光子集成亚太赫兹无线通信源的非线性动力学研究及器件设计

Higher carrier frequency allows faster transmission of large amounts of data required by emerging applications. To preempt the bandwidth resources, and to expand the bandwidth of wireless communication, researches to terahertz (THz) communications being carried out in our country are with high strategic significance. Compact, high purity sub-THz communications transmitter is the key technology to realize THz communication. Therefore, we propose this project application to carry out a systematic investigation on the photonic integrated sub-THz wave sources. Firstly, through experimental investigation of sub-THz modulated generation and related various nonlinear dynamics in mutual injection photonic integrated semiconductor laser (ML-PISL), dynamics process of sub-THz wave modulated generation will be clarified. Secondly, a reasonable theoretical mode will be constructed to describe the nonlinear dynamics of ML-PISL. Next, the optimal design of ML-PISL will be proposed, and more powerful ML-PISL devices will be manufactured. Thirdly, based on the theoretical analysis and experimental investigation, the key impact factors and the optimal regulation way of ML-PISL will be explored. Finally, the accurate regulation of ML-PISL transmitter will be realized experimentally. By carrying on this project, we hope to achieve some breakthroughs in the basic research of high-rate sub-THz communication, and provide core technological support for the development of related important fields.

更高的载波频率允许更快传输新兴应用所需的大量数据。我国开展太赫兹(THz) 通信研究，对于抢占带宽资源，拓展无线通信带宽，具有非常高的战略意义。紧凑的、高纯度亚太赫兹通信发射器是实现太赫兹通信的关键技术。本项目将通过对互注入光子集成半导体激光器（ML-PISL）高速亚太赫兹波发射器及其相关非线性动力学的实验观察，弄清ML-PISL 产生亚太赫兹波的动力学过程；在现有ML-PISL的理论体系的基础上提出适合于高速亚太赫兹调制产生的非线性动力学理论模型；探明影响ML-PISL调制产生亚太赫兹波的关键因素和优化路径，探寻ML-PISL调制产生亚太赫兹波的相关物理机制；在较完整理论和大量实验观察基础上，提出优化的ML-PISL设计方案，研发性能更强的ML-PISL器件。通过该项目的研究，我们希望能在高速率亚太赫兹通信的基础性科学方面做出具有原创性工作，提供核心技术，提升我国在该领域的核心竞争力。

更高的载波频率允许更快传输新兴应用所需的大量数据。我国开展太赫兹(THz)通信研究，对于抢占带宽资源，拓展无线通信带宽，具有非常高的战略意义。紧凑的、高纯度亚太赫兹通信发射器是实现太赫兹通信的关键技术。主要开展了以下研究：(1) 实验研究了ML-PISL 毫米波光学产生。制备了60 G ML-PISL 毫米波光学产生芯片。对60 G ML-PISL 毫米波光学产生和相关各种非线性动力学过程开展系统实验研究；初步测试了芯片光谱特性；探索了多种因素对60 G ML-PISL 毫米波光学产生的影响。(2) 构建ML-PISL 亚太赫兹波光学调制产生理论模型。在现有的ML-PISL 射频光学产生理论体系的基础上，综合评估ML-PISL 与离散式ML-SL 在器件结构和工作条件等方面的区别；对亚太赫兹波光学调制产生的时域特性、频域特性以及动力学特性进行综合考虑；考虑PISL 器件中载流子脉动(CDP)、载流子加热(CH)和光谱烧孔(SHB)等非线性效应对增益、折射率动态特性的影响；通过理论计算与实验观察对比，完善了ML-PISL 亚太赫兹波光学调制产生理论。取得了如下重要结果：（1）成功制备了ML-PISL 毫米波光学产生芯片。DFB激光器的波长调谐范围可超过 5 nm，可以覆盖60 GHz 波段、亚太赫兹波段(120 GHz、240 GHz)和太赫兹波段(360 GHz)，具有极强的兼容性。（2）发展了一个可正确描述ML-PISL亚太赫兹波光学调制产生动力学特征的理论模型。（3）提出并展示了一种利用包含两个相位调制器（PM）的双平行结构实现相位编码微波信号光学产生。（4）提出并实验展示了一种使用包含Sagnac干涉仪和FBG的单纵模双波长光纤激光器实现可调微波信号产生。（5）提出研究了一种通过NOLM及石墨烯-PVA来实现DMS与调Q的同时产生或分别产生的光纤激光器。（6）提出并实验展示了一种包含马赫增德尔干涉仪（MZI）和光纤布拉格光栅对（FBG-pair）有源谐振腔的可重构微波光子滤波器，仅通过调节光源可实现带通间的灵活切换，并可分别实现了带通滤波、全通滤波和窄带陷波滤波响应。通过该项目的研究，我们希望在已经发展的ML-PISL亚太赫兹波光学调制产生理论模型的指导下，制备出性能优良的亚太赫兹波光学调制产生器芯片，提供亚太赫兹通信核心技术，提升我国在该领域的核心竞争力。