集成微波光子学是当前的研究热点,主要研究内容是使用光子集成技术将传统分立光器件构造的微波光子系统集成到光子芯片上。其主要实现的功能包括光域微波、毫米波信号的产生,光域微波光子信号传输、处理以及检测。光子集成技术的使用减小了传统微波光子系统的体积,降低了系统的功耗,提高系统的稳定性与可靠性。目前光子集成材料体系主要有磷化铟（InP）、氮化硅（SiN）和绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator,SOI）。相比于InP和SiN,SOI材料体系具有CMOS兼容、高集成度、支持光电单片集成等优点。因此,硅基微波光子集成技术极具发展潜力硅基集成微波光子芯片的主要包含以下器件:硅基激光器、硅基调制器、硅基延时线和锗硅光电探测器等。其最有代表性的应用之一是基于硅基真延时波束成形网络的相控阵雷达。本文将对硅基集成微波光子系统中最重要的两个调控器件——调制器和延时线,进行系统性的理论和实验研究。根据微波光子链路对大动态范围和高链路增益的需求,研究了硅基调制器的非线性产生机理以及光域线性化方法;研制了低损耗高精度的硅基真延时芯片并针对其特点开发了和低侵入式延时状态监控方法。在此基础上完成了基于硅基真延时线的二维相控阵雷达接收机样机研制,并进行了系统测试。围绕以上研究内容,本文完成的工作和创新点包括:1.针对应用最广泛的硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator,MZM）,本文首先建立了严格的硅基PN结的电光调制模型,使用该模型对常见的并联和串联硅基MZM进行了详细的非线性理论分析。在此基础上,我们系统性的对这两种高线性硅基调制器的综合性能进行了比较。最后,根据理论分析结果,我们设计了高线性硅基载流子耗尽型调制器并在IMEC进行了流片。2.我们对设计的高线性调制器进行了性能测试。对于硅基并联MZM,我们将两个子MZM偏置点设置在极性相反的两个正交点,通过控制两个子MZM的光功率和RF功率分配比,使两个子MZM产生的三阶非线性相互抵消。经过测试,该器件的工作带宽为40 GHz。在RF输入频率为1/10 GHz时,三阶无杂散范围(the 3rd spurs-free-dynamic-range,SFDR)达到了123/120 dB·Hz6/7。该性能为目前硅基调制器光域线性化的最高水平。对于硅基串联MZM,我们仅需要调控两个子MZM的RF功率分配比即可实现光域线性化。该器件工作带宽达到了55 GHz,在RF输入频率为1/10 GHz时,SFDR达到了109.5/100.5 dB·Hz2/3。3.本文建立了微环调制器（micro-ring modulator,MRM）的非线性理论分析模型,系统性地分析了MRM的调制非线性与品质因子Q以及工作波长之间的关系。理论计算结果表明:通过降低MRM的Q值,同时调控光载波波长,可以实现MRM的线性度提升。实验结果表明,在RF输入信号为1/10 GHz时,Q值为11000的硅基MRM的最优线性度仅为98.5/90.6 dB·Hz2/3,相比之下,Q值为5880的MRM的最佳线性度高达104.3/94.7 dB·Hz2/3。该性能达到了目前硅基MRM光域线性化的最高水平。4.本文首次提出并实验验证了硅基并联MZM可以实现RF信号的光域非线性补偿。在10 GHz的调制频率下,当输入RF信号的三阶载波抑制比(the 3rdcarrier to distortion ratio,CDR)为40/50 dB时,通过调制器的光域非线性补偿,解调后RF信号的CDR提升到了45/72 dB。5.根据总体单位对二维相控阵雷达接收机的指标要求,我们设计并制备了基于光开关路径切换结构的4通道7-bit真延时线,其中最长的通道总延时量为676 ps。该延时线使用展宽硅波导作为延时波导,其插损为0.01 dB/10 ps。另外,其开关消光比为50 dB,功耗约为28 m W。为减小监测单元（硅基定向耦合器+锗硅光电探测器）引入光损耗,我们提出了隔级交替设置监测单元与光衰减器的光开关状态监控方法,并设计了针对性的反馈控制算法。6.针对微波光子二维相控阵雷达集成化的趋势,我们使用上述设计的多通道延时线,设计并研制了一种新型二维相控阵雷达接收机。对于规模为N×N的相控阵天线,传统波束成形网络需要N2种硅基延时线。相比之下,本方法引入了光波分复用技术,仅需要N/2种硅基延时线,从而减小了系统成本。基于该方案,我们研制了首台基于硅基集成真延时线的8?8微波光子相控阵雷达接收机样机,并首次实现了从阵列天线到信号处理的全链路验证。经过系统测试,该样机的工作范围为2-6 GHz,瞬时带宽达到了4GHz,灵敏度为-99 dBm,动态范围达到了50 dB。该工作对今后二维硅基集成微波光子相控阵雷达的设计和实现具有重要参考价值。