集成微波光子射頻前端技術(shù)詳解

微波光子射頻前端具有頻率覆蓋范圍大、工作波段和瞬時(shí)帶寬可靈活重構(gòu)、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì),在泛在無(wú)線(xiàn)通信、軟件無(wú)線(xiàn)電、雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。為進(jìn)一步減小系統(tǒng)的尺寸和功耗以滿(mǎn)足實(shí)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(shì)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(xì)、可重構(gòu)的光濾波器設(shè)計(jì)、混合集成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)頻率漂移抑制方案三個(gè)方面重點(diǎn)介紹了作者所在課題組開(kāi)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(dòng)駕駛等新興應(yīng)用領(lǐng)域伴隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,促使泛在無(wú)線(xiàn)通信成為發(fā)展趨勢(shì),并且逐漸呈現(xiàn)出多業(yè)務(wù)融合、多頻段覆蓋的特點(diǎn)。在軍事領(lǐng)域,寬帶雷達(dá)成像、相控陣?yán)走_(dá)、電子對(duì)抗等應(yīng)用的工作頻段不斷擴(kuò)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(shì)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(shí)帶寬和動(dòng)態(tài)范圍,能夠靈活應(yīng)對(duì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)、軍事通信和電子戰(zhàn)等多種任務(wù)。在該背景下,未來(lái)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(chǎng)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(shí)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(mǎn)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(shí)現(xiàn),不同工作波段的覆蓋和切換需要利用開(kāi)關(guān)和多組射頻濾波器,這無(wú)疑進(jìn)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(shí)現(xiàn),導(dǎo)致射頻前端的瞬時(shí)帶寬無(wú)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(dòng)態(tài)范圍等性能也會(huì)隨著頻率覆蓋范圍的擴(kuò)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(hào)和本振信號(hào)通過(guò)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(hào)處理器(光濾波器)對(duì)微波光子信號(hào)的邊帶進(jìn)行處理,再用光探測(cè)器得到混頻后的微波信號(hào)。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(shì),實(shí)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(wèn)題。

圖2微波光子射頻前端典型結(jié)構(gòu)

隨著近年來(lái)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(xiàn)。通過(guò)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(lái),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(diǎn)。2016 年,JoséCapmany 等報(bào)道了首個(gè)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(tái)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)不足80dB·Hz2/3。最嚴(yán)重的問(wèn)題是,片上電磁串?dāng)_的問(wèn)題導(dǎo)致該濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的片上工作。這主要是因?yàn)楸M管InP平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)有源器件和無(wú)源器件的單片集成,但其較大的波導(dǎo)傳輸損耗嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的性能,而這一點(diǎn)恰恰是硅基平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。因此,由于目前尚不能基于單一集成平臺(tái)實(shí)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(kāi)始嘗試?yán)没旌戏庋b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(wú)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)于微波信號(hào)的高精細(xì)處理能力要求光濾波器具有高精細(xì)的濾波帶寬和較強(qiáng)的帶外抑制(矩形濾波)。因此,高精細(xì)、可重構(gòu)的光矩形濾波器是實(shí)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(cè)的效率;同時(shí),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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍則需要提高光電轉(zhuǎn)換的線(xiàn)性度,同時(shí)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(hào)處理頻率漂移對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)性能至關(guān)重要,因?yàn)榧晒鉃V波器和激光器的頻率漂移最終都會(huì)導(dǎo)致微波域的頻率處理發(fā)生顯著波動(dòng)。

因此,本課題組針對(duì)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(xì)、可重構(gòu)的光濾波器設(shè)計(jì)、混合集成系統(tǒng)架構(gòu)、微系統(tǒng)控制三個(gè)方面提出了一些解決方案。本文也從這三個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi),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(lèi)應(yīng)用于微波光子射頻前端的片上高精細(xì)、可重構(gòu)的全波段光域模擬信號(hào)處理單元。第二部分,以光域模擬信號(hào)處理單元為核心,通過(guò)將其與光源、調(diào)制器和探測(cè)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(jì)。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(hào)處理的頻率漂移抑制方案。

