微波光子射頻前端具有頻率覆蓋范圍大、工作波段和瞬時帶寬可靈活重構(gòu)、抗電磁干擾等優(yōu)勢,在泛在無線通信、軟件無線電、雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。為進一步減小系統(tǒng)的尺寸和功耗以滿足實際應(yīng)用的需求,構(gòu)建基于光子集成芯片技術(shù)的微波光子射頻前端微系統(tǒng)勢在必行。文章分析了集成微波光子射頻前端微系統(tǒng)目前在器件層面和系統(tǒng)集成層面面臨的挑戰(zhàn),并從高精細、可重構(gòu)的光濾波器設(shè)計、混合集成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)頻率漂移抑制方案三個方面重點介紹了作者所在課題組開展的關(guān)于混合集成可重構(gòu)微波光子射頻前端的研究現(xiàn)狀。

物聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛等新興應(yīng)用領(lǐng)域伴隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,促使泛在無線通信成為發(fā)展趨勢,并且逐漸呈現(xiàn)出多業(yè)務(wù)融合、多頻段覆蓋的特點。在軍事領(lǐng)域,寬帶雷達成像、相控陣雷達、電子對抗等應(yīng)用的工作頻段不斷擴展,逐漸延伸向毫米波波段,使得發(fā)展“綜合射頻一體化系統(tǒng)”勢在必行?！熬C合射頻一體化系統(tǒng)”要求各子系統(tǒng)共用一套硬件資源,系統(tǒng)需要能兼容不同任務(wù)的工作頻段、瞬時帶寬和動態(tài)范圍,能夠靈活應(yīng)對雷達監(jiān)測、軍事通信和電子戰(zhàn)等多種任務(wù)。在該背景下,未來綜合射頻前端必須能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境下兼容不同應(yīng)用場景的技術(shù)需求,即要求其工作頻段覆蓋范圍大且可靈活切換、瞬時帶寬可重構(gòu)、抗電磁干擾等;同還具有較小的尺寸、較低的重量和功耗(SWaP)。

傳統(tǒng)的微波射頻前端典型架構(gòu)如圖1所示,其在滿足上述技術(shù)要求上面臨著諸多挑戰(zhàn)。一方面,射頻濾波器工作頻段的全波段調(diào)諧難以實現(xiàn),不同工作波段的覆蓋和切換需要利用開關(guān)和多組射頻濾波器,這無疑進一步增加了前端系統(tǒng)的SWaP;另一方面,帶 寬能大范圍重構(gòu)的射頻濾波器難以實現(xiàn),導(dǎo)致射頻前端的瞬時帶寬無法兼容不同任務(wù);除此之外,傳統(tǒng)射頻前端的電磁兼容和動態(tài)范圍等性能也會隨著頻率覆蓋范圍的擴大而惡化。

圖1傳統(tǒng)射頻前端典型架構(gòu)

一種克服傳統(tǒng)射頻前端性能瓶頸的方案是微波光子射頻前端,其典型架構(gòu)如圖2所示。待處理的寬帶微波信號和本振信號通過光電調(diào)制器被上變頻到光域,利用中心頻率和帶寬可重構(gòu)的光子信號處理器(光濾波器)對微波光子信號的邊帶進行處理,再用光探測器得到混頻后的微波信號。與傳統(tǒng)射頻前端相比,微波光子射頻前端利用光濾波器中心頻率易調(diào)諧和帶寬可靈活重構(gòu)的優(yōu)勢,實現(xiàn)了寬帶可重構(gòu)的微波光子射頻前端系統(tǒng)。然而,目前基于分立器件的微波光子射頻前端系統(tǒng)仍然存在SWaP大、成本高、可重構(gòu)能力不足等問題。

圖2微波光子射頻前端典型結(jié)構(gòu)

隨著近年來光子集成技術(shù)的快速發(fā)展,將核心光電器件集成到光芯片上構(gòu)成片上微波光子微系統(tǒng)被視為可行的技術(shù)路線。通過將微波光子射頻前端系統(tǒng)的各單元器件集成到芯片上,則有望大大改善系統(tǒng)的SWaP和可重構(gòu)性能。近年來,基于光子芯片的集成微波光子系統(tǒng)一直都是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點。2016 年,JoséCapmany 等報道了首個單片全集成的微波光子濾波器,其光電元件都集成在InP平臺上。然而,其調(diào)制器本征帶寬只有15GHz,濾波器損耗較大且不可重構(gòu),系統(tǒng)無雜散動態(tài)范圍(SFDR)不足80dB·Hz2/3。最嚴重的問題是,片上電磁串?dāng)_的問題導(dǎo)致該濾波器無法實現(xiàn)完全的片上工作。這主要是因為盡管InP平臺可以實現(xiàn)有源器件和無源器件的單片集成,但其較大的波導(dǎo)傳輸損耗嚴重限制了系統(tǒng)的性能,而這一點恰恰是硅基平臺的優(yōu)勢。因此,由于目前尚不能基于單一集成平臺實現(xiàn)核心光電元件的高性能集成,混合集成和異質(zhì)集成的微波光子系統(tǒng)就成為一種折中的選擇方案。盡管在工業(yè)屆有研究人員開始嘗試利用混合封裝的思想構(gòu)建微波光子微系統(tǒng),但是目前的研究仍多是基于體器件,如鈮酸鋰晶體調(diào)制器、光纖濾波器和光纖環(huán)形器等,導(dǎo)致其SWaP仍無法與片上微系統(tǒng)相比并且可重構(gòu)能力不足。

