腔,在实验上验证了带宽下限的存在。进一步地,利用光子晶体波导形成的马赫曾德尔干涉仪结构所具有的啁啾滤波特性,实现了微分器带宽的扩展,有效地突破了微分器带宽下限对微分器性能的限制。3)利用光子晶体波导的慢光效应实现了超小尺寸的啁啾微波信号产生。在集成硅基芯片上,通过将不同长度的光子晶体波导置于马赫曾德尔干涉结构的两臂,产生具有波长啁啾性质的光谱,实现了超小尺寸下的光谱整形,再通过频域到时域的映射,产生了具有时域啁啾性质的微波信号。此外,通过调整光子晶体波导的结构参数,研究了光子晶体波导的慢光性质对啁啾微波信号的影响,实现了具有不同啁啾特性的微波信号的产生,并提出了进一步增大方案中啁啾微波信号的时间带宽积的方法。

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