01高精細(xì)、可重構(gòu)的光信號(hào)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(shí)現(xiàn)全波段可重構(gòu)的高精細(xì)濾波。因此,在微波光子系統(tǒng)集成化的過(guò)程中,設(shè)計(jì)片上高精細(xì)、可重構(gòu)的全波段光域模擬信號(hào)處理單元是實(shí)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(xì)、可重構(gòu)光濾波器方面的一些代表性工作。基于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)和微環(huán)諧振腔這兩種基礎(chǔ)濾波結(jié)構(gòu),介紹三類(lèi)應(yīng)用于微波光子射頻前端的光濾波器:基于多級(jí)級(jí)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(zhǎng)缺陷微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的無(wú)限沖激響應(yīng)(IIR)型濾波器,以及基于級(jí)聯(lián)微環(huán)輔助馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(RAMZI)結(jié)構(gòu)的 FIR/IIR 混合型濾波器。前兩類(lèi)側(cè)重高精細(xì)濾波,而第三類(lèi)側(cè)重濾波響應(yīng)可重構(gòu)。

1.1 基于多級(jí)級(jí)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(gè)數(shù)以及每一路抽頭的延遲和權(quán)重確定。相對(duì)于IIR 型數(shù)字濾波器來(lái)說(shuō),FIR型具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、通帶內(nèi)具有線(xiàn)性相位的優(yōu)點(diǎn)。光域的 FIR 型濾波器可以通過(guò)將一束光分成多路,對(duì)每一路進(jìn)行不同延時(shí)和衰減再相干疊加的方式實(shí)現(xiàn)。最簡(jiǎn)單的片上 FIR 型濾波器是 MZI結(jié)構(gòu)。然而,對(duì)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(xì)度為2),即窄帶濾波和寬處理帶寬(濾波器對(duì)于雙邊帶調(diào)制信號(hào)的處理帶寬上限為 FSR 的一半)難以同時(shí)實(shí) 現(xiàn)。因 此,本課題組提出了基于多級(jí)級(jí)聯(lián)MZI的結(jié)構(gòu),在保證高精度濾波的同時(shí),擴(kuò)展了處理帶寬,從而有效地驗(yàn)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(jí)級(jí)聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)

圖3為 N 級(jí)級(jí)聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)的原理示意圖,其中第N級(jí)MZI的兩臂臂長(zhǎng)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(jí)MZI兩臂的相位差和損耗差。。當(dāng),當(dāng)?i =π時(shí),令,該傳輸函數(shù)可以簡(jiǎn)化為

并可以用Z 平面上的零極點(diǎn)來(lái)表征。圖4給出了一個(gè)三級(jí)級(jí)聯(lián) MZI結(jié)構(gòu)的零極點(diǎn)分布圖。

圖4三級(jí)級(jí)聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)的零極點(diǎn)圖(綠色為第一級(jí),黃色為第二級(jí),紅色為第三級(jí))

該結(jié)構(gòu)為 FIR型濾波器,因此其Z 平面僅由零點(diǎn)構(gòu)成,一個(gè) N 級(jí)級(jí)聯(lián) MZI的結(jié)構(gòu)共包含2N -1個(gè)零點(diǎn)。根據(jù)零點(diǎn)圖,濾波器的 FSR 僅由第 N 級(jí)MZI的兩臂臂長(zhǎng)差決定,即為c·2N-1/(nL),相比于單級(jí) MZI擴(kuò)大了 2N-1 倍;同時(shí),該結(jié)構(gòu)的 3dB帶寬主要由第一級(jí) MZI決定,約為c/(2nL),因此其精細(xì)度約為2N 。

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

圖5 SOI上三級(jí)級(jí)聯(lián)MZI濾波器照片及測(cè)試結(jié)果

以這個(gè) SOI級(jí)聯(lián) MZI濾波器作為光域信號(hào)處理單元,驗(yàn)證了一個(gè)具有高精細(xì)處理精度的微波光子下變頻鏈路。實(shí)驗(yàn)中鏈路變頻增益大于0dB,無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍約為104.1dB·Hz2/3,同時(shí)具備高精度信號(hào)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(zhǎng)差難以進(jìn)一步提高,因而限制了該級(jí)聯(lián) MZI結(jié)構(gòu)的濾波帶寬。為了進(jìn)一步提高信號(hào)的處理精度,我們?cè)诘蛽p氮化硅波導(dǎo)平臺(tái)上(TriPleXTM ,0.1dB/cm)驗(yàn)證了相同的濾波器結(jié)構(gòu)。如圖 6 所示,其中第一級(jí) MZI的兩臂長(zhǎng)差為 50cm。該結(jié)構(gòu)的3dB帶寬達(dá)到143MHz,FSR擴(kuò)展到1.466GHz,Q 值達(dá)到1.3×106。FSR還可通過(guò)進(jìn)一步增加 MZI階數(shù)或級(jí)聯(lián)信道濾波器來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展。