構(gòu)建基于混合集成的片上微系統(tǒng)是實現(xiàn)低SWaP可重構(gòu)微波光子射頻前端的有效途徑,但目前仍在一些關(guān)鍵技術(shù)上面臨挑戰(zhàn)。我們從系統(tǒng)層面和器件層面分析了實現(xiàn)混合集成可重構(gòu)微波光子射頻前端面臨的主要挑戰(zhàn)。首先,前端的寬頻段覆蓋范圍和瞬時帶寬的可重構(gòu)要求光濾波器具有全波段可調(diào)諧和可重構(gòu)能力;前端對于微波信號的高精細處理能力要求光濾波器具有高精細的濾波帶寬和較強的帶外抑制(矩形濾波)。因此,高精細、可重構(gòu)的光矩形濾波器是實現(xiàn)集成微波光子射頻前端的核心功能元件。其次,為了提高前端系統(tǒng)的鏈路增益,需要提高電光調(diào)制和光電探測的效率;同時,構(gòu)建用于混合集成系統(tǒng)的大功率光源模塊和降低混合集成系統(tǒng)的鏈路光損耗也很重要;提高前端系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍則需要提高光電轉(zhuǎn)換的線性度,同時降低系統(tǒng)的光源噪聲;最后,抑制前端系統(tǒng)中的微波光子信號處理頻率漂移對穩(wěn)定系統(tǒng)性能至關(guān)重要,因為集成光濾波器和激光器的頻率漂移最終都會導(dǎo)致微波域的頻率處理發(fā)生顯著波動。

因此,本課題組針對上文混合集成可重構(gòu)微波光子射頻前端面臨的主要挑戰(zhàn),在高精細、可重構(gòu)的光濾波器設(shè)計、混合集成系統(tǒng)架構(gòu)、微系統(tǒng)控制三個方面提出了一些解決方案。本文也從這三個方面進行展開,綜述了本課題組關(guān)于混合集成可重構(gòu)微波光子射頻前端的相關(guān)研究成果。第一部分,介紹了三類應(yīng)用于微波光子射頻前端的片上高精細、可重構(gòu)的全波段光域模擬信號處理單元。第二部分,以光域模擬信號處理單元為核心,通過將其與光源、調(diào)制器和探測器等模塊混合集成構(gòu)成微波光子微系統(tǒng)。在這一部分,介紹了兩種不同的混合集成架構(gòu)并提出了混合集成的低噪聲、大功率、抗反射光源設(shè)計。第三部分,介紹了基于差分架構(gòu)的微波光子射頻前端信號處理的頻率漂移抑制方案。

01高精細、可重構(gòu)的光信號處理

現(xiàn)有基于光纖或介質(zhì)多層膜的體光濾波器往往難以實現(xiàn)全波段可重構(gòu)的高精細濾波。因此,在微波光子系統(tǒng)集成化的過程中,設(shè)計片上高精細、可重構(gòu)的全波段光域模擬信號處理單元是實現(xiàn)高性能集成微波光子射頻前端的關(guān)鍵。這里我們總結(jié)了本課題組在集成高精細、可重構(gòu)光濾波器方面的一些代表性工作?；隈R赫-曾德爾干涉儀(MZI)和微環(huán)諧振腔這兩種基礎(chǔ)濾波結(jié)構(gòu),介紹三類應(yīng)用于微波光子射頻前端的光濾波器:基于多級級聯(lián) MZI結(jié)構(gòu)的有限沖激響應(yīng)(FIR)型濾波器、基于亞波長缺陷微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的無限沖激響應(yīng)(IIR)型濾波器,以及基于級聯(lián)微環(huán)輔助馬赫-曾德爾干涉儀(RAMZI)結(jié)構(gòu)的 FIR/IIR 混合型濾波器。前兩類側(cè)重高精細濾波,而第三類側(cè)重濾波響應(yīng)可重構(gòu)。

1.1 基于多級級聯(lián) MZI結(jié)構(gòu)的FIR型濾波器

FIR型數(shù)字濾波器的濾波特性由抽頭的個數(shù)以及每一路抽頭的延遲和權(quán)重確定。相對于IIR 型數(shù)字濾波器來說,FIR型具有設(shè)計簡單、通帶內(nèi)具有線性相位的優(yōu)點。光域的 FIR 型濾波器可以通過將一束光分成多路,對每一路進行不同延時和衰減再相干疊加的方式實現(xiàn)。最簡單的片上 FIR 型濾波器是 MZI結(jié)構(gòu)。然而,對于單一的 MZI濾波器,其3dB帶寬為自由譜區(qū)范圍(FSR)的一半(濾波精細度為2),即窄帶濾波和寬處理帶寬(濾波器對于雙邊帶調(diào)制信號的處理帶寬上限為 FSR 的一半)難以同時實 現(xiàn)。因 此,本課題組提出了基于多級級聯(lián)MZI的結(jié)構(gòu),在保證高精度濾波的同時,擴展了處理帶寬,從而有效地驗證了 FIR 濾波器應(yīng)用于微波光子射頻前端的可行性。

