基于微波光子技術的低頻太赫茲波功率提升及應用研究.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，由于太赫茲波在材料、通信、成像和國防等眾多領域有著良好的應用前景，受到了各國研究機構的重視。如何獲得低噪聲、低成本、高功率的太赫茲波以滿足實際應用中的需求是一個亟待解決的問題。與傳統(tǒng)的電子學技術相比，微波光子技術更為適合被用來解決這一難題。
　　 微波光子技術能夠有效融合微

2、波技術與光子技術，利用光子學的技術手段實現(xiàn)微波和太赫茲波的產生、傳輸、控制和處理。外調制技術是一種典型的微波光子技術，非常適合產生低相位噪聲的太赫茲波。它是利用光調制器的非線性響應，產生相干的高階光邊帶，再將高階邊帶在光電探測器(PD)拍頻，轉換為太赫茲信號。通過使用成熟和高性價比的光通信器件，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制技術產生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，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)新點如下:
　　 第一，提出了一種基于外調制技術產生高功率的0.1 THz連續(xù)太赫茲波的方法，理論和實驗研究了影響太赫茲功率提升的因素。通過實驗驗證了當調制器的調制深度小于2和商用PIN型的光電探測器(PD)的光輸入功率小于6 dBm時，太赫茲波輸出功率隨著調制深度和PD的光輸入功率的增加而增

4、強。商用PD的光電飽和效應是提升功率的一個瓶頸問題，通過在PD后端增加一個商用的電放大器和一個增益系數(shù)為25 dBi的W波段的高頻天線，可以進一步提升輸出功率。通過太赫茲功率計測量，在離天線距離2 cm處的0.1 THz太赫茲波輸出功率值超過1 mW。
　　 第二，首次實驗發(fā)現(xiàn)石墨烯在0.1 THz頻段附近具有可飽和吸收的特性。通過外調制技術產生可調諧的低頻太赫茲波源，調諧頻率范圍為96～100 GHz。隨著太赫茲波的入射功率增

5、加，石墨烯對太赫茲波的可飽和吸收逐漸降低，當功率超過80μW后，飽和吸收降低到一個恒值，這證明了石墨烯具有可飽和吸收特性。經實驗測量和擬合計算得出，石墨烯樣品的飽和功率范圍為28.8～79.6μW，飽和強度為0.016～0.045 mW/cm2，調制深度范圍為4.58％～12.77％。同時，比較了光頻段的石墨烯可飽和吸收特性，通過開孔Z掃描技術在光通信波段和1053 nm波段實驗驗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，通過調節(jié)偏振控制器實現(xiàn)了鎖模激光脈沖的輸出，脈沖重復為1.21 MHz。通過這些工作，實驗驗證了石墨烯是一個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，提出了兩級光調制產生0.1 THz光載太赫茲信號的新方案，實現(xiàn)了無線速率為2～5 Gb/s的高速通信，經無線信道

7、傳輸0.1m距離后，接收單元通過相干解調，得到清晰的無線信號眼圖。分別將波長重利用和光本振遠程傳送技術用于簡化全雙工的TOF系統(tǒng)的基站，提出了基于光波長重利用技術的全雙工0.1 THz的TOF系統(tǒng)的新方案，實驗實現(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;提出基于半導體光放大器(SOA)四波混頻效應的0.1 THz的光本振遠程傳送的新方案，并在40 GHz頻段對該方案進行了實驗驗證，實驗