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基于硅基集成器件的微波光子滤波器研究

基于硅基集成器件的微波光子滤波器研究

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作者：包航重庆邮电大学

学位级别：硕士

微波光子滤波器(Microwave Photonic Filter,MPF)作为微波光子系统的重要组成部分,承担了使用光学元件在光域中实现微波信号滤波的功能。对于集成MPF而言,实现更灵活的滤波频谱、更高的滤波性能以及提高器件集成度是所追求的主要目标。... 详细信息

微波光子滤波器(Microwave Photonic Filter,MPF)作为微波光子系统的重要组成部分,承担了使用光学元件在光域中实现微波信号滤波的功能。对于集成MPF而言,实现更灵活的滤波频谱、更高的滤波性能以及提高器件集成度是所追求的主要目标。因此本文围绕硅基集成光子器件及其构建的MPF,实现了更大且更灵活的滤波工作频段,减小了器件尺寸。同时针对不同应用场景优化了滤波性能以有效提升频谱使用效率,并对提出的关键结构进行了理论和实验验证。本文的主要研究内容如下:1、通过研究硅基集成技术和现有MPF工作原理,设计了基于有限冲激响应的8抽头MPF,并通过调节各抽头支路间的幅度和相位系数,实现了带宽调节、频率调节和典型的滤波曲线。为了进一步减小滤波器尺寸,提出了一种分光比大范围可调的分光器(Optical Power Splitter,OPS),采用该OPS可替代原滤波器设计中的分光区域和幅度调制区域,有效减小该部分尺寸约53%。2、针对现有滤波器方案只能工作在单一频段的不足,本文提出采用可调延时线替代原滤波器方案中固定波导延时线的方案,以此改变滤波器的自由频谱范围(Free Spectral Range,FSR),最终达到调控滤波器工作频段的目标。设计的片上可调延时线采用啁啾反向耦合器结构,通过研究硅基器件制备工艺,最终制作并实验验证了延时调节范围约22 ps的可调延时线。3、针对多信道传输场景和非对称滤波场景,本文研究了波导光栅的工作原理,设计了基于级联啁啾亚波长光栅辅助反向耦合器的单通带无中断传输滤波器和基于光栅辅助微环结构的Fano滤波器。其中,单通带无中断传输滤波器可实现单通带可调宽带滤波曲线和无中断传输特性,有效提升了频谱利用效率。而Fano滤波器具有剧烈变化的非对称谱线,在调制、探测和传感等领域中均有应用。

关键词：硅基集成器件微波光子滤波器可调分光器片上可调延时线

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基于马赫-曾德尔干涉仪耦合微环结构的硅基集成光子器件研究

基于马赫-曾德尔干涉仪耦合微环结构的硅基集成光子器件研究

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作者：刘冕华中科技大学

学位级别：硕士

光子作为一种新的信息载体,被越来越多的人所关注,与传统的电通信相比,光通信拥有更快的传输速率和更大的通信带宽。硅基集成光学具有尺寸小、低成本、高带宽、高速和高抗干扰等优点,现在已成为人们在信息领域研究的热门。光学时域微分... 详细信息

光子作为一种新的信息载体,被越来越多的人所关注,与传统的电通信相比,光通信拥有更快的传输速率和更大的通信带宽。硅基集成光学具有尺寸小、低成本、高带宽、高速和高抗干扰等优点,现在已成为人们在信息领域研究的热门。光学时域微分器由于在信号处理等领域有诸多优点和重要应用,受到了研究人员的高度重视。本文主要研究了基于绝缘衬底上的硅(Silicon On Insulator,SOI)的马赫-曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer,MZI)耦合微环结构的集成光子器件,主要研究了以下内容:1)分析了光场微分器的工作原理,介绍了光学微分器的三个关键性能评判指标,工作带宽、处理误差和能量效率。简单介绍了基于微环方案的光学时域微分器,进一步提出了一种基于MZI耦合微环结构(MZI-MRR)的光学微分器,仿真证明调节MZI结构上下两臂的相位差可以达到了改变器件耦合状态的目的,从而实现可调分数阶微分。2)介绍了 MZI-MRR器件的结构参数和工艺制作流程,利用热光效应去改变MZI上臂波导的折射率,达到改变MZI结构上下两臂的相位差的目的。MZI-MRR在临界耦合时的3dB带宽约为0.09nm,器件输出微分脉冲的阶数N从1.75-0.25连续变化。计算发现实验结果的平均误差小于6%,是目前已知的调谐范围最大的单微环结构光学微分器。3)提出了基于级联MZI-MRR器件的分数阶光学微分器和可编程光子滤波器。实现了阶数从0.37-2.40变化且微分误差小于8%的分数阶光学微分器。最后通过调节器件中微环的谐振频率和凹陷谱深度,实现了中心波长、带宽和滤波形状可调的光子滤波器。

