太赫兹调频连续波成像技术具有高功率、小型化、低成本、三维成像等特点, 在太赫兹无损检测领域受到了广泛关注。然而由于微波及太赫兹器件限制, 太赫兹信号带宽难以做大, 从而制约了成像的距离向分辨力。虽然高载频可实现较大宽带, 但伴随的低穿透性和低功率会限制太赫兹调频连续波成像系统的应用场景。因此, 聚焦于太赫兹波无损检测领域, 提出一种时分频分复用的 114~500 GHz超宽带太赫兹信号的产生方式, 基于多频段共孔径准光设计, 实现超带宽信号的共孔径, 频率可扩展至 1.1 THz。提出一种频段融合算法, 实现了超宽带信号的有效融合, 距离分辨力提升至 460 μm, 通过人工设计的多层复合材料验证了系统及算法的有效性, 并得到封装集成电路(IC)芯片的高分辨三维成像结果。

设计并实现了一种电流型温度传感芯片。分析了测温原理和厄利效应对测温精度的影响, 提出了一种集电极-发射极电压补偿电路, 利用一组电流镜和匹配电阻将输出电流和温度之间的传递函数线性化, 提高了芯片的线性度和测温精度。设计了反向偏置保护电路, 增大芯片可承受的反向电压。芯片采用40 V互补双极工艺设计并流片。测试结果表明, 芯片在-55～150 ℃温度区间内的非线性误差为±02 ℃, 测温精度小于±03 ℃。

提出了一种品质因数(Q)-频率(f)特性与电感值(L)-频率(f)特性增强的新型高线性有源电感, 主要由负跨导器、新型正跨导器、Q值增强调制模块、反馈电阻、两级电平转换电路和负跨导器分流支路组成。通过多个电路单元间的协同配合和所设置的三个外部偏置端电压的联合调谐, 该有源电感不但具有高Q值, Q值相对于电感值可独立调节, 而且高Q峰值及电感值在不同频率下能够基本保持不变, 同时也有高的线性度。验证结果表明, 在6 GHz下, Q值可在275~4 471之间变化, 调谐率为1768%, 而电感值的变化率仅为15%; 在48 GHz、52 GHz、56 GHz和6 GHz的4个频点下, 分别获得了4 480、4 469、4 473和4 471的高Q峰值, 变化率仅为024%, 且电感值分别为7532 nH、7467 nH、7909 nH、7977 nH, 变化率仅为63%; 电感值的-1 dB压缩点为-13 dBV。

硅基调制器具有体积小、功耗低、易集成等优势，但相较于铌酸锂调制器，线性度通常较差，从而限制了其在光载无线等通信系统中的性能。提出一种增强型最大比例混合接收机（EMRC-Rx），用以补偿硅基调制器对无源光接入网络带来的性能下降缺点。EMRC-Rx综合利用直接检测机（DD-Rx）和轻相干检测机（Lite CO-Rx）的优势，借助两种接收方式的最大信噪比占比，可以显著提升接收机的灵敏度，进而解决硅基调制器低线性度导致的系统性能下降问题。实验结果表明，当误码率高于KP4-FEC阈值1.0×10^-4时，相较于DD-Rx和Lite CO-Rx，EMRC-Rx的接收灵敏度分别提升5.5 dB和8.8 dB，误差矢量幅度（EVM）分别提升32.5%和41.1%，系统性能明显得到改善。通过进一步与铌酸锂调制器进行对比发现，相比采用铌酸锂调制器的Lite CO-Rx和DD-Rx，基于硅基调制器的EMRC-Rx的接收灵敏度分别提升3.5 dB和7.9 dB，且可取得与铌酸锂调制器中MRC-Rx接近的系统性能，验证了EMRC-Rx对硅基调制器低线性度带入的性能劣化的补偿效果。本工作对在5G时代利用硅基调制器构建高可靠、低成本的光子集成接入网具有指导意义。