圖6氮化硅三級(jí)級(jí)聯(lián)MZI濾波器照片及測(cè)試結(jié)果

1.2 基于亞波長(zhǎng)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(shí)具有零點(diǎn)和極點(diǎn)。相較于 FIR 型濾波器,IIR型的設(shè)計(jì)維度更多,實(shí)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(shí)現(xiàn)窄帶濾波的同時(shí)并不需要犧牲其處理帶寬,所以十分適合作為高精細(xì)的窄帶光信號(hào)處理單元。然而,微環(huán)諧振腔的濾波響應(yīng)為洛倫茲線(xiàn)型,其矩形系數(shù)(20dB帶寬與3dB帶寬的比值)約為10,說(shuō)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(xiàn)性相位,即不同頻率處的信號(hào)延時(shí)并不相同,會(huì)造成信號(hào)失真。因此,我們提 出 了 新 型的亞波長(zhǎng)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?qiáng)的矩形光濾波器。

亞波長(zhǎng)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(gè)孔狀缺陷來(lái)引入集總的米氏散射,進(jìn)而實(shí)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(huì)激勵(lì)起腔內(nèi)的逆時(shí)針(CCW)旋轉(zhuǎn)模式。該 CCW 模式經(jīng)過(guò)缺陷區(qū)域后,會(huì)通過(guò)缺陷引入的背向散射激勵(lì)起少量的順時(shí)針(CW)旋轉(zhuǎn)模式。由于微環(huán)腔的相干積累特性,CW 模式會(huì)逐漸增強(qiáng)。因?yàn)?CW 模式和 CCW 模式處于同一微腔結(jié)構(gòu)中,所以?xún)煞N模式天然相位匹配,進(jìn)而發(fā)生模式耦合。模式耦合導(dǎo)致這兩個(gè)本征模式不再簡(jiǎn)并,進(jìn)而導(dǎo)致微腔的頻譜諧振峰分裂。微環(huán)諧振腔也由原來(lái)的行波諧振腔變成了行駐波諧振腔。根據(jù)腔內(nèi)光場(chǎng)的分布,可以將耦合之后的超模分為對(duì)稱(chēng)模和非對(duì)稱(chēng)模。

圖7亞波長(zhǎng)缺陷微環(huán)諧振腔

通過(guò)傳輸矩陣法求出亞波長(zhǎng)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(gè)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(shí),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(xiàn)型顯著增大。因此,如何實(shí)現(xiàn)背向散射系數(shù)的精確控制便十分關(guān)鍵。通過(guò)三維時(shí)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(guò)精確控制孔狀缺陷的半徑來(lái)改變。

圖8亞波長(zhǎng)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(zhǎng)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?cè)?00nm 厚度的氮化硅平臺(tái)上對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。耦合系數(shù)設(shè)計(jì)為0.15,孔狀缺陷半徑設(shè)計(jì)為0.2μm,如圖 9 所示。實(shí)驗(yàn)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(xiàn)型的 10 顯著優(yōu)化到了 3.2。由于該結(jié)構(gòu)僅由一個(gè)諧振腔構(gòu)成,所以與常見(jiàn)的耦合多諧振腔結(jié)構(gòu)相比無(wú)需復(fù)雜的校準(zhǔn)和調(diào)試操作,同時(shí)調(diào)諧也更為簡(jiǎn)便。