圖3多級級聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)

圖3為 N 級級聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)的原理示意圖,其中第N級MZI的兩臂臂長差為基于傳輸矩陣法,該結(jié)構(gòu)的傳輸函數(shù)可以表示為

其中,β 為波導(dǎo)的傳輸常數(shù),?i,γi分別為第i級MZI兩臂的相位差和損耗差。。當(dāng),當(dāng)?i =π時,令,該傳輸函數(shù)可以簡化為

并可以用Z 平面上的零極點來表征。圖4給出了一個三級級聯(lián) MZI結(jié)構(gòu)的零極點分布圖。

圖4三級級聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)的零極點圖(綠色為第一級,黃色為第二級,紅色為第三級)

該結(jié)構(gòu)為 FIR型濾波器,因此其Z 平面僅由零點構(gòu)成,一個 N 級級聯(lián) MZI的結(jié)構(gòu)共包含2N -1個零點。根據(jù)零點圖,濾波器的 FSR 僅由第 N 級MZI的兩臂臂長差決定,即為c·2N-1/(nL),相比于單級 MZI擴大了 2N-1 倍;同時,該結(jié)構(gòu)的 3dB帶寬主要由第一級 MZI決定,約為c/(2nL),因此其精細度約為2N 。

圖5為在法國LETI提供的SOI平臺上加工的三級級聯(lián) MZI結(jié)構(gòu)的濾波器照片及測試結(jié)果。該結(jié)構(gòu)的有效面積為1.4mm×3mm,三級 MZI中的兩臂臂長差依次為2.98,1.49和0.74cm。該三級級聯(lián) MZI濾波器的通帶帶寬為1.536GHz,同時FSR擴展到接近13.5GHz,通帶內(nèi)的相位呈線性。

圖5 SOI上三級級聯(lián)MZI濾波器照片及測試結(jié)果

以這個 SOI級聯(lián) MZI濾波器作為光域信號處理單元,驗證了一個具有高精細處理精度的微波光子下變頻鏈路。實驗中鏈路變頻增益大于0dB,無雜散動態(tài)范圍約為104.1dB·Hz2/3,同時具備高精度信號處理能力。受限于SOI波導(dǎo)較大的傳輸損耗(3dB/cm),該結(jié)構(gòu)中 MZI兩臂長差難以進一步提高,因而限制了該級聯(lián) MZI結(jié)構(gòu)的濾波帶寬。為了進一步提高信號的處理精度,我們在低損氮化硅波導(dǎo)平臺上(TriPleXTM ,0.1dB/cm)驗證了相同的濾波器結(jié)構(gòu)。如圖 6 所示,其中第一級 MZI的兩臂長差為 50cm。該結(jié)構(gòu)的3dB帶寬達到143MHz,FSR擴展到1.466GHz,Q 值達到1.3×106。FSR還可通過進一步增加 MZI階數(shù)或級聯(lián)信道濾波器來進行擴展。

圖6氮化硅三級級聯(lián)MZI濾波器照片及測試結(jié)果

1.2 基于亞波長缺陷微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的IIR 型濾波器

IIR型數(shù)字濾波器多基于反饋遞歸結(jié)構(gòu),因此同時具有零點和極點。相較于 FIR 型濾波器,IIR型的設(shè)計維度更多,實現(xiàn)相同的濾波性能需要的階數(shù)更低。一種典型的片上IIR濾波器是微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)。相比于 MZI濾波器,IIR 濾波器的帶寬并不直接受限于其 FSR,實現(xiàn)窄帶濾波的同時并不需要犧牲其處理帶寬,所以十分適合作為高精細的窄帶光信號處理單元。然而,微環(huán)諧振腔的濾波響應(yīng)為洛倫茲線型,其矩形系數(shù)(20dB帶寬與3dB帶寬的比值)約為10,說明其帶外抑制并不是很好;并且作為IIR型濾波器,其通帶內(nèi)并不是線性相位,即不同頻率處的信號延時并不相同,會造成信號失真。因此,我們提 出 了 新 型的亞波長缺陷微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu),作為微波光子射頻前端中通帶平坦且?guī)庖种茝姷木匦喂鉃V波器。

亞波長缺陷微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)如圖7所示,在微環(huán)諧振腔的波導(dǎo)上刻蝕出一個孔狀缺陷來引入集總的米氏散射,進而實現(xiàn)受控的諧振峰分裂和頻響調(diào)控。當(dāng)光從Input端口輸入后,會激勵起腔內(nèi)的逆時針(CCW)旋轉(zhuǎn)模式。該 CCW 模式經(jīng)過缺陷區(qū)域后,會通過缺陷引入的背向散射激勵起少量的順時針(CW)旋轉(zhuǎn)模式。由于微環(huán)腔的相干積累特性,CW 模式會逐漸增強。因為 CW 模式和 CCW 模式處于同一微腔結(jié)構(gòu)中,所以兩種模式天然相位匹配,進而發(fā)生模式耦合。模式耦合導(dǎo)致這兩個本征模式不再簡并,進而導(dǎo)致微腔的頻譜諧振峰分裂。微環(huán)諧振腔也由原來的行波諧振腔變成了行駐波諧振腔。根據(jù)腔內(nèi)光場的分布,可以將耦合之后的超模分為對稱模和非對稱模。

