二維材料的微波光子學(xué)特性及應(yīng)用研究.pdf

1、微波光子學(xué)是一門融合微波技術(shù)和光子學(xué)的新興交叉學(xué)科，主要應(yīng)用于寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、衛(wèi)星通訊以及軍事系統(tǒng)等領(lǐng)域。近年來，對(duì)高速率、高帶寬、高容量通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求進(jìn)一步推動(dòng)了微波光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展。其中，光生微波技術(shù)能有效的克服電子在產(chǎn)生高頻微波方面的瓶頸，為新興的光-無線網(wǎng)絡(luò)在超寬帶無線接入等方面提供了很好的解決方案。為了匹配光通信系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸率以及光-無線網(wǎng)絡(luò)的無縫接入，高頻無線鏈路顯得尤為重要。由于W波段（75-1

2、10 GHz）具有較低的衰減損耗、超大帶寬等優(yōu)點(diǎn)，日益成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。另外，由于目前電信號(hào)處理速度極限為40 Gb/s，為了實(shí)現(xiàn)超高數(shù)據(jù)傳輸率，全光信號(hào)處理等也成為研究的重點(diǎn)。
　　高質(zhì)量的微波信號(hào)是高速光載無線通信系統(tǒng)(ROF）的關(guān)鍵。目前，研究人員已經(jīng)提出了多種光學(xué)拍頻產(chǎn)生微波技術(shù)的方案，例如在光域?qū)崿F(xiàn)微波頻率倍頻，光鎖相環(huán)，外調(diào)制技術(shù)等。然而，這些方法都具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴等特點(diǎn)。近年來，石墨烯等二維原子晶體材料

3、由于其獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)以及光學(xué)特性，引起了研究者的廣泛關(guān)注。基于石墨烯的寬帶非線性特性，研究人員實(shí)現(xiàn)了非線性效應(yīng)波長轉(zhuǎn)換器件、窄線寬單縱模激光輸出等。最近，另一類二維狄拉克材料-拓?fù)浣^緣體也引起了科研人員的關(guān)注。與石墨烯不同，其體態(tài)是具有能隙的絕緣態(tài)，而表面態(tài)具有類石墨烯的金屬態(tài)?；谕?fù)浣^緣體與石墨烯的相似性，相關(guān)問題也引起了我們的思考。拓?fù)浣^緣體是否也像石墨烯一樣擁有寬帶可飽和吸收特性？是否也具有大非線性克爾效應(yīng)？尤其是飽和吸收特

4、性，以及大非線性克爾效應(yīng)等在光生微波以及全光器件中擁有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
　　本文圍繞如何獲得低成本、高效的光載無線通信系統(tǒng)，開展了基于二維原子晶體材料的新型單縱模光源、波長轉(zhuǎn)換器件等研究工作，并探索了其在微波信號(hào)產(chǎn)生以及光載無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用等工作，取得了以下幾項(xiàng)創(chuàng)新性研究成果：
　　(1)基于不同光學(xué)倍頻方法和外差技術(shù)，理論和實(shí)驗(yàn)研究了高效倍頻技術(shù)及W波段微波產(chǎn)生技術(shù)。理論上研究了使用外部調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)光域四倍頻以及八

5、倍頻產(chǎn)生高頻微波信號(hào)的可行性，并數(shù)值模擬了四倍頻、八倍頻技術(shù)在100 GHz高頻微波產(chǎn)生及其在光載無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。另外，使用兩個(gè)分布反饋式激光器（DFB）作為光學(xué)微波源，通過調(diào)節(jié)波長，產(chǎn)生了從88 GHz到100 GHz的高頻微波信號(hào)。得到輻射至自由空間的高頻微波功率達(dá)到了4 mW以上，將其應(yīng)用于ROF通信系統(tǒng)中。成功將6 Gb/s OOK（開關(guān)鍵控）信號(hào)傳輸5 m無線距離。實(shí)驗(yàn)上采用光學(xué)倍頻技術(shù)，研究了100 GHz全雙工光載無

6、線通信系統(tǒng)。使用12.5GHz的微波源信號(hào)倍頻后驅(qū)動(dòng)單臂馬赫曾德爾調(diào)制器，用以產(chǎn)生光學(xué)二階邊帶，實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)在光域的四倍頻。成功的將5 Gb/s OOK信號(hào)下行傳輸10 km色散位移光纖以及3m無線距離。
　　(2)首次實(shí)驗(yàn)獲得了拓?fù)浣^緣體的寬帶非線性吸收特性，并進(jìn)行了定性分析。采用平衡雙探頭法，在800 nm、1570 nm以及 W波段對(duì)拓?fù)浣^緣體（Bi2Te3）的飽和吸收特性做了系統(tǒng)的研究。提出了拓?fù)浣^緣體飽和吸收特性存在兩

7、種飽和吸收機(jī)制，制即微波段的飽和吸收特性主要由無能隙的金屬表面態(tài)決定，而光波段的飽和吸收特性則主要由絕緣體態(tài)決定。并通過Z-scan測(cè)量技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，拓?fù)浣^緣體不僅是一種寬帶飽和吸收材料，同時(shí)也具有巨大的非線性克爾效應(yīng)。
　　(3)首次基于拓?fù)浣^緣體材料實(shí)現(xiàn)了單波長和雙波長單縱模窄線寬激光輸出，并成功應(yīng)用于光載波無線通信系統(tǒng)中?；诠獬练e的方法，將拓?fù)浣^緣體材料沉積至拉錐光纖上制備成飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)了基于拓?fù)浣^緣體飽和吸收特性的單

8、縱模窄線寬激光輸出，得到輸出功率達(dá)到了23 mW，線寬小于10 kHz。使用兩個(gè)光纖布拉格光柵（FBG）作為選頻器件，拓?fù)浣^緣體作為飽和吸收體，成功實(shí)現(xiàn)了雙波長單縱模窄線寬激光輸出。將該雙波長窄線寬激光進(jìn)行差拍，產(chǎn)生了100 GHz的高頻微波信號(hào)，在加載1 Gb/s的OOK信號(hào)后，成功傳輸了10 km色散位移光纖以及1.5 m無線距離。
　　(4)首次基于拓?fù)浣^緣體材料的強(qiáng)非線性，在光通信波段實(shí)現(xiàn)了全光波長轉(zhuǎn)換。將拓?fù)浣^緣體沉積至