论文摘要
微波光子移相器（MWPPS）是一种在光域中对微波信号进行相位处理的光子器件。它随着微波光子学以及光载射频通讯（RoF）的兴起而日益在军事和卫星通信领域受到人们的重视。该器件是光控相控阵系统中的关键器件,主要用于对相控阵系统中的各天线阵元提供合适的相位反馈,产生光波束形成网络,完成系统的探测扫描任务。由于MWPPS在本质上属于微波和光子学的交叉领域。因而它可以借助微波和光子领域的双重优势,用更丰富、更灵活的手段对电学移相器无法处理的高频微波信号进行相位调谐。本文首先详细阐明了MWPPS在相控阵系统中的概念、功能、优缺点及设计原则,并对MWPPS的发展现状进行了深入了解。正文主要分为理论研究和实验研究两个方面。理论上对两类工作在毫米波段的集成MWPPS进行了设计；实验中则结合实际条件,对工作频率为10GHz的分立型、集成化的两类矢量和MWPPS进行了详细研究。在理论工作中作者结合边带调制技术,首次成功设计了一种基于SOI脊形波导的在线式集成MWPPS。该器件在单一波导内集成了F-P腔窄带滤波器、布拉格反射器以及热光型光学相位调制区,通过F-P腔窄带滤波器对双边带光载微波信号滤波、布拉格反射镜对透射边带的反射和PMR对透射边带的相位调节,通过外部调谐,在折射率变化为0～10×10-3的范围内,可实现对输入的任何双边带光载微波信号超过360°的连续相位调节,调节精度约6.92°/℃。该器件在同类中的优势在于其具有超大的工作带宽,适用于从38GHz到1.9THz的所有可用的高频波段。且器件具有相位调谐量不随工作频率变化、输出功率恒定的特性。另外,作者首次提出了基于集成光波导模式的正交矢量和技术,解决了传统矢量和MWPPS无法集成化的难题。文中详细的论证了该技术在克服合成信号的功率不稳定性和集成化两方面的可行性。器件以SOI亚微米矩形波导为基础,设计了基于对称定向耦合器（SDC）的光功率分配器、光开关单元：以非对称定向耦合器（ADC）为基础成功设计了0th to 1st MOCM和0th to 2nd MOCM两种模式转换复用器。利用SOI亚微米波导较大的模间色散特性,在约4617μm的波导传输中可实现1st和2nd以及0th和2nd模式间6.25ps和18.75ps的相对延时。通过对光功率分配器的调节以及对光开关的切换操作,在调谐区折射率变化为0～15×10-3范围内,可实现40GHz微波信号精度为1.64°/℃、360°全范围相位调谐。在实验方面作者首先论证了基于宽带光源矢量和MWPPS的可行性,然后对工作频率为10GHz的分立矢量和MWPPS进行了研究。构建了四分支结构的矢量和MWPPS,通过对四分支的两两组合,并用衰减器调谐各分支的光功率,每种组合可获得90°的相位调谐,一共可实现360°的全范围调谐。器件输出功率的最大波动约3dB,扫频波动约3.6dB；为了简化四分支系统的复杂结构,作者采用光强度调制器在不同偏压下的反相特性,构建了两分支结构,实验结果表明,简化结构减小了对光功率衰减量的要求。在两种不同的偏置电压下,MWPPS只需较小的光功率变化即可实现共近360°的相位变化。但信号输出功率最大波动可达到20dB。作为对宽带光源的补充,作者还提出了一种基于多载波调制的矢量和MWPPS,作者对波长为1530nm和1560nm载波复用,双载波被调制器同时调制后通过52m长的光纤的色散引入约25ps的相对延时,通过调谐输出光功率,这一构造可实现10GHz光载微波信号90°的相位调谐,输出功率最大波动7dB。最后结合分立系统的研究成果,作者首次提出并制作了一种基于宽带光源的SOI脊型波导的非对称Mach-Zehnder结构集成VSM-MWPPS,结合调制器的反相特性可实现微波信号近360°的相位调谐。宽带光源的使用解决了片上VSM-MWPPS光载微波信号合成时微波信号功率和相位的不稳定性问题,而调制器反相特性的利用则简化了器件结构。研究中作者采用小截面SOI脊型波导对工作频率为10GHz的VSM-MWPPS各个功能模块,即分路器、合路器、衰减单元以及延时线进行了设计,并以此为依据在SOI硅片上进行了器件制作。在实验中,重点对器件制作的关键工艺ICP的主要参数进行了对比研究,得到了理想的刻蚀条件。最后对器件进行了基本性能测试。结果表明,器件直波导的传输损耗约7.6dB/cm,端面耦合损耗约为5.5dB/端面。波导的有效折射率约为3.42558,群折射率约3.5893,两波导延时线之间的相对延时差约48ps,在10 GHz工作频率下,相位差约172.8°。在2 GHz带宽内扫频,输出功率波动约2 dB。