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摘 要

由于传统的电控相控阵雷达带宽因孔径效应的存在受到了严重的限制，在此背景下光相控阵雷达得到了飞速的发展，在光相控阵雷达中，光学真延迟技术可以实现大的瞬时带宽，从而提高雷达系统性能。而基于可调光延时的波束形成网络可以实现与微波频率无关的微波相移，因此可以实现宽频带波束扫描。

波导微环谐振腔有着体积小、结构简单且易于集成的优点，微环谐振腔作全通滤波器使用时在谐振波长处具有较大的延时，并且还可以通过调谐功率耦合系数来实现延时的连续调谐，这个是利用光开关级联的延时线无法做到的。但是单个微环谐振腔的频谱响应是一个典型的洛伦兹曲线，其延迟带宽积是一个常数，使得无法在有较大群延时的情况下保证带宽。为了获得平顶型大带宽的群延时响应，可以将微环谐振腔进行级联，并通过优化其器件结构、功率耦合系数与附加相移来实现。

本文理论分析了微环谐振器的工作原理及其频谱特性，研究了波导材料、器件结构与耦合系数对微环谐振腔延时特性与频谱特性的影响。并基于氮化硅波导设计了三个跑道型微环谐振腔串联结构，在微环谐振腔周长为0.97cm，功率耦合系数分别调谐为κ₁=0.90，κ₂=0.85，κ₃=0.90，附加相移，，的情况下，实现了最大250.05ps的延时量，并有着4.37GHz的延时带宽，且延时连续可调。

关键词：微环谐振腔，氮化硅波导，可调延时

Abstract

Because the bandwidth of traditional electronically controlled phased array radar is severely limited by the aperture effect, the optical phased array radar has developed rapidly under this background. In the optical phased array radar, the optical true delay technology can achieve a large instantaneous bandwidth, thus improving the performance of the radar system. The beamforming network based on adjustable optical delay can realize microwave phase shift independent of microwave frequency, so broadband beam scanning can be realized.

Waveguide micro-ring resonator has the advantages of small size, simple structure and easy integration. When the micro-ring resonator is used as all-pass filter, it has a large delay at the resonant wavelength, and it can also achieve continuous tuning of the delay by tuning the power coupling coefficient, which can not be achieved by using optical switch cascade delay lines. However, the spectral response of a single micro-ring resonator is a typical Lorentz curve, and its delay bandwidth product is a constant, which makes it impossible to guarantee the bandwidth with large group delay. In order to obtain the group delay response with large bandwidth and flat top, the micro-ring resonator can be cascaded and realized by optimizing its device structure, power coupling coefficient and additional phase shift.

In this paper, the working principle and spectrum characteristics of micro-ring resonator are analyzed theoretically. The effects of waveguide material, device structure and coupling coefficient on the delay and spectrum characteristics of micro-ring resonator are studied. Based on the silicon nitride waveguide, three runway-type micro-ring resonators in series are designed. The maximum delay of 250.05ps is achieved with a 4.37GHz delay bandwidth and a continuous adjustable delay when the perimeter of the micro-ring resonator is 0.97cm, the power coupling coefficient is tuned to κ₁=0.90，κ₂=0.85，κ₃=0.90, and the additional phase shift is ，， respectively.

KEY WORDS：micro-ring resonator，Si3N4 waveguide，continuously tunable time-delay

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.3论文的主要内容 3

第二章 微环谐振腔传递函数的推导 4

2.1微环谐振腔的数学模型 4

2.1.1波导反馈回路的传递函数 4

2.1.2 光学耦合器的传输矩阵 5

2.1.3微环谐振腔的传递函数 8

2.2 微环谐振腔的延时特性 9

2.2.1相位与群延时关系 9

2.2.2调谐范围 12

2.2.3带宽-延迟关系 13

2.2.4往返长度-延时特性关系 14

2.2.5功率传输与损耗 15

2.2.6微环谐振腔的级联 18

第三章 波导设计 20

3.1光波导材料 20

3.2光波导的结构与尺寸 20

3.3 弯曲半径设计 23

3.4耦合间距与耦合长度 24

第四章 延时线结构设计 25

4.1跑道型微环谐振腔结构 25

4.2微环谐振腔的主要参数 26

4.2.1谐振波长 27

4.2.2 FSR 27

4.2.3消光比 27

4.2.4半高全宽（FWHW） 27

4.2.5品质因子Q 28

4.3跑道型微环谐振腔的延时计算 28

4.4优化方案 30

4.4.1马赫-曾德尔干涉仪滤波器简介 30

4.4.2马赫-曾德尔干涉仪耦合的谐振腔结构 31

第五章 结论与展望 32

参考文献 33

致 谢 35

第一章 绪论

1.1研究背景

光相控阵天线中，集成的可调光延迟线是光波束形成网络的关键元件。在微波波束形成中，波束控制是通过移相器或延时电路进行相位调整来实现的。微波移相器对于不同频率的信号产生的移相不同，因此仅适用于窄带信号。而基于光学真延时的波束形成网对不同频率的信号产生的相位变化相同，因此基于真延时的波束形成网络适用于宽带信号。实现真延时的方法有两种，既可以使用电学方法也可以使用光学方法来实现真延时回路。真延时（TTD）可以避免光束斜视（Beam-Squint），将整个信号频谱控制在相同的角度^[1]。窄带移相器会产生光束斜视^[2]，即对移相器的额定或工作频率以外的频率产生相位误差。光束斜视由等式1.1表示，其中是生成光束的方向，是所需光束方向。

图1.1（a）展示了典型的波束斜视图，可以看出由于移相器的误差，对于9GHz，10GHz和11GHz的射频载波频率，波束会指向不同的方向。而利用真延时电路补偿相位误差，所有频率分量会指向所需的的指向。

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