关键词：全光信号处理硅基集成器件光学时域微分器微环谐振腔马赫-曾德尔干涉仪

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基于低损耗相变材料的非易失性波导滤波器的设计与研究

基于低损耗相变材料的非易失性波导滤波器的设计与研究

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作者：周挺宁波大学

学位级别：硕士

硅基可重构光电子器件的尺寸小、成本低、灵活度高,是新一代片上光通信系统的关键组成部分。然而,利用电光和热光效应调制硅波导的方式本身具有易失性,需要不断供应能量来维持特定状态,导致调制的功耗较高。相变材料在不同的相态间具有... 详细信息

硅基可重构光电子器件的尺寸小、成本低、灵活度高,是新一代片上光通信系统的关键组成部分。然而,利用电光和热光效应调制硅波导的方式本身具有易失性,需要不断供应能量来维持特定状态,导致调制的功耗较高。相变材料在不同的相态间具有巨大的光学性质差异,将相变材料与硅基器件混合集成是实现非易失性可调谐光子器件的一种新手段。在光通信波段,相较于GST和GSST,硒/锑二元化合物SbSe在非晶态和晶态都具有更低的消光系数,且在相变前后有一定的折射率对比,被认为是制备相位调制器件的理想选择。本文主要以低损耗相变材料SbSe为研究对象,结合硅波导布拉格光栅提出了非易失性可调谐带阻和可调谐带通滤波器。主要研究内容如下:（1）利用磁控溅射技术制备了SbSe薄膜,并对其性能进行了研究。探针电阻系统表明SbSe的结晶温度约为473 K,且材料电导率较低。使用XRD技术和拉曼技术表征了相演变过程。在光学性能方面,利用椭偏仪技术测试了相变前后SbSe折射率以及消光系数的变化,在1550 nm通信波段,SbSe折射率反差Δn=0.829,并且在非晶态和晶态都具有很低的消光系数。在热学性能方面,利用时域热反射系统测试出SbSe在非晶态和晶态的热导率分别为0.20 W/（m×K）和0.24W/（m×K）。（2）基于相变材料SbSe设计并仿真了两类波导光栅滤波器。利用SbSe的光学特性,将SbSe沉积在硅波导上表面,ITO-SbSe-硅混合波导在相变前后具有一定的相位调制能力:Δφ/L=0.21π/μm,以及很小的模式损耗:～0.105 d B/μm。基于这种混合波导结构,将SbSe与均匀光栅相结合,设计了可调谐带阻滤波器,通过控制SbSe的相变过程阻带实现了18 nm的波长偏移,同时带宽和消光比保持不变。在与相移光栅相结合的可调谐窄带通滤波器设计中,窄透射峰可以实现6 nm的波长偏移,同时阻带位置基本保持不变。调整相移区长度,可以实现相邻阶模式透射峰的转换。而在另一种SbSe-ITO-硅混合波导结构中,尽管器件的插入损耗更低,但相位调制能力稍弱。（3）基于ITO-SbSe-硅混合波导设计了一种ITO加热器结构相变薄膜电调控器件,通过施加电脉冲,在ITO中产生焦耳热,可以实现SbSe快速可逆相变。利用有限元法模拟了电调控器件置位和复位过程的电热行为,研究了电压幅值和持续时间对相变过程的影响,并分析了SbSe薄膜内的温度分布。仿真结果表明复位（置位）过程可以由持续时间为55 ns（400 ns）的4.5 V（2 V）电脉冲触发,对应的能耗为5.85 n J（8.4 n J）。

关键词：硅基集成器件低损耗相变材料光栅滤波器非易失性 ITO加热器电调控器件

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