圖7亞波長缺陷微環(huán)諧振腔

通過傳輸矩陣法求出亞波長缺陷微環(huán)諧振腔的傳輸函數(shù),其傳輸響應(yīng)的數(shù)值仿真結(jié)果如圖8所示。兩個模式的諧振峰分裂隨著背向散射系數(shù)的增大而逐漸增大。當(dāng)背向散射系數(shù)約為微環(huán)耦合系數(shù)的平方時,該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出良好的矩形濾波響應(yīng),且消光比相比洛倫茲線型顯著增大。因此,如何實現(xiàn)背向散射系數(shù)的精確控制便十分關(guān)鍵。通過三維時域有限差分法(FDTD)建模仿真分析發(fā)現(xiàn),背向散射系數(shù)可以通過精確控制孔狀缺陷的半徑來改變。

圖8亞波長缺陷微環(huán)諧振腔的傳輸響應(yīng)數(shù)值仿真結(jié)果。(a)不同背向散射系數(shù)下亞波長缺陷微環(huán)諧振腔傳輸譜響應(yīng);(b)不同半徑的孔狀缺陷引入的背向散射系數(shù)和散射損耗

我們在200nm 厚度的氮化硅平臺上對該結(jié)構(gòu)進行了實驗驗證。耦合系數(shù)設(shè)計為0.15,孔狀缺陷半徑設(shè)計為0.2μm,如圖 9 所示。實驗中得到了3dB帶寬為2GHz的通帶平坦的矩形濾波器,它的矩形系數(shù)從洛倫茲線型的 10 顯著優(yōu)化到了 3.2。由于該結(jié)構(gòu)僅由一個諧振腔構(gòu)成,所以與常見的耦合多諧振腔結(jié)構(gòu)相比無需復(fù)雜的校準和調(diào)試操作,同時調(diào)諧也更為簡便。

圖9氮化硅亞波長缺陷微環(huán)諧振腔的版圖和實物圖及傳輸響應(yīng)測試結(jié)果

1.3 基于級聯(lián) RAMZI結(jié)構(gòu)的 FIR/IIR 混合型濾波器

上文探討了利用級聯(lián) MZI結(jié)構(gòu)和亞波長缺陷微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微波光子射頻前端中的高精細濾波,本部分著重探討可重構(gòu)光濾波器的設(shè)計。目前可重構(gòu)光濾波器設(shè)計大致分為兩種方案:一種是通過光開關(guān)控制光的路徑進而重構(gòu)光路的拓撲結(jié)構(gòu),利用同一波導(dǎo)網(wǎng)格可以實現(xiàn) MZI、微環(huán)等不同功能。然而,微波光子射頻前端中的光信號處理單元面向模擬信號處理,對于濾波器的幅相處理特性有精確的要求,因而該結(jié)構(gòu)目前并不適合作為前端中的模擬信號處理單元。另一種典型的方案則是lattice結(jié)構(gòu),其使用更為復(fù)雜的單元結(jié)構(gòu)(MZI、微環(huán)、光柵)級聯(lián)構(gòu)成。lattice結(jié)構(gòu)盡管不能像波導(dǎo)網(wǎng)格一樣實現(xiàn)光路級別的重構(gòu),但也能通過改變單元結(jié)構(gòu)之間的頻率響應(yīng)交并關(guān)系,在保持原有濾波響應(yīng)的基礎(chǔ)上改變其濾波帶寬、中心頻率等特性,因而我們提出基于lattice結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微波光子射頻前端中的可重構(gòu)矩形光濾波器。

借鑒數(shù)字濾波器設(shè)計理論,矩形數(shù)字濾波器需要滿足特定的零極點分布。在常見的數(shù)字濾波器中,橢圓濾波器具有最小的過渡帶寬,在相同階數(shù)下具有更好的矩形系數(shù)。當(dāng)橢圓濾波器階數(shù)為五階時,其過渡帶寬與帶寬的比例可以基本滿足對于矩形濾波的需要。五階橢圓濾波器的零極點分布如圖10所示,包含五個零點和五個極點。因此我們選擇具有豐富零極點自由度的 RAMZI作為基本單元結(jié)構(gòu)來逼近橢圓濾波器。

圖10 RAMZI單元結(jié)構(gòu)示意圖及測試結(jié)果

對于如圖10所示的 RAMZI結(jié)構(gòu),當(dāng)微環(huán)的周長為 MZI臂長差的兩倍時,其可以抽象為一個五階數(shù)字濾波器,其傳輸函數(shù)如下:

RAMZI的零極點分布僅由兩個微環(huán)的耦合系數(shù)(r1,r2)所決定。我們采用最小二乘法使 RAMZI的零極點分布逼近五階橢圓數(shù)字濾波器的零極點分布。此 時,兩個微 環(huán)耦合系數(shù)確定為0.361和0.837,如圖10所示。

三級級聯(lián) RAMZI結(jié)構(gòu)如圖11所示。通過改變前兩級級聯(lián)單元的交疊范圍即可以實現(xiàn)帶寬的重構(gòu),其3dB帶寬可以在0.049FSR到0.488FSR之間任意連續(xù)調(diào)諧。在此基礎(chǔ)上,進一步級聯(lián)第三級RAMZI結(jié) 構(gòu)。第三級RAMZI的 FSR為前兩級RAMZI的兩倍,則整體結(jié)構(gòu)的 FSR 和處理帶寬也將擴大為兩倍。對于上述結(jié)構(gòu),我們在低損氮化硅平臺上進行了實驗驗證,其中 RAMZI單元的兩臂臂長差為5990μm。在實驗中,實現(xiàn)了3dB帶寬在4.1~14.1GHz連續(xù)重構(gòu)的矩形光濾波器,且該結(jié)構(gòu)的片上損耗低于4dB。

圖11三級級聯(lián)RAMZI結(jié)構(gòu)示意圖及測試結(jié)果

02基于混合集成的微波光子射頻前端微系統(tǒng)

2.1 基于鈮酸鋰調(diào)制器芯片和氮化硅芯片混合集

成的微波光子射頻前端圖12展示了鈮酸鋰芯片和氮化硅芯片混合集成的微波光子射頻前端模塊。整個前端系統(tǒng)由外接的體光源、鈮酸鋰雙平行相位調(diào)制器芯片、氮化硅濾波器芯片以及平衡探測器和后續(xù)的低噪聲放大器組成。首先,低噪聲大功率(20dBm)的光載波通過光纖耦合進入鈮酸鋰調(diào)制器芯片后被等分成兩份,分別送入位于同一塊鈮酸鋰芯片上的兩個獨立的相位調(diào)制器。其中一路光載波被射頻輸入信號調(diào)制,而另一路光載波被射頻本振信號調(diào)制。兩個調(diào)制器輸出的微波光子調(diào)制信號通過芯片邊沿耦合的方式送入氮化硅芯片。其中每一路光載波被信號和本振調(diào)制后產(chǎn)生的一階邊帶分別被一個光帶通濾波器濾出,耦合之后通過光纖輸出到平衡探測器進行混頻,混頻后產(chǎn)生的中頻信號再通過一個低噪聲放大器進行放大。 鈮酸鋰芯片上集成了雙平行相位調(diào)制器,而氮化硅芯片上集成了邊沿耦合器、光濾波器和耦合器等結(jié)構(gòu)。鈮酸鋰芯片和氮化硅芯片通過波導(dǎo)端面直接耦合集成在一起。得益于氮化硅芯片上的邊沿耦合器,其耦合損耗只有約2dB。封裝好的模塊體積為18cm3。

圖12鈮酸鋰芯片和氮化硅芯片混合集成的微波光子射頻前端的實物圖和原理圖

該微波光子射頻前端模塊作為接收機能對4~20GHz的微波信號進行全波段下變頻接收,其中調(diào)制器工作帶寬大于20GHz,瞬時帶寬約為4GHz。通過雙音信號測試(見圖13),該模塊的鏈路增益約為-10dB,噪聲系數(shù)約為45dB,無雜散動態(tài)范圍大于100dB·Hz2/3。鑒于該模塊中芯片之間引入的耦合損耗很低,其鏈路指標(biāo)可以與無光放大的微波光子射頻前端光纖系統(tǒng)相比擬。

近年來,鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。相比于鈮酸鋰晶體調(diào)制器,鈮酸鋰薄膜調(diào)制器不僅保持了調(diào)制線性度高的優(yōu)點,而且結(jié)構(gòu)緊湊、帶寬充裕、光電轉(zhuǎn)化效率高。目前有研究表明,隨著波導(dǎo)刻蝕工藝的進步,鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的損耗有望大幅降低,甚至接近氮化硅波導(dǎo)水平。屆時,光子信號處理單元也可以在鈮酸鋰平臺上實現(xiàn),以進一步減小混合集成系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此,該混合集成微波光子射頻前端架構(gòu)中的調(diào)制器未來可以集成到鈮酸鋰薄膜平臺。

圖13模塊在不同頻段的雙音信號測試結(jié)果

2.2 基于InP激光器芯片和SOI芯片混合集成的微波光子射頻前端

在上文鈮酸鋰調(diào)制器芯片和氮化硅芯片混合集成的方案中,鈮酸鋰晶體調(diào)制器尺寸較大,限制了模塊的整體體積,而且光源和探測器這兩個核心器件并沒有被集成進去。為了實現(xiàn)微波光子射頻前端芯片級的全集成,本課題組與上海交通大學(xué)和北京大學(xué)等單位合作又提出了InP 激光器芯片和 SOI芯片混合集成的方案。其中高速相位調(diào)制器、光濾波器、高速探測器和邊緣耦合器等器件被單片集成在SOI芯片上,而光源 部分采用商用的大功率(17dBm)分布反饋式 (DFB)半導(dǎo)體激光器芯片。

