1、书书书：特别推荐高集成硅基微波光子芯片的研究进展及趋势李嘉恒，余建国，李依桐，王任凡，罗飚（北京邮电大学 电子工程学院，北京；武汉电信器件有限公司 ，武汉）摘要 ：随着微波光子技术的发展 ，在解决传统射频领域无法直接实现的功能方面已经有了很大的成就 ，同时大大促进了光电子通信技术的发展 。然而 ，微波光子技术仍面临着新的挑战 ：现有的光通信系统由分立的光 电 、电 光等元器件构成 ，在不断追求更高速率 、更大带宽和更强处理能力的通信系统的现状下 ，要求器件和系统的尺寸更小 、功耗更低及抗干扰能力更强 。因此 ，通过硅基集成技术和微波光子技术的结合实现微波光子学系统芯片集成化 ，从而降低整个系统
2、的成本 、缩小尺寸 、降低功耗 ，是微波光子学发展的必然趋势 。文章总结了微波光子集成技术和硅基光子器件的发展现状 ，指出可调谐 、可编程的硅基微波光子芯片必将成为军事领域和民用方面发展的关键技术 。关键词 ：微波光子集成 ；硅基光子 ；集成芯片中图分类号 ：文献标志码 ：文章编号 ：（） ， ， ， ， （ ， ， ，； ， ，）： ， ， ， ： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； 引言微波和光波在本质上同属电磁波 ，因其频率及对应的波长不同 ，使得它们在产生原理 、传播介质和处理方式上都有很大的不同 。光波在基于光纤通信系统时具有带宽超大 、损耗低和抗干扰能力强等诸多优点
3、 ，且易于在空间 、偏振和波长上复用 。而微波具有可在任意方向发射 、可重构性强 、易于与移动设备互联等优点 。由于传统的微波系统在高频的发展中遇到了不可突破的 “瓶颈 ”，而基于光纤传播的光波存在不够灵活的问题 ，科学家们希望把微波和光波融合在一起，兼顾两者的优点从而提高通信系统的性能 。因此 ，在世纪年代 ，微波技术和光子技术的融合产物 微波光子学诞生了。它的主要研究内容是如何利用光电子器件和光子技术实现微波信号的产生 、分配传输和处理 。年来 ，基于微波光子技术的光电子器件和通信系统得到了迅速发展 ，在微波光子集成技术方面也取得了丰硕的科研成果 ，但是仍面临着成本高 、系统集成尺寸大 、
4、损耗大和性能不够高等缺陷，无法满足当下更高速 、更大带宽的信息处理和传输的需求 。因此 ，研究高度集成 、可调谐 、可编程的微波光子芯片是解决目前发展 “瓶颈 ”的必然趋势 。在微波光子集成材料方面 ，可以采用不同的材料进行微波光路的集成 ，研究较多的材料有族化合物半导体材料 、聚合物材料 、二氧化硅 、绝缘硅 （ ，）材料 、氮化硅 、陶瓷 、金属 、硫化砷和石墨烯 。其中 ，研究热点集中在族化合物半导体材料和。这两种材料相比 ，族化合物半导体材料具有成本高 、加工技术不收稿日期 ：基金项目 ：国家 “八六三 ”计划资助项目 （）作者简介 ：李嘉恒 （），男 ，山西临汾人 。硕士 ，主要研究
5、方向为通信半导体光电子器件 。年 第 期总第 期光 通 信 研 究 （）成熟的缺点 ，因此很难量产 ；而硅材料的优势在于价格相对低廉且与成熟的互补金属氧化物半导体（ ，）工艺兼容 ，除此之外 ，还具有大折射率差和集成光路非常紧凑的优点 ，相比之下 ，集成密度能够提升几个量级 。因此 ，高度集成的硅基微波光子芯片将是未来通信领域的研究热点 。 微波光子集成技术 微波光子技术在微波光子技术中 ，一个微波光子系统可以看成一个模拟光纤链路传输的问题 ，如图所示 ，微波信号经过调制器被调制到光上传输 ，然后经过探测器探测送到天线发射 。其中 ，光调制和光探测是最为核心的两个功能块 ，光调制器完成微波到光
6、波的转换 ，光探测完成光波到微波的转换 。调制也是电 光转换的过程 ，探测则为其逆过程 ，即光 电转换 ，这两个过程增加了整个系统的损耗 、噪声和非线性失真 ，是影响整个系统性能的最主要因素 。因此也是提高链路增益 、降低链路噪声及降低非线性失真问题的切入点 。激 光器 /光源RF 信号入光纤RF 信号出光 调制器 光 探测器 天 线图 光纤链路传输系统微波光子学的研究可分为微波信号的产生 、分配传输和处理个方面 ，在实际应用中基本上是这方面的配合实现 。微波信号的产生 ：由两个相干光波通过大带宽探测器进行拍频得到 ，其中关键技术是两个光需要相位匹配且强度相近 ，探测器的带宽需要较大 ；微波信
