基于硅基片上集成器件的高Q、高抑制比且Q值可调的微波光子滤波器的研究

The microwave photonic filter (MPF) has important applications in wireless communications and radar. In order to reduce the volumn and weight of the MPF, the application of silicon based integrated semiconductor optoelectronic devices in microwave photonic filtering technique has been widely investigated. However, both the Q factor and the peak rejection ratio are too small. In order to improve the performance of the MPF, this project innovatively proposes to incorporate stimulated Raman amplification (SRA) to realize MPF with ultra-high Q factor and ultra-high peak rejection ratio. The innovations of this project are list as follows: (1) Break through the traditional methods to increase the Q factor by improving the fabrication and material to decrease the transmission loss in microring resonator. Use SRA to provide optical gain and reduce the net cavity loss as small as possible, thus to realize MPF with ultra-high Q factor and ultra-high peak rejection ratio; (2) Incorporate cascaded tunable Mach-Zehnder interferometers (MZI) to further improve the peak rejection ratio of MPF; (3) Under the ultra-high rejection ratio, the MPF has a large tunable range of the Q factor. After theoretical and experimental investigation in this project, the performance of the silicon based MPF will be greatly improved, and it will make important sense for the MPF application.

微波光子滤波器在无线通信以及雷达中具有重要的应用。为减小滤波器的体积和重量，基于硅基半导体集成器件的微波光子滤波技术得到了广泛研究，然而所获得滤波器的Q值小、抑制比低。为提高微波光子滤波器的性能，本项目创新性地提出在硅基微环中采用受激拉曼放大来实现超高Q值、超高抑制比的微波光子滤波器。本项目具有如下创新之处：（1）突破以往通过改进工艺和材料来减小微环波导损耗，从而提高微波光子滤波器Q值的思路，在硅基微环中采用受激拉曼放大来提供增益从而获得尽可能小的腔内总损耗，实现超高Q值、超高抑制比的微波光子滤波器；（2）采用级联的可调马赫-曾德尔干涉仪（MZI）进一步提高微波光子滤波器的抑制比；（3）在保持微波光子滤波器具有超高抑制比的前提下，实现微波光子滤波器的Q值大范围可调。通过本项目的理论和实验研究，硅基集成微波光子滤波器的性能将获得大幅提高，这对最终实现微波光子滤波器的应用具有重要的研究意义。

微波光子滤波器可直接对高频宽带信号进行处理，它在无线通信、雷达、测试测量仪器仪表等方面有着广泛的应用。传统基于分立器件的微波光子滤波器体积巨大、成本高昂、可靠性较差。针对这些问题，本课题以紧凑的硅基片上集成器件（微环谐振器、级联可调马赫-曾德尔干涉仪）为切入点，创新性地提出并论证了具有超高抑制比（60 dB）、窄带宽（780 MHz）且中心频率大范围可调（0-40 GHz）的片上集成微波光子滤波器，并通过在硅波导中引入受激拉曼放大，实现微波光子滤波器的Q值可调。进一步地，基于硅基双微环谐振腔和级联可调马赫-曾德尔干涉仪，获得了超高斜率且斜率可调（870.06-3388.1 dB/nm）的Fano谐振，该成果有望用于改善微波光子滤波器的边沿陡峭度。另外，通过将硅基10阶微环谐振器与光电探测器集成到一个芯片上，得到了3-dB带宽在5.3-19.5 GHz范围内连续可调的平通带微波光子滤波器。通过对铟磷（InP）基法布里-珀罗半导体光放大器（FP-SOA）的增益特性和非线性效应的深入研究，获得了带宽调谐性好（0.68-1.43 GHz）、抑制比超高（61.0-76.3 dB）的微波光子滤波器。构建并验证了基于二氧化硅（SiO2）微球谐振腔的带宽超窄（~2.2 MHz）的微波光子滤波器。另外，还从高低通滤波形状切换、中心频率调谐性以及克服光纤色散引起的功率衰落三个方面改善了微波光子滤波器的性能，增强了其灵活性。在此基础上，本课题对微波光子滤波器的应用场景进行了研究，首先是采用级联微波光子滤波器进行模式选择，得到了单模起振（边模抑制比55 dB）且起振频率大范围可调（0-40 GHz）的光电振荡器；采用基于受激布里渊散射的微波光子滤波器进行预滤波处理，得到了具有镜像抑制能力的微波光子下变频器；基于马赫-曾德尔调制器，消除了毫米波段超宽带信号产生中的背景和本振信号，并在模拟信号的微分运算上取得了进展。本课题取得的研究成果一方面提升了现有集成微波光子滤波器的性能，另一方面拓展了微波光子滤波器的应用研究，为集成微波光子技术的进一步研究奠定了良好的基础。