DFB激光器芯片和 SOI芯片通過雙微透鏡的方式耦合在一起。兩個微透鏡之間插入微型保偏隔離器,以隔絕后端 SOI芯片內(nèi)部引入的微弱反射,保證激光器正常工作。通過優(yōu)化耦合結(jié)構(gòu),DFB激光器芯片和SOI芯片的耦合損耗為3.5dB,其中1dB的損耗由隔離器引入。兩個芯片作為一個整體封裝在基板上,并通過半導(dǎo)體制冷器來穩(wěn)定系統(tǒng)的整體溫度。除此之外,調(diào)制器和探測器也通過高頻電路板和金絲鍵合封裝到高頻管殼內(nèi)。綜上,實現(xiàn)了一個核心光電元件全集成的微波光子接收機模塊,也是首個已報道的芯片級全集成的微波光子射頻前端模塊。模塊原理示意圖如圖14所示。該模塊的體積僅為 6cm3,僅為目前同類研究產(chǎn)品的 1/30。除此之外,該模塊的工作功率僅為1.2W,相比體器件光纖系統(tǒng)減小了約兩個量級。

圖14基于InP激光器芯片和SOI芯片混合集成的微波光子射頻前端模塊原理示意圖

在封裝好的微波光子射頻前端模塊中,相位調(diào)制器的電光調(diào)制帶寬約為18GHz,其半波電壓約為11V。光電探測器的光電探測帶寬大于20GHz,同時其響應(yīng)度約為1A/W。由于 SOI芯片上的光信號處理器帶寬為4.74GHz,微波光子射頻前端的瞬時帶寬也為4.74GHz。光信號處理器的調(diào)諧效率約為1.4GHz/mW,熱光響應(yīng)時間約為66μs,這兩者分別決定了模塊在工作頻段內(nèi)間的切換功率和速度。

利用雙音信號實驗測試了該模塊的鏈路指標(biāo),如圖15所示。當(dāng)工作在2~18GHz的頻段時,該模塊的鏈路增益為-52~-58dB,噪聲系數(shù)為60~75dB,無雜散動態(tài)范圍(SFDR)介于90~95dB·Hz2/3。與基于鈮酸鋰調(diào)制器芯片和氮化硅芯片混合集成的微波光子射頻前端相比,該模塊的鏈路指標(biāo)存在不同程度的降低。盡管由于在該方案中使用了更少的耦合結(jié)構(gòu),使得整體鏈路的耦合損耗有所降低,但是鏈路增益仍然降低了15dB。其中有三個主要原因:

圖15微波光子射頻前端模塊在2~18GHz工作頻段內(nèi)的鏈路指標(biāo)

首先,與上文的平衡探測相比,單探測器的方案損失了至少6dB的射頻增益;其次,DFB 激光器芯片輸出光功率約為17dBm,相比于上文的體激光器光功率較低;最后,SOI調(diào)制器的損耗較大,造成鏈路增益的降低。因此,為了進一步提高該模塊的性能指標(biāo),可以增大激光器芯片的功率和進一步降低鏈路中的光損耗。

我們還在系統(tǒng)層面驗證了該前端模塊對于寬帶線性調(diào)頻雷達信號的去斜接收功能。搭建了基于光纖延時的雷達目標(biāo)模擬器,即把任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的寬帶雷達信號調(diào)制到光載波上,并分為兩路在光域進行傳播。其中一路直接下變頻到微波域作為本振信號,另外一路經(jīng)過500m 光纖延時后下變頻到微波域模擬雷達回波信號。圖16(a)展示了模擬的雷達回波信號,其帶寬為4GHz,脈沖寬度為100μs,同時保持了良好的線性度。圖16(b)為前端模塊輸出的中頻去斜接收信號。當(dāng)光纖延遲增加2m 之后,中頻信號的頻率增加390kHz,測距精度符合理論預(yù)期。這說明該全集成的微波光子射頻前端模塊具有對寬帶雷達信號進行高精度去斜接收的能力。

圖16基于光纖延時的雷達目標(biāo)模擬器測試結(jié)果。(a)模擬的線性調(diào)頻雷達回波信號;(b)前端模塊輸出的去斜接收中頻信號

2.3 基于混合集成的低噪聲、大功率、抗反射光源模塊

在微波光子射頻前端中,低噪聲的光源意味著更低的噪聲系數(shù)和更大的動態(tài)范圍,會相應(yīng)提高射頻鏈路的性能。由于光電探測器的平方檢波特性,鏈路的射頻損耗和光損耗是平方關(guān)系。因此,光源功率越大,鏈路增益就越高。對于微波光子射頻前端,低噪聲、大功率噪聲的光源非常重要。在集成微波光子射頻前端中,半導(dǎo)體激光器因其易于集成已成為首選。目前商用的半導(dǎo)體激光器功率大概都在50~200mW,已能滿足系統(tǒng)基本需求;然而它們的線寬約在數(shù)百千赫茲量級,相對強度噪聲(RIN)約為-150dBc,距離系統(tǒng)性能目標(biāo)仍存在差距。因此,半導(dǎo)體激光器的頻率噪聲和強度噪聲均有待進一步優(yōu)化。