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

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

上文探討了利用級(jí)聯(lián) MZI結(jié)構(gòu)和亞波長(zhǎng)缺陷微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微波光子射頻前端中的高精細(xì)濾波,本部分著重探討可重構(gòu)光濾波器的設(shè)計(jì)。目前可重構(gòu)光濾波器設(shè)計(jì)大致分為兩種方案:一種是通過(guò)光開(kāi)關(guān)控制光的路徑進(jìn)而重構(gòu)光路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用同一波導(dǎo)網(wǎng)格可以實(shí)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(hào)處理單元面向模擬信號(hào)處理,對(duì)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(hào)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(jí)聯(lián)構(gòu)成。lattice結(jié)構(gòu)盡管不能像波導(dǎo)網(wǎng)格一樣實(shí)現(xiàn)光路級(jí)別的重構(gòu),但也能通過(guò)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(shí)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(jì)理論,矩形數(shù)字濾波器需要滿(mǎn)足特定的零極點(diǎn)分布。在常見(jiàn)的數(shù)字濾波器中,橢圓濾波器具有最小的過(guò)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(shí),其過(guò)渡帶寬與帶寬的比例可以基本滿(mǎn)足對(duì)于矩形濾波的需要。五階橢圓濾波器的零極點(diǎn)分布如圖10所示,包含五個(gè)零點(diǎn)和五個(gè)極點(diǎn)。因此我們選擇具有豐富零極點(diǎn)自由度的 RAMZI作為基本單元結(jié)構(gòu)來(lái)逼近橢圓濾波器。

圖10 RAMZI單元結(jié)構(gòu)示意圖及測(cè)試結(jié)果

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

RAMZI的零極點(diǎn)分布僅由兩個(gè)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(diǎn)分布逼近五階橢圓數(shù)字濾波器的零極點(diǎn)分布。此 時(shí),兩個(gè)微 環(huán)耦合系數(shù)確定為0.361和0.837,如圖10所示。

三級(jí)級(jí)聯(lián) RAMZI結(jié)構(gòu)如圖11所示。通過(guò)改變前兩級(jí)級(jí)聯(lián)單元的交疊范圍即可以實(shí)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(jìn)一步級(jí)聯(lián)第三級(jí)RAMZI結(jié) 構(gòu)。第三級(jí)RAMZI的 FSR為前兩級(jí)RAMZI的兩倍,則整體結(jié)構(gòu)的 FSR 和處理帶寬也將擴(kuò)大為兩倍。對(duì)于上述結(jié)構(gòu),我們?cè)诘蛽p氮化硅平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其中 RAMZI單元的兩臂臂長(zhǎng)差為5990μm。在實(shí)驗(yàn)中,實(shí)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(jí)級(jí)聯(lián)RAMZI結(jié)構(gòu)示意圖及測(cè)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(gè)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(cè)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(guò)光纖耦合進(jìn)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(gè)獨(dú)立的相位調(diào)制器。其中一路光載波被射頻輸入信號(hào)調(diào)制,而另一路光載波被射頻本振信號(hào)調(diào)制。兩個(gè)調(diào)制器輸出的微波光子調(diào)制信號(hào)通過(guò)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(hào)和本振調(diào)制后產(chǎn)生的一階邊帶分別被一個(gè)光帶通濾波器濾出,耦合之后通過(guò)光纖輸出到平衡探測(cè)器進(jìn)行混頻,混頻后產(chǎn)生的中頻信號(hào)再通過(guò)一個(gè)低噪聲放大器進(jìn)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(guò)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(shí)物圖和原理圖

該微波光子射頻前端模塊作為接收機(jī)能對(duì)4~20GHz的微波信號(hào)進(jìn)行全波段下變頻接收,其中調(diào)制器工作帶寬大于20GHz,瞬時(shí)帶寬約為4GHz。通過(guò)雙音信號(hào)測(cè)試(見(jiàn)圖13),該模塊的鏈路增益約為-10dB,噪聲系數(shù)約為45dB,無(wú)雜散動(dòng)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(wú)光放大的微波光子射頻前端光纖系統(tǒng)相比擬。

近年來(lái),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(xiàn)性度高的優(yōu)點(diǎn),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(jìn)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(shí),光子信號(hào)處理單元也可以在鈮酸鋰平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),以進(jìn)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(lái)可以集成到鈮酸鋰薄膜平臺(tái)。

圖13模塊在不同頻段的雙音信號(hào)測(cè)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(cè)器這兩個(gè)核心器件并沒(méi)有被集成進(jìn)去。為了實(shí)現(xiàn)微波光子射頻前端芯片級(jí)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(cè)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(guò)雙微透鏡的方式耦合在一起。兩個(gè)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(guò)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(gè)芯片作為一個(gè)整體封裝在基板上,并通過(guò)半導(dǎo)體制冷器來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)的整體溫度。除此之外,調(diào)制器和探測(cè)器也通過(guò)高頻電路板和金絲鍵合封裝到高頻管殼內(nèi)。綜上,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)核心光電元件全集成的微波光子接收機(jī)模塊,也是首個(gè)已報(bào)道的芯片級(jí)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(lèi)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(gè)量級(jí)。