7、号分配传输方面 ，即光载无线系统 （ ，），它的优势在于 ，一方面使用光纤传输代替传统的同轴电缆 ，使得信号在传输过程中的损耗大大降低 ，另一方面信号处理单元和天线单元分离 ，把处理单元放置在较为安全的环境中 ，大大提高了系统的使用时间 ；微波信号处理方面 ：使得基础性的关键功能得以实现 ，例如可重构滤波器 、任意波形的产生 、波束形成、上下变频转换 、瞬时测量和模 数转换 ，这些在高频域是不能直接实现的 。 微波光子集成目前 ，在国际光通信领域中 ，光电子器件与集成控制电路的微波光子集成已经有了丰硕的科研成果 。成果突出且具有国际影响力的有加拿大渥太华大学的姚建平团队，他们最新的科研成果如下
8、 ：如图所示 ，他们将个不同半径的微环谐振器串联并集成于硅基芯片上 ，采用紫外光光刻的兼容技术研制成功了频谱整形器 ，该频谱整形器可用于制作较大调频斜率的线性啁啾微波波形生成器。WaveguideMicro鄄ring resonatorGrating coupler图 频谱整形器视图图所示为硅基芯片上集成了不同数目的微环谐振器的频谱整形器的频谱响应曲线 。由图可以看出 ，相邻的两个峰值间的间距呈线性递增 ，达到了预期的实验效果 。在此研究基础上 ，集成了可重构型光子集成微波生成器 ，用于线性啁啾微波波形生成 ，其时距为，带宽为，如图所示。功率/dBm-40-44-48-52-56-601 56
9、0.0 1 560.4 1 560.8(a) 4 个微环谐振器波长 /nm1 550.01 549.21 548.8(b) 5 个微环谐振器波长 /nm1 549.6功率/dBm-40-44-48-52-56-60图 硅基芯片上集成了不同数目的微环谐振器的频谱整形器的频谱响应光通信研究 年第 期总第 期R1R2R3SOA1SOA5SOA7SOA9SOA2SOA4SOA6SOA8SOA3TC1TC2TCTC3PMTC4PMPM4PM1PM2PM3输入 输出注 :灰线表示波导 ; R1R3表示环形谐振器 ；SOA(Semiconductor Optical Amplifier)为半导体光放大器 ；
10、PM（Phase鄄Modulation）为相位调制器 ；TC（Tunable Coupler）为可调耦合器 。图 可重构型波形生成器他们还在硅基集成芯片上制成了布拉格光栅法布里珀罗 （）滤波器，如图所示 ，实验基于横 向 电 场 （ ，）模 式 。图 （）中 ，为了提高调谐效率 ，采用了一个非对称的外侧结来提升光栅的电子谐振腔 。图（）中 ，在 距 离 中 心处 ，左右两边分别植入和来减小吸收损耗 ；图 （）中 ，为了使器件工作在，光栅周期取为，占空比为，整个光栅长 ；图 （）中 ，两个窗口开于二氧化硅衬底上 。器件采用紫外光光刻的兼容技术制成 。国内方面 ，汉口学院机电工程学院联合华中科技大
11、学研制出了基于标准具实现波长锁定的可调谐激光器的光学系统。（b） 剖面图 （c） F鄄P 腔的俯视图(a) 侧壁布拉格光栅 F鄄P 滤波器（肋形波导的 TE 基模外形模型 ）（d） 原理图图 侧壁布拉格光栅滤波器模型法国泰雷兹和美国贝尔联合实验室基于外差源制作出了电注入锁定一个完全集成的光子集成电路，他们实现了将光电器件集成在光子电路中 ，能稳 定 生 成信 号 。整 个 芯 片 的 大 小 为，显微镜下的集成芯片如图所示 ，在芯片大小方面有了全新的突破 。G1SOA DFB1DFB212 MMI 22 MMI modulatorOpticaloutputUTCUTCSOA SOA SOASO
12、A SOA SOA SOAmodulator图 集成芯片西班牙瓦伦西亚理工大学的团队一直致力于可编程微波光子集成芯片方面的研究 ，在国际上处于最前沿水平。图所示为他们最新研制的通用的可编程的微波光子芯片。RF Input RF OutputArray AntennaRF generator RF receiverAntennaArrayOptical inputRF Interface & CoreOpticalSourceE/OO/EReconfigurableOptical CoreSoftware ControlPhotonic ICOptical output注 ： E/O 为电 /光