對于半導(dǎo)體激光器,其噪聲的主要來源是自發(fā)輻射。一方面,不可避免的自發(fā)輻射光場的隨機相位會疊加在激光器產(chǎn)生的相干光場上,進而直接惡化頻率噪聲;另一方面,自發(fā)輻射的光場會同時影響腔內(nèi)光子密度,進而改變腔內(nèi)載流子的密度,導(dǎo)致腔體的折射率發(fā)生改變,引入額外的頻率噪聲。在這個過程中,光子密度的波動反映為輸出光功率的波動,可以用 RIN 來表示。因此,本課題組針對混合集成微波光子射頻前端系統(tǒng),提出利用片上反饋腔引入自注入鎖定效應(yīng)來抑制自發(fā)輻射,進而減少半導(dǎo)體激光器的頻率和強度噪聲。

如圖17所示,片上外腔反射鏡與上文介紹的亞波長缺陷微環(huán)諧振腔類似,不同之處在于此處采用的微環(huán)諧振腔基于單臂耦合的all-pass結(jié)構(gòu)。在亞波長缺陷微環(huán)反射鏡(SHDA-MRR)中,通過在微環(huán)諧振腔波導(dǎo)上刻蝕出一個孔狀缺陷,相反旋向的模式被激勵起來。兩種旋向的模式通過相位匹配耦合在一起,進而實現(xiàn)反射鏡的效果。利用傳輸矩陣法,我們對SHDA-MRR 的傳輸譜進行了仿真。相比于普通的add-drop型微環(huán) 反射鏡構(gòu)型,SHDAMRR具有反饋延時大,諧振峰頻率響應(yīng)陡峭這兩個優(yōu)點,而這兩者都會增強自注入效應(yīng)對于噪聲優(yōu)化的效果。一方面,增強的反饋延時極大地延長了復(fù)合腔的光子壽命;另一方面,更陡峭的頻率響應(yīng)增強了頻率鎖定效應(yīng),使光場強度的負反饋同時可以促進激光器的頻率穩(wěn)定。除此之外,通過控制缺陷的尺寸,可以準確設(shè)計反射鏡的反饋響應(yīng),來使該反饋腔引入的注入鎖定的損耗較小。

圖17 基于SHDA-MRR的混合集成低噪聲光源模塊的結(jié)構(gòu)示意圖及傳輸響應(yīng)仿真結(jié)果

首先在100nm 氮化硅平臺上制造了該亞波長缺陷微環(huán)反射鏡(SHDA-MRR)結(jié)構(gòu),如圖18所示。該反射鏡的3dB帶寬為244MHz,引入的反饋延時約為1.7ns,其頻率響應(yīng)的陡峭度最大在偏離諧振峰6dB處可達5900dB/nm,均約為普通add-drop型微環(huán)反射鏡的兩倍。我們利用該反射鏡驗證了其對于激光器噪聲的優(yōu)化效果。如圖18(c)所示,激光器的頻率噪聲被抑制了三個量級,激光器的本征線寬僅為34.2Hz。同時,其 RIN 也由-150dBc降低至-155dBc以下。除此之外,該反射鏡結(jié)構(gòu)僅僅引入了1dB的片上損耗,片上功率達到了14dBm 以上(耦合損耗約2dB),避免了光功率損失過多造成的鏈路增益降低。

圖18 SHDA-MRR芯片照片及相關(guān)測試結(jié)果

值得注意的是,由于主動引入了強自注入鎖定效應(yīng),該混合集成的光源模塊架構(gòu)除了具有低噪聲的優(yōu)勢外,還體現(xiàn)出了良好的抗反射效果。實驗顯示,當(dāng)后端系統(tǒng)引入的反射比小于-5dB,該光源模塊均能正常工作。利用這種無磁性的光源隔離方案,就不需要在激光器芯片和后端芯片之間插光隔離器,便于構(gòu)建更為緊湊簡潔的混合集成微波光子微系統(tǒng)。

03基于差分架構(gòu)的微波光子射頻前端信號處理的頻率漂移抑制

在集成微波光子射頻前端中,激光器的頻率漂移和光濾波器的頻率漂移最終都會疊加反映到微波光子信號處理的頻率漂移上。激光器中心波長的溫度漂移約為100pm/K,SOI波導(dǎo)和氮化硅波導(dǎo)的溫度漂移分別為60和15pm/K 左右。因此,即便微波光子射頻前端中每個部分的溫度漂移都可以被長時間控制在0.1K 以內(nèi),微波光子信號處理的頻率漂移仍能高達百 MHz到 GHz量級。如此顯著的頻率漂移最終都會反映到微波域上,這也阻礙了微波光子射頻前端的實際應(yīng)用。