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(cè)器的光電探測(cè)帶寬大于20GHz,同時(shí)其響應(yīng)度約為1A/W。由于 SOI芯片上的光信號(hào)處理器帶寬為4.74GHz,微波光子射頻前端的瞬時(shí)帶寬也為4.74GHz。光信號(hào)處理器的調(diào)諧效率約為1.4GHz/mW,熱光響應(yīng)時(shí)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(hào)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí),該模塊的鏈路增益為-52~-58dB,噪聲系數(shù)為60~75dB,無(wú)雜散動(dòng)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(gè)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(cè)相比,單探測(cè)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(jìn)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(jìn)一步降低鏈路中的光損耗。

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

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

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(dòng)態(tài)范圍,會(huì)相應(yīng)提高射頻鏈路的性能。由于光電探測(cè)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(duì)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(mǎn)足系統(tǒng)基本需求;然而它們的線(xiàn)寬約在數(shù)百千赫茲量級(jí),相對(duì)強(qiáng)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(qiáng)度噪聲均有待進(jìn)一步優(yōu)化。

對(duì)于半導(dǎo)體激光器,其噪聲的主要來(lái)源是自發(fā)輻射。一方面,不可避免的自發(fā)輻射光場(chǎng)的隨機(jī)相位會(huì)疊加在激光器產(chǎn)生的相干光場(chǎng)上,進(jìn)而直接惡化頻率噪聲;另一方面,自發(fā)輻射的光場(chǎng)會(huì)同時(shí)影響腔內(nèi)光子密度,進(jìn)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(gè)過(guò)程中,光子密度的波動(dòng)反映為輸出光功率的波動(dòng),可以用 RIN 來(lái)表示。因此,本課題組針對(duì)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(lái)抑制自發(fā)輻射,進(jìn)而減少半導(dǎo)體激光器的頻率和強(qiáng)度噪聲。

如圖17所示,片上外腔反射鏡與上文介紹的亞波長(zhǎng)缺陷微環(huán)諧振腔類(lèi)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(zhǎng)缺陷微環(huán)反射鏡(SHDA-MRR)中,通過(guò)在微環(huán)諧振腔波導(dǎo)上刻蝕出一個(gè)孔狀缺陷,相反旋向的模式被激勵(lì)起來(lái)。兩種旋向的模式通過(guò)相位匹配耦合在一起,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)反射鏡的效果。利用傳輸矩陣法,我們對(duì)SHDA-MRR 的傳輸譜進(jìn)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(shí)大,諧振峰頻率響應(yīng)陡峭這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn),而這兩者都會(huì)增強(qiáng)自注入效應(yīng)對(duì)于噪聲優(yōu)化的效果。一方面,增強(qiáng)的反饋延時(shí)極大地延長(zhǎng)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(qiáng)了頻率鎖定效應(yīng),使光場(chǎng)強(qiáng)度的負(fù)反饋同時(shí)可以促進(jìn)激光器的頻率穩(wěn)定。除此之外,通過(guò)控制缺陷的尺寸,可以準(zhǔn)確設(shè)計(jì)反射鏡的反饋?lái)憫?yīng),來(lái)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(tái)上制造了該亞波長(zhǎng)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(shí)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(dá)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(yàn)證了其對(duì)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(gè)量級(jí),激光器的本征線(xiàn)寬僅為34.2Hz。同時(shí),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(dá)到了14dBm 以上(耦合損耗約2dB),避免了光功率損失過(guò)多造成的鏈路增益降低。

圖18 SHDA-MRR芯片照片及相關(guān)測(cè)試結(jié)果

值得注意的是,由于主動(dòng)引入了強(qiáng)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(shì)外,還體現(xiàn)出了良好的抗反射效果。實(shí)驗(yàn)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(wú)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(jiǎn)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(hào)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(huì)疊加反映到微波光子信號(hào)處理的頻率漂移上。激光器中心波長(zhǎng)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(gè)部分的溫度漂移都可以被長(zhǎng)時(shí)間控制在0.1K 以?xún)?nèi),微波光子信號(hào)處理的頻率漂移仍能高達(dá)百 MHz到 GHz量級(jí)。如此顯著的頻率漂移最終都會(huì)反映到微波域上,這也阻礙了微波光子射頻前端的實(shí)際應(yīng)用。

