二維材料的微波光子學特性及應用研究.pdf

1、微波光子學是一門融合微波技術和光子學的新興交叉學科，主要應用于寬帶無線接入網(wǎng)絡、傳感網(wǎng)絡、雷達、衛(wèi)星通訊以及軍事系統(tǒng)等領域。近年來，對高速率、高帶寬、高容量通信網(wǎng)絡的應用需求進一步推動了微波光子學技術的發(fā)展。其中，光生微波技術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，日益成為研究者關注的焦點。另外，由于目前電信號處理速度極限為40 Gb/s，為了實現(xiàn)超高數(shù)據(jù)傳輸率，全光信號處理等也成為研究的重點。
　　高質量的微波信號是高速光載無線通信系統(tǒng)(ROF）的關鍵。目前，研究人員已經(jīng)提出了多種光學拍頻產(chǎn)生微波技術的方案，例如在光域實現(xiàn)微波頻率倍頻，光鎖相環(huán)，外調制技術等。然而，這些方法都具有系統(tǒng)結構復雜，成本昂貴等特點。近年來，石墨烯等二維原子晶體材料

3、由于其獨特的電子能帶結構以及光學特性，引起了研究者的廣泛關注?；谑┑膶拵Х蔷€性特性，研究人員實現(xiàn)了非線性效應波長轉換器件、窄線寬單縱模激光輸出等。最近，另一類二維狄拉克材料-拓撲絕緣體也引起了科研人員的關注。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)?；谕負浣^緣體與石墨烯的相似性，相關問題也引起了我們的思考。拓撲絕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？尤其是飽和吸收特

4、性，以及大非線性克爾效應等在光生微波以及全光器件中擁有巨大的潛在應用價值。
　　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、波長轉換器件等研究工作，并探索了其在微波信號產(chǎn)生以及光載無線通信系統(tǒng)中的應用等工作，取得了以下幾項創(chuàng)新性研究成果：
　　(1)基于不同光學倍頻方法和外差技術，理論和實驗研究了高效倍頻技術及W波段微波產(chǎn)生技術。理論上研究了使用外部調制技術實現(xiàn)光域四倍頻以及八

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

6、線通信系統(tǒng)。使用12.5GHz的微波源信號倍頻后驅動單臂馬赫曾德爾調制器，用以產(chǎn)生光學二階邊帶，實現(xiàn)了微波信號在光域的四倍頻。成功的將5 Gb/s OOK信號下行傳輸10 km色散位移光纖以及3m無線距離。
　　(2)首次實驗獲得了拓撲絕緣體的寬帶非線性吸收特性，并進行了定性分析。采用平衡雙探頭法，在800 nm、1570 nm以及 W波段對拓撲絕緣體（Bi2Te3）的飽和吸收特性做了系統(tǒng)的研究。提出了拓撲絕緣體飽和吸收特性存在兩

7、種飽和吸收機制，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測量技術研究發(fā)現(xiàn)，拓撲絕緣體不僅是一種寬帶飽和吸收材料，同時也具有巨大的非線性克爾效應。
　　(3)首次基于拓撲絕緣體材料實現(xiàn)了單波長和雙波長單縱模窄線寬激光輸出，并成功應用于光載波無線通信系統(tǒng)中?；诠獬练e的方法，將拓撲絕緣體材料沉積至拉錐光纖上制備成飽和吸收體，實現(xiàn)了基于拓撲絕緣體飽和吸收特性的單

8、縱模窄線寬激光輸出，得到輸出功率達到了23 mW，線寬小于10 kHz。使用兩個光纖布拉格光柵（FBG）作為選頻器件，拓撲絕緣體作為飽和吸收體，成功實現(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行差拍，產(chǎn)生了100 GHz的高頻微波信號，在加載1 Gb/s的OOK信號后，成功傳輸了10 km色散位移光纖以及1.5 m無線距離。
　　(4)首次基于拓撲絕緣體材料的強非線性，在光通信波段實現(xiàn)了全光波長轉換。將拓撲絕緣體沉積至