为了提高传感器的灵敏度和线性度，该文提出了改变光纤的表面粗糙度和探针类型。首先通过自主搭建轮式光纤侧面抛磨系统，将光纤的一端镀一层Ag膜作为反射镜面，制备得到表面较粗糙的D型光纤探针。通过检测探针的传感特性发现，被测溶液折射率的变化会引起不同能量的吸收，由此使光功率计接收的光功率发生改变。经测试，制备的D型光纤传感器稳定性及线性度均很好，尤其是抛磨损耗为18 dB的传感器的灵敏度和线性相关系数分别高达66.02 dB/RIU和99.58%。通过对折射率的精度进行测量和计算，得到其精度高达0.000 04。结果表明，该传感结构具有广泛应用于生化传感(如新冠疫情等）及对环境污染程度进行实时监测的潜力。

设计了一种桥式并-串联级联结构的高线性度、超宽带采样/保持电路。该采样/保持电路包括输入缓冲器、辅助开关和SEF开关三个单元。采用桥式并-串联级联结构改进的辅助开关模块单元, 大幅提高了电路的线性度和带宽。该采样保持电路基于0.13 μm SiGe双极型工艺进行设计, -4.75 V和2 V双电源电压供电。仿真结果表明, 在100 fF采样电容、6.25 GHz采样频率、10.28 GHz输入频率的条件下, SFDR为69.60 dB, THD为-65.25 dB, -3 dB带宽达 35.43 GHz。

设计了一种基于电荷重分配式逐次逼近的高能效相位量化模数转换器(PH ADC)。针对传统结构中量化电平线性度差导致转换精度低的问题, 建立相位映射关系, 并采用线性回归曲线技术, 提升了比较电平线性度。同时, 比较电平数量缩减为传统结构的一半, 降低了电路的电容阵列面积、功耗和复杂度。进一步地, 引入低功耗的单调开关切换方式和共模电压提升电路, 将被加权的比较电平提高至电源电压, 避免了设计额外的参考电平产生电路。基于55 nm CMOS工艺的电路仿真结果表明, 在全工艺角条件下, 有效位数达5.6位以上, FOM值达24.38 fJ/conv。

高功率电脉冲装置常使用电容分压器来监测其电压值。电容分压器的幅度线性度表征了分压器在大电压与小电压下分压比的一致程度，线性度的好坏直接关系到监测的电压值的准确程度。本文通过对介质基板电容分压器进行原理分析，并通过仿真软件在脉宽为200 ns 的矩形脉冲高压源(500 V~4 kV)与半高宽约为10 μs 的冲击高压源(10~100 kV)下分别对介质基板电容分压器的性能进行仿真，并设计加工。之后分别采用两种高压源对分压器进行实验研究，结果显示，介质基板电容分压器的幅度线性度在500 V~100 kV 之内为1.16%，线性度较好，可以将小信号下校准的分压比用于大信号的测量中。

为了提高生物参量检测的灵敏度和避免电磁干扰, 提出一种基于表面等离子共振的光子晶体光纤传感器应用于癌胚抗原(CEA)溶液的检测。该传感器采用不同直径空气孔进行三层排列的结构, 将金薄膜作为金属层镀在纤芯表面, 并在金薄膜和待测CEA溶液间增加一层基于核酸适配子的特异性适配层, 采用全矢量有限元法对该传感器进行数值模拟与仿真。仿真结果表明: 在折射率1.33~1.41范围内, 该传感器具有明显的表面等离子体共振效应, 灵敏度可达10000 nm/RIU,线性度为0.94919。

高线性度电光调制器主要用于解决微波光子系统中电信号到光信号转化时信号非线性失真的问题，微波光子链路的性能会受到电光调制器线性度的影响。本文首先分析了调制器产生非线性的原理，然后从电学域和光学域两方面概述了国内外提高调制器线性度的研究进展，并着重介绍了MZM串/并联法与微环辅助法的原理与研究进展，最后概述了薄膜铌酸锂在高线性度调制器上的应用，并对薄膜铌酸锂高线性度调制器的应用前景进行了展望。