基于微波光子技術(shù)的低頻太赫茲波功率提升及應(yīng)用研究.pdf

1、太赫茲(THz)波是指0.1～10 THz頻段之間的電磁波，它在電磁波譜中位于微波和紅外光之間。低頻太赫茲波是指頻率范圍在0.1～0.3 THz之間。近年來(lái)，由于太赫茲波在材料、通信、成像和國(guó)防等眾多領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，受到了各國(guó)研究機(jī)構(gòu)的重視。如何獲得低噪聲、低成本、高功率的太赫茲波以滿足實(shí)際應(yīng)用中的需求是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。與傳統(tǒng)的電子學(xué)技術(shù)相比，微波光子技術(shù)更為適合被用來(lái)解決這一難題。
　　 微波光子技術(shù)能夠有效融合微

2、波技術(shù)與光子技術(shù)，利用光子學(xué)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)微波和太赫茲波的產(chǎn)生、傳輸、控制和處理。外調(diào)制技術(shù)是一種典型的微波光子技術(shù)，非常適合產(chǎn)生低相位噪聲的太赫茲波。它是利用光調(diào)制器的非線性響應(yīng)，產(chǎn)生相干的高階光邊帶，再將高階邊帶在光電探測(cè)器(PD)拍頻，轉(zhuǎn)換為太赫茲信號(hào)。通過(guò)使用成熟和高性價(jià)比的光通信器件，能有效地降低太赫茲系統(tǒng)的成本，提升輸出的功率。
　　 本文理論分析了基于外調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生0.1 THz低頻太赫茲波的功率影響因素，利用商用

3、的光電器件將輸出功率提升到毫瓦量級(jí)，將該太赫茲源分別用于研究石墨烯的可飽和吸收特性和光載太赫茲高速通信系統(tǒng)(TOF)。本論文的主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 第一，提出了一種基于外調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生高功率的0.1 THz連續(xù)太赫茲波的方法，理論和實(shí)驗(yàn)研究了影響太赫茲功率提升的因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)調(diào)制器的調(diào)制深度小于2和商用PIN型的光電探測(cè)器(PD)的光輸入功率小于6 dBm時(shí)，太赫茲波輸出功率隨著調(diào)制深度和PD的光輸入功率的增加而增

4、強(qiáng)。商用PD的光電飽和效應(yīng)是提升功率的一個(gè)瓶頸問(wèn)題，通過(guò)在PD后端增加一個(gè)商用的電放大器和一個(gè)增益系數(shù)為25 dBi的W波段的高頻天線，可以進(jìn)一步提升輸出功率。通過(guò)太赫茲功率計(jì)測(cè)量，在離天線距離2 cm處的0.1 THz太赫茲波輸出功率值超過(guò)1 mW。
　　 第二，首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石墨烯在0.1 THz頻段附近具有可飽和吸收的特性。通過(guò)外調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生可調(diào)諧的低頻太赫茲波源，調(diào)諧頻率范圍為96～100 GHz。隨著太赫茲波的入射功率增

5、加，石墨烯對(duì)太赫茲波的可飽和吸收逐漸降低，當(dāng)功率超過(guò)80μW后，飽和吸收降低到一個(gè)恒值，這證明了石墨烯具有可飽和吸收特性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和擬合計(jì)算得出，石墨烯樣品的飽和功率范圍為28.8～79.6μW，飽和強(qiáng)度為0.016～0.045 mW/cm2，調(diào)制深度范圍為4.58％～12.77％。同時(shí)，比較了光頻段的石墨烯可飽和吸收特性，通過(guò)開孔Z掃描技術(shù)在光通信波段和1053 nm波段實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相同石墨烯樣品的可飽和吸收特性，在1550 nm和1

6、053 nm的波段的飽和吸收強(qiáng)度分別為7.89 MW/cm2，10.32 MW/cm2。將相同的石墨烯樣品作為可飽和吸收體放置在光纖激光器腔內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器實(shí)現(xiàn)了鎖模激光脈沖的輸出，脈沖重復(fù)為1.21 MHz。通過(guò)這些工作，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了石墨烯是一個(gè)能工作在低頻太赫茲和光波段的寬頻段范圍的可飽和吸收體。
　　 第三，提出了兩級(jí)光調(diào)制產(chǎn)生0.1 THz光載太赫茲信號(hào)的新方案，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線速率為2～5 Gb/s的高速通信，經(jīng)無(wú)線信道

7、傳輸0.1m距離后，接收單元通過(guò)相干解調(diào)，得到清晰的無(wú)線信號(hào)眼圖。分別將波長(zhǎng)重利用和光本振遠(yuǎn)程傳送技術(shù)用于簡(jiǎn)化全雙工的TOF系統(tǒng)的基站，提出了基于光波長(zhǎng)重利用技術(shù)的全雙工0.1 THz的TOF系統(tǒng)的新方案，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了下行傳輸速率為5 Gb/s和上行傳輸速率為2.5Gb/s在10 km色散位移光纖中的傳輸;提出基于半導(dǎo)體光放大器(SOA)四波混頻效應(yīng)的0.1 THz的光本振遠(yuǎn)程傳送的新方案，并在40 GHz頻段對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)