基于微环谐振器的微波光子器件研究

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在射频领域,复杂的信号处理功能很难直接实现,1993年提出的基于光域的微波光子学日渐引起了各国学者的关注。利用微波光子器件的固有特性可以实现在微波和毫米波段内复杂的信号处理功能。在处理光信号的系统中,具有能实现陷波功能的滤波器是一种非常关键的器件,是实现可调谐滤波,降低系统成本的关键要素;另一种重要的器件-微波光子移相器在微波应用领域是重要的组成部分,如相控阵天线以及生物医学检测系统。因此,微波光子器件的发展为光通信领域带来了新的革命,对微波光子学及光学集成的研究已成为近年来的研究热点。首先,本文对微环的基础理论进行研究,从麦克斯韦方程出发推导出光波导理论,对微环和直波导之间的耦合区进行详细地分析,推导出全通型微环谐振器的参量模型,得到它们的光强传递函数,分析了衡量滤波器性能的性能参数。针对微环谐振器体积小,结构简单且特别适合大规模单片集成等特点,本文设计了一个基于绝缘硅的全通型微环谐振器,半径仅为1.5m,并通过时域有限差分法对该全通型微环谐振器进行了仿真验证。其次,本文设计了一个基于全通型微环谐振器的陷波滤波器。先对其滤波特性进行分析,再通过分析耦合长度,耦合系数以及波导宽度三个参数对滤波器性能影响,分析了在单模波导传输时,对不同的波导对应的有效折射率仿真分析;并通过参数优化得到了微环模型的结构参数,最后实现了归一化消光比超过36dB、3dB带宽为3.4nm、FSR为72nm的全通型微环陷波滤波器。最后,本文对基于微环谐振器的移相器的基本原理进行了深入的研究。用精细度F的曲线变化表征微环谐振器在欠耦合,临界耦合和过耦合领域的状态。采用时域有限差分(Optic Finite Difference Time Domain,OptiFDTD)软件对超小微环移相器进行了数值模拟,最后实现了在其自由频谱范围内实现2移相的同时移相曲线达到最佳线性化,并且对设计的微环移相器RF移相范围和RF功率进行了数值模拟和分析。
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