一個直觀的解決方案是分別抑制激光器和光濾波器的頻率漂移。對于激光器,我們可以利用外部主動反饋環(huán)路,將激光器的頻率鎖定在片上的基準腔上。上文提到的自注入鎖定也相當(dāng)于是用光域的負反饋原理,把激光器的頻率鎖定在片上的反射鏡上。對于光濾波器來說,一種方案是利用具有負溫度系數(shù)的材料作為波導(dǎo)包層,使得模式的有效折射率呈現(xiàn)出與溫度無關(guān)的特性。另外,某些特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計也可以實現(xiàn)溫度無關(guān)的中心頻率,比如溫度不敏感的 MZI結(jié)構(gòu)。然而,在這些方案中,片上負反饋鎖定和負溫度系數(shù)材料需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

或工藝,而利用結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)溫度不敏感又缺乏通用性。我們提出了一種基于差分架構(gòu)的微波光子頻率漂移抑制方案,如圖19所示。其核心思想是不單獨抑制激光器和光濾波器的頻率漂移,而是通過讓激光器和光濾波器的頻率漂移保持相同,等效把微波域的頻率漂移抵消掉。該方案需要在光濾波單元的旁邊級聯(lián)一個高Q 微環(huán)諧振腔,作為頻率跟蹤單元來監(jiān)控激光器的頻率漂移。首先,在頻率跟蹤單元上施加一個小信號來調(diào)制其中心頻率,那么光載波經(jīng)過該頻率跟蹤單元后的光功率也會被調(diào)制。

探測到的光電流信號與本振信號被送入鎖相放大器中進行檢波,則可以得到一個誤差信號?；谠撜`差信號和 PID 反饋控制環(huán)路即可以使頻率跟蹤單元時刻監(jiān)控光載波的頻率漂移,同時將施加在頻率跟蹤單元上的實時調(diào)諧量加載到光濾波單元上。由于這個實時調(diào)諧量反映了光載波和片上頻率跟蹤單元的頻率漂移差量,所以相當(dāng)于同時對光濾波單元和光載波的頻漂進行了補償,即實現(xiàn)了等效的頻率漂移抑制。在該方案中,差分思想體現(xiàn)在兩個方面:

第一,主動施加的實時調(diào)諧量補償了激光器和光濾波單元之間的頻率漂移差量;第二,由于光濾波單元和頻率跟蹤單元處于同一芯片上,它們的溫度漂移可以通過差分的形式被抵消掉。

圖19基于差分架構(gòu)的微波光子頻率漂移抑制方案

在實驗中,我們在四種不同的條件下,觀測微波光子信號處理的中心頻率在一個小時之內(nèi)的變化。如圖20所示,當(dāng)差分抑制架構(gòu)和溫度控制模塊同時打開時,微波光子信 號處理的頻率漂移被控制在74MHz以內(nèi);而當(dāng)差分抑制反饋環(huán)路關(guān)閉后,頻率漂移則惡化為288MHz。類似地,當(dāng)溫度控制模塊不工作時,差分抑制架構(gòu)仍能很好地抑制頻漂。這不僅說明了所提出差分架構(gòu)的有效性,同時也說明該架構(gòu)能減小對于溫度控制的依賴。該頻率漂移抑制方案不僅與上文提到的光信號處理器設(shè)計和混合集成系統(tǒng)架構(gòu)完全兼容,而且其中的頻率跟蹤單元還可以同時作為載波抑制濾波器,以減小殘留光載波進入光電探測器額外引入的噪聲。

圖20差分反饋控制環(huán)路關(guān)閉及開啟下的微波光子中心頻率漂移

04未來展望

目前雖然有多種比較成熟的光子集成平臺,但受限于各平臺不同的物理性質(zhì)和加工工藝,沒有單一光子集成平臺的光電器件能完全滿足集成微波光子射頻前端對于系統(tǒng)性能的要求。Ⅲ-Ⅴ平臺的激光器和探測器的性能十分優(yōu)異,然而其無源波導(dǎo)損耗較大;鈮酸鋰薄膜平臺的調(diào)制器在帶寬、調(diào)制效率和線性度等指標(biāo)上有顯著優(yōu)勢,氮化硅平臺能夠?qū)崿F(xiàn)極低損耗的波導(dǎo),然而這兩者卻不適合集成無源器件;SOI平臺雖然能夠集成除激光器以外的所有光電元件,但多數(shù)器件的性能仍是乏善可陳。因此,既然單一集成平臺難以構(gòu)建高性能的集成微波光子射頻前端系統(tǒng),我們提出綜合各個集成平臺不同的優(yōu)勢,將不同芯片平臺上的單元器件通過混合集成的形式構(gòu)成一個微系統(tǒng)。其中,激光器和探測器采用Ⅲ-Ⅴ芯片,調(diào)制器集成在鈮酸鋰薄膜芯片上,而光信號處理單元則基于低損氮化硅芯片來實現(xiàn)。不同的集成平臺通過芯片邊沿耦合或微透鏡耦合的方式混合集成在同一基底上。這種基于多芯片平臺混合集成的系統(tǒng)架構(gòu)有望在未來進一步提高微波光子射頻前端的系統(tǒng)性能。

作者：李佳琛,楊四剛,陳宏偉,陳明華 來源：半導(dǎo)體光電

審核編輯：湯梓紅