一個(gè)直觀(guān)的解決方案是分別抑制激光器和光濾波器的頻率漂移。對(duì)于激光器,我們可以利用外部主動(dòng)反饋環(huán)路,將激光器的頻率鎖定在片上的基準(zhǔn)腔上。上文提到的自注入鎖定也相當(dāng)于是用光域的負(fù)反饋原理,把激光器的頻率鎖定在片上的反射鏡上。對(duì)于光濾波器來(lái)說(shuō),一種方案是利用具有負(fù)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(wú)關(guān)的特性。另外,某些特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以實(shí)現(xiàn)溫度無(wú)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(fù)反饋鎖定和負(fù)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(jì)實(shí)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(dú)抑制激光器和光濾波器的頻率漂移,而是通過(guò)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(jí)聯(lián)一個(gè)高Q 微環(huán)諧振腔,作為頻率跟蹤單元來(lái)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(gè)小信號(hào)來(lái)調(diào)制其中心頻率,那么光載波經(jīng)過(guò)該頻率跟蹤單元后的光功率也會(huì)被調(diào)制。

探測(cè)到的光電流信號(hào)與本振信號(hào)被送入鎖相放大器中進(jìn)行檢波,則可以得到一個(gè)誤差信號(hào)?；谠撜`差信號(hào)和 PID 反饋控制環(huán)路即可以使頻率跟蹤單元時(shí)刻監(jiān)控光載波的頻率漂移,同時(shí)將施加在頻率跟蹤單元上的實(shí)時(shí)調(diào)諧量加載到光濾波單元上。由于這個(gè)實(shí)時(shí)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(shí)對(duì)光濾波單元和光載波的頻漂進(jìn)行了補(bǔ)償,即實(shí)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(gè)方面:

第一,主動(dòng)施加的實(shí)時(shí)調(diào)諧量補(bǔ)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(guò)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(shí)驗(yàn)中,我們?cè)谒姆N不同的條件下,觀(guān)測(cè)微波光子信號(hào)處理的中心頻率在一個(gè)小時(shí)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(shí)打開(kāi)時(shí),微波光子信 號(hào)處理的頻率漂移被控制在74MHz以?xún)?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(lèi)似地,當(dāng)溫度控制模塊不工作時(shí),差分抑制架構(gòu)仍能很好地抑制頻漂。這不僅說(shuō)明了所提出差分架構(gòu)的有效性,同時(shí)也說(shuō)明該架構(gòu)能減小對(duì)于溫度控制的依賴(lài)。該頻率漂移抑制方案不僅與上文提到的光信號(hào)處理器設(shè)計(jì)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(shí)作為載波抑制濾波器,以減小殘留光載波進(jìn)入光電探測(cè)器額外引入的噪聲。

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

04未來(lái)展望

目前雖然有多種比較成熟的光子集成平臺(tái),但受限于各平臺(tái)不同的物理性質(zhì)和加工工藝,沒(méi)有單一光子集成平臺(tái)的光電器件能完全滿(mǎn)足集成微波光子射頻前端對(duì)于系統(tǒng)性能的要求。Ⅲ-Ⅴ平臺(tái)的激光器和探測(cè)器的性能十分優(yōu)異,然而其無(wú)源波導(dǎo)損耗較大;鈮酸鋰薄膜平臺(tái)的調(diào)制器在帶寬、調(diào)制效率和線(xiàn)性度等指標(biāo)上有顯著優(yōu)勢(shì),氮化硅平臺(tái)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(wú)源器件;SOI平臺(tái)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(tái)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(gè)集成平臺(tái)不同的優(yōu)勢(shì),將不同芯片平臺(tái)上的單元器件通過(guò)混合集成的形式構(gòu)成一個(gè)微系統(tǒng)。其中,激光器和探測(cè)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(hào)處理單元?jiǎng)t基于低損氮化硅芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同的集成平臺(tái)通過(guò)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(tái)混合集成的系統(tǒng)架構(gòu)有望在未來(lái)進(jìn)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(lái)源：半導(dǎo)體光電

審核編輯：湯梓紅