基于微波光子技术的低频太赫兹波功率提升与应用研究

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1、Studyofpowerpromotionandapplicationsoflow—frequencyterahertzwavegeneratedbymicrowavephotonictechnologybyZHENGZhiweiB．E．(XiangtanUniversity)2005M．S．(HunanUniversity)2010AdissertationsubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofDoctorofEng

2、ineeringlnComputerApplicationsTechnologyintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorYUJianjunDecember，2012湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本

3、声明的法律后果由本人承担。作者签名：乏《乞卟日期：仞2／年J胡／7日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密团。(请在以上相应方框内打“4")作者签名：‘丕年乞了b作者签名：么』乙7r了别醛名‘靠逮

4、争日期：加7浒J胡77日日期：山f。年炒一日基于微波光子技术的低频太赫兹波功率提升及应用研究摘要太赫兹(THz)波是指0．1,-,10THz频段之间的电磁波，它在电磁波谱中位于微波和红外光之间。低频太赫兹波是指频率范围在0．1-0．3THz之间。近年来，由于太赫兹波在材料、通信、成像和国防等众多领域有着良好的应用前景，受到了各国研究机构的重视。如何获得低噪声、低成本、高功率的太赫兹波以满足实际应用中的需求是一个亟待解决的问题。与传统的电子学技术相比，微波光子技术更为适合被用来解决这一难题。微波光子技术

5、能够有效融合微波技术与光子技术，利用光子学的技术手段实现微波和太赫兹波的产生、传输、控制和处理。外调制技术是一种典型的微波光子技术，非常适合产生低相位噪声的太赫兹波。它是利用光调制器的非线性响应，产生相干的高阶光边带，再将高阶边带在光电探测器(PD)拍频，转换为太赫兹信号。通过使用成熟和高性价比的光通信器件，能有效地降低太赫兹系统的成本，提升输出的功率。本文理论分析了基于外调制技术产生0．1THz低频太赫兹波的功率影响因素，利用商用的光电器件将输出功率提升到毫瓦量级，将该太赫兹源分别用于研究石墨烯的可

6、饱和吸收特性和光载太赫兹高速通信系统(TOF)。本论文的主要成果和创新点如下：第一，提出了一种基于外调制技术产生高功率的0．1THz连续太赫兹波的方法，理论和实验研究了影响太赫兹功率提升的因素。通过实验验证了当调制器的调制深度小于2和商用PIN型的光电探测器(PD)的光输入功率小于6dBm时，太赫兹波输出功率随着调制深度和PD的光输入功率的增加而增强。商用PD的光电饱和效应是提升功率的一个瓶颈问题，通过在PD后端增加一个商用的电放大器和一个增益系数为25dBi的W波段的高频天线，可以进一步提升输出功率

7、。通过太赫兹功率计测量，在离天线距离2cm处的0．1THz太赫兹波输出功率值超j立1mW。第二，首次实验发现石墨烯在0．1THz频段附近具有可饱和吸收的特性。通过外调制技术产生可调谐的低频太赫兹波源，调谐频率范围为96～100GHz。随着太赫兹波的入射功率增加，石墨烯对太赫兹波的可饱和吸收逐渐降低，当功率超过80laW后，饱和吸收降低到一个恒值，这证明了石墨烯具有可饱和吸收特性。经实验测量和拟合计算得出，石墨烯样品的饱和功率范围为28．8～79．6laW，饱和强度为O．016～0．045mW／cm2,

8、调制深度范围为4．58％～12．77％。同时，比较了光频段的石墨烯可饱和吸收特性，通过开孔Z扫描技术在光通信波段和1053nm波II博士学位论文段实验验证了相同石墨烯样品的可饱和吸收特性，在1550nm和1053nm的波段的饱和吸收强度分别为7．89MW／cm2，10．32MW／cm2。将相同的石墨烯样品作为可饱和吸收体放置在光纤激光器腔内，通过调节偏振控制器实现了锁模激光脉冲的输出，脉冲重复为1．21MHz。通过这些工作，实验验证了石墨烯是一个能工作在