基于微波光子技术的可调谐低端太赫兹波的功率提升研究

Low-frequency terahertz waves (0.1-0.3THz), being the low absorption window of atmosphere,have important applications in communication, radar, detection, and so on. Takin into consideration the characteristics and the need of high power and tunability of the low-frequency terahertz waves, we propose a TOF（Terahertz-over-Fiber） solution based on microwave photonics. We will study some fundamental problems concerning the generation, tuning, power scalable single-link and power combination of multi-link of low-frequency terahertz waves. We will establish the relationship between the radiation power of the TOF system and the operation parameters of the key devices of the system, trying to notably increasing the radiation power of a single link through deep modulation, high-gain fiber amplification and high-gain antenna. In addition, we will explore a new way of combination of multi-link terahertz radiations following the principle of phase array radar, trying to pave the way to obtain 100mW level terahertz radiation output and thus provide the funndation and support for the wide application of terahertz waves.

低端太赫兹波段(0.1-0.2THz)处于大气传输的低吸收窗口，适于太赫兹通信、雷达和探测等远程传输系统的应用。本项目针对这一波段的特点和高功率可调谐的应用需求，提出采用基于微波光子学技术的TOF（Terahertz-over-Fiber）解决方案，融合微波技术与光子技术的优势，开展低端太赫兹波的产生、调谐、单链路功率提升和多链路功率合成等关键技术的基础研究；揭示TOF系统发射功率与系统及关键器件工作参数之间的定量关系，通过深度调制、高增益光纤功率放大、高增益天线等微波光子学技术手段，较大幅度提升单链路辐射功率；借鉴相控阵雷达原理，探索研究多链路太赫兹功率合成新技术，为实现百毫瓦级高功率太赫兹辐射输出提供坚实基础和重要技术支撑,促进太赫兹技术的广泛应用。

微波光子技术是一门融合微波技术和光子学的新兴交叉学科，主要应用于高频微波信号/太赫兹产生、宽带无线接入网络、雷达、卫星通讯以及探测等领域。近年来，高带宽通信网络以及探测应用对高频微波/太赫兹源的需求进一步推动了微波光子学技术的发展。其中，光生微波技术能有效的克服器件电子瓶颈，为产生高频微波/太赫兹源提供了很好的解决方案。由于低端太赫兹（0.1THz-0.2THz）处于大气传输的低吸收窗口，适于太赫兹通信、雷达和探测等传输系统的应用，日益成为研究者关注的焦点。.本项目围绕如何获得低成本、有效的高功率低端太赫兹输出，开展了基于微波光子技术的可调谐低端太赫兹波产生以及功率提升等研究工作，并探索了其在低端太赫兹通信以及非线性测量中的应用。主要完成了三个方面的研究工作：1、开展了基于微波光子学产生0.1THz低端太赫兹波的理论研究。采用单个强度调制器以及级联两个强度调制器，进行了四倍频、八倍频产生0.1THz低端太赫兹波的方案研究。并通过在光域中加载10Gb/s的OOK信号，传输100km单模光纤后拍频产生携带数据信息的0.1THz低端太赫兹波，仿真结果显示，眼图清晰睁开，表明该方法实现低端太赫兹产生理论可行，并适合长距离光纤传输。2、搭建实验平台，开展低端太赫兹波功率的辐射特性以及放大研究。实现单链路0.1THz太赫兹波辐射功率达到31毫瓦，双链路合成输出辐射功率达到52毫瓦。3、基于光电结合产生0.1THz的连续低端太赫兹源，实验研究了光学低端太赫兹波信号的传输特性，并对其应用进行了进一步探索。搭建了相关0.1THz全双工光载太赫兹通信系统，成功将6Gb/s OOK信号加载至0.1THz低端太赫兹波上，并传输2m以上无线距离。并利用该低端太赫兹源搭建相关非线性测试系统，首次发现二维材料拓扑绝缘体在0.1THz波段具有饱和吸收特性。.本项目研究结果不仅为产生高质量的低端太赫兹波提供了理论以及实验支撑，同时为基于微波光子技术实现低端太赫兹波功率提升及合成提供了系统的基础研究。从研究结果可以看到将数字信号加载至该低频太赫兹波上进行长距离传输后能有效的进行解调，表明该技术不仅能产生较高功率的低端太赫兹波，同时具有较高的质量，适用于太赫兹载波信息传输以及探测。尤其是该技术能有效匹配光通信系统的高速数据传输率以及光-无线网络的无缝接入，在未来超宽带无线接入网络中拥有巨大的应用价值。