论文总字数：26220字

摘 要

目前传统相控阵雷达波束形成网络体积过大，稳定性差、瞬时带宽窄等缺点，国际上提出了许多基于光学真延时波束形成网络的相控阵天线系统。其中基于集成光波导的光延时技术不但可以精确地控制波导长度而具有高的延时精度，还可在小的基片上制备出超长的波导线，从而大大减小系统尺寸。本论文开展了基于集成波导微环谐振器的真延时线探究。我们拟用微环谐振器的谐振效应，在谐振波长附近较小的尺寸内实现较大的延时量，从而提高器件的紧凑性。论文首先对光波导理论进行了分析，确定波导的截面结构，考虑到低传输损耗，特意选取了4μm×4μm的矩形波导截面尺寸，并对其进行仿真。然后理论分析了微环谐振器输出特性及性能参数。根据实际应用情况，阐述了选取聚合物制备波导的原因，利用有机聚合物材料进行了光波导延时的芯片制备，并进行了波导的延时性的测试。测试结果与理论分析结果基本吻合。

关键词：光波导，聚合物，微环谐振，延时

Abstract

At present, the traditional phased array radar beamforming network has the disadvantages of large volume, poor stability, and narrow instantaneous bandwidth. In the world, many phased array antenna systems based on optical true delay beamforming networks have been proposed. The integrated optical waveguide-based optical delay technology not only can accurately control the waveguide length but also has high delay accuracy, and can also produce an ultra-long waveguide on a small substrate, thereby greatly reducing the system size. In this dissertation, we investigate the true delay line based on integrated waveguide microring resonators. We propose to use the resonant effect of the microring resonator to achieve a large amount of delay within a small size near the resonant wavelength, thereby improving the compactness of the device. The paper first analyzes the theory of optical waveguides, determines the cross-section structure of the waveguide, and takes into account the low transmission loss. The rectangular waveguide section size of 4 μm×4 μm was deliberately selected and simulated. Then, the micro-ring resonator output characteristics and performance parameters were theoretically analyzed. According to the practical application, the material and reason for choosing the waveguide material for polymer preparation were described. The preparation of the optical waveguide delay chip was performed using organic polymer materials, and the time delay of the waveguide was tested. The test results are basically consistent with the theoretical analysis results.

Keywords: Optical waveguide, polymer, micro-ring resonance, delay tuning

目 录

摘要 i

Abstract ii

第一章 绪论 1

1.1 光延时线 1

1.2 微环谐振器在光延时线中的应用 4

1.3 本论文工作 6

第二章 光波导理论与设计 7

2.1 光波导理论 7

2.2 矩形光波导设计与仿真 8

2.3 小结 12

第三章 微环谐振器设计 13

3.1 微环谐振器工作机理 13

3.2 微环谐振器的光学性质及相关参数 14

3.2.1 谐振波长 14

3.2.2 自由频谱范围（Free Spectral Range） 15

3.2.3 消光比 16

3.2.4 品质因子 16

3.3 微环谐振器设计与参数分析 16

3.4 群延时理论 17

3.4 本章小节 19

第四章 聚合物谐振环形延时线工艺 20

4.1聚合物谐振环形延时线制作工艺 20

4.2材料选择 20

4.2.1 光刻胶材料 20

4.2.2 芯层材料与上下包层材料 21

4.3实验流程 21

4.3.1 清洗衬底硅片 21

4.3.2旋涂下包层 21

4.3.3旋转涂覆波导层 22

4.3.4镀铝 22

4.3.5光刻、显影 22

4.3.6 反应离子刻蚀 23

4.3.7 旋涂上包层层 23

4.3.8 粘贴玻璃片 24

4.3.9 切割、抛光 24

4.4延时特性测试 24

第五章 结论与展望 28

致 谢 29

参考文献 30

绪论

相控阵雷达通过控制各天线单元微波信号的相位延迟来实现波束定向合成，从而实现天线波束扫描。它具有无物理运动转向、扫描速度高以及波束指向准确等优点，在现代战争中发挥了重要的作用。而今在应对超宽带、超高速的现实需求下，基于微波移相器的相控阵雷达必须克服“波束倾斜”效应，这使得提高信号瞬时带宽的需求面临极大的挑战。而光控相控阵雷达技术由于采用了可以有效消除“波束倾斜”效应的光学真延时技术，成为解决上述难题的有效方案之一。

近年来，光控相控阵雷达凭借其超宽的频带宽度、强抗电磁干扰能力、不存在波束偏斜现象等优点，显露出独特的研究价值和广泛的应用前景。国际上报道的光控相控阵雷达系统有多种方式实现时间延迟或光学相位改变。比较而言，采用光学真延时方案比移相器方案更易实现宽带、宽角扫描。

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