为了实现光波的波分复用功能并且提高光波的辐射效率, 设计了一种基于双环形谐振腔结构的二维光子晶体波分复用器。首先, 对光子晶体结构参数进行设计, 通过谐振腔和微腔耦合选择不同频率的光波,设计光子晶体滤波器模型; 然后, 根据模式耦合理论确定主干波导与谐振腔之间的最佳耦合条件,设计波分复用器; 最后, 加入散射介质柱并调整两谐振腔之间的相对位置优化波分复用器,提高光波的透射率。实验结果表明: 该复用器结构实现了对1.562 μm、1.544 μm、1.451 μm、1.436 μm、1.366 μm和1.322 μm这6种频率光波的波分复用, 光波最大辐射效率能达到96%, 器件尺寸仅为13.44 μm×16 μm。

衍射效应会导致出射光发散到各个方向。为了减小衍射效应带来的发散效果,并解决出射端波导辐射距离短、辐射效率低的问题,采用二维正方晶格光子晶体构建了一种新型的光子晶体波导出射口结构。首先采用Y型通道结构来提高输出端的透射率;然后采用多支路结构进行耦合,以提高出射光的集束性,从而增大光波的辐射距离;最后进一步优化了出射口的周期数。通过平面波展开法和时域有限差分法进行分析和仿真,仿真结果表明:在辐射距离为110 μm处,辐射光波的发散角度约为3°,辐射效率可达到25%以上;具有Y型缺陷、出射口数目为16,并且出射口周期数为4的正方晶格光子晶体能够实现良好的定向辐射。

光学器件应用于集成光路中尺寸必须足够小，传统耦合分束方式需较长的耦合距离，尺寸不易控制在较小范围内。采用耦合区域增加可变介质柱可以有效减小耦合距离，在完整的光子晶体中引入直波导，并且在直波导的出射端设计成3个波导出射口，其中两侧出射口结构完全相同。利用时域有限差分法分析，结果表明: 通过改变直波导间耦合区域的介质柱大小可实现控制光波功率分配的目的，从而实现了波导传播过程的分光比。

为了解决光子晶体波导出射端光场控制, 同时解决二维三角晶格光子晶体波导出射光辐射困难的问题。利用二维三角晶格光子晶体设计了一种新型光子晶体波导出射口结构。在二维三角晶格光子晶体波导出射端引入两个微腔, 通过光波与微腔发生共振, 形成类似于三个点光源干涉的出射光, 同时进一步提出波导出射端喇叭口干涉出射光定向辐射的设计。通过这种微腔喇叭口设计, 利用时域有限差分法分析结果表明光波实现很好的定向辐射, 并且辐射距离显著提高。

针对行波探测器阵列只能合成输出功率而不能同时提高工作带宽的现状, 基于m推演型滤波电路原理, 提出了一种新的L型阵列探测器, 即通过在光电二极管之间串联电容减少结电容对截止频率的影响, 再与两个电感串联形成单个阵列单元, 然后将单个阵列单元级联构成全新的L型滤波器电路结构。结果表明, L型探测器阵列能够对射频输出信号进行功率合成, 同时工作带宽提高至67 GHz, 相较于传统光电探测器, 工作带宽提高两倍。通过增加级联光电二极管的数量, 可以持续增大输出功率, 同时L型探测器阵列的推演方法可根据实际需求灵活设计出期望的光电探测器, 为未来大带宽、高功率的光电探测器设计提供理论基础。

为解决行波光电探测器阵列在高功率要求下集成过多的光电二极管导致结构变复杂、响应速度下降的问题, 提出了一种基于二极管组的行波光电探测器阵列结构。从功率合成、频率响应和回波损耗等方面对新旧两种结构进行了分析。在应用相同数量二极管的条件下, 改进型行波光电探测器阵列采用更少的电感元件且输出功率不变, 工作带宽不变, 回波损耗有较大改善。研究结果表明, 这种改进型行波光电探测器阵列结构能够更好地满足功率要求。

针对ROF(光载无线通信)基站需要高功率大带宽光电探测器的问题, 提出π型光电探测器阵列功率合成电路。通过将探测器嵌入在用电感互连的人工传输线上, 即按照阵列式结构将单个π型光电探测器电路组合起来构成所需电路, 实现功率合成, 从而得到高功率大带宽的信号。电路首尾支路级联两个二极管来降低等效结电容以达到电路的最佳阻抗匹配。仿真结果表明, π型光电探测器阵列能在保持大带宽的同时对各级光电二极管功率进行有效地合成, 相比于同级的行波探测阵列合成效率更高。

针对行波光电探测器阵列仅提高了光电探测器的输出功率而输出带宽未得到改善的特点, 提出了一种由光电二极管组构成的高性能行波光电探测器阵列新结构.即把两个光电二极管级联后再将两个级联支路并联, 然后在光电二极管组上串联电容构成单个阵列单元, 再按照阵列式结构将这些阵列单元用电感连接起来构成新型行波光电探测器阵列.对比分析了行波光电探测器阵列新旧结构的功率合成、频率响应和回波损耗特性.在应用同等数量二极管的条件下, 新型行波光电探测器阵列输出功率减少了一半, 但工作带宽提高了一倍.此外, 回波损耗随着阵列中应用二极管数目的增加相对于原阵列而言改善得更加明显.研究结果表明, 本文提出的行波光电探测器阵列新结构能够在增加输出功率的同时提高工作带宽, 更好地满足未来光载无线通信对光电探测器高功率宽带宽的需求.

针对行波探测器阵列只合成多个光电二极管的输出功率而不能提高工作带宽的问题,提出了一种多元T型电路结构的阵列探测器.通过在各个光电二极管支路串联电容降低等效电容,减小结电容对探测器截止频率的影响,再用电感连接各个光电二极管支路构成T型滤波器电路结构,在合成多个光电二极管输出功率的同时增加了工作带宽.仿真结果表明,在光电二极管支路串联与光电二极管结电容相等大小的电容时,四元T型阵列探测器相比四元行波探测器阵列输出功率减少了一半,但工作带宽提高了一倍,而相比于传统探测器则在输出功率和工作带宽上都提高了一倍,此外八元T型阵列探测器与四元行波探测器阵列输出功率相同,工作带宽提高了一倍.

针对未来光载无线通信所需的高功率、大带宽的光电探测器, 提出了一种行波光电二极管级联阵列功率合成电路.先将行波光电二极管级联, 再按照阵列式结构将多组级联的光电二极管组合起来, 实现射频功率合成, 以获得高功率、大带宽的射频信号.采用EDA工具, 对该光电转换射频功率合成电路进行仿真模拟.仿真结果表明, 该功率合成电路可以有效地将各光电二极管的射频输出信号进行功率合成, 功率合成后的信号带宽显著增加, 仿真结果与理论分析完全一致.此外, 电路分析表明, 增加该功率合成电路中的高阻微带线的特性阻抗可以有效提高其输出射频信号的带宽.