13、转换 ； O/E 为光 /电转换 。图 通用的可编程的微波光子芯片目前 ，国际上虽然在硅基微波光子集成方面有了一些成果 ，但基本都是分立的元器件 ，而且只是在实验室得到了证实 ，并没有实现量产和投入使用 。高度集成的芯片也只是刚刚起步 ，还需要大量的科研投入 。 硅基微波光子芯片的发展趋势近年来 ，硅基光子器件已经得到快速发展 ，包括激光器 、探测器 、光栅耦合器 、光波导 、光开关和微环滤波器等光器件的分析设计和制作工艺已经成熟 ，但在系统设计过程中 ，各器件分立构成 ，大大限制了整个通信系统规模的发展 。因此 ，硅基微波光子高李嘉恒 等 ：高集成硅基微波光子芯片的研究进展及趋势度集成于同一
14、芯片将会加快整个通信领域的发展 。硅基微波光子芯片在军事和民用方面具有潜在的巨大价值 。军事方面 ，硅基微波光子芯片可用于相控阵雷达 。相控阵雷达因具有能对付多目标 、抗干扰能力强 、反应速度快和可靠性高等优点而被广泛用于作战系统 。相控阵雷达由成千上万的辐射单元排阵构成 ，实现了多波束的电子扫描 。每组辐射单元由天线 、放大器 、相移器和微波信号组成 。通过相移器控制天线阵列间的相对位移使得发射波发生相干 ，形成精确的波束 。但当波束频率提高至几十甚至上百时 ，传统的相移器很难达到要求 。利用微波光子学研制光学相控阵雷达可以解决这一问题 ，采用光栅 、微环谐振器等光学器件作为相移器 ，通过光
15、学移相器调节光束相位射出的光波产生干涉从而形成高强度的精确波束 。将高集成硅基微波光子芯片应用于相控阵雷达 ，高频率的光波按需搜索 、探测和跟踪不同方向和不同高度的多批目标 ，另一方面大大缩小设备的尺寸和重量 ，从而提高雷达的敏捷性 。目前 ，这方面的研究仍为空白 ，但随着微波光子学和光子器件的发展 ，光学相控阵雷达必将成为军事领域的研究热点 。民用方面 ，随着日益增长的无线终端数量和对大数据量通信的需求 ，以及目前、移动通信的覆盖 ，第五代移动通信需要传输的数据速率 ，所需的频带集中在，传统的微波技术已难以满足需求 ，光纤的传输速率虽然能达到 ，但是不能代替无线技术 。采用光纤长距离传输和微
16、波光子技术产生高频率载波信号的光载无线技术是解决问题的有效方法 。因此 ，高集成硅基微波光子芯片的研究是发展的必然趋势 。 结束语本文总结了微波光子学的关键技术和硅基微波光子的最新研究现状 ，分析了当前军事相控阵雷达的发展趋势和民用频谱资源紧张的严峻形势 ，提出了微波光子技术是解决现有问题的有效措施 ，指出了高集成硅基微波光子芯片的研究是发展的必然趋势 。参考文献 ： ， ，（）： ，（）： ， ， ， ，（）： ， ，（）： ， ， ，： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ： ，（）： ， ， ， ： ，（）： ， ， （），：，： ， ， ， ，（）： ， ， （），
17、：，： ， ，（）：（下转第页）光通信研究 年第 期总第 期 ，（）： ， ， ，：，： ， ， ， ， ，（）： ， ，（）： ，（）： ， ，： ，欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍（上接第页） ， ， （） ，：，： ， ， ， ，（）：杨兴 ，高飞 ，陈海清 ，等基于法布里 珀罗标准具实现波长锁定的可调谐激光器的光学系统设计与实现光学与光电技术，（）： ， ， ， ，：，： ， ， ： ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ： （），：，：櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰（上接第页）管成龙 ，朱杏华 ，李传起 ，等 一种新的二维光正交码的设计及性能分析 光通信研究 ，（）：吉建华 ，田晶晶 ，徐铭 ，等 一种基于素数码和单重合序列的二维光正交码 光电子 激光 ，（）： ，（）：吉建华 ，徐铭 ，张志明 ，等 一种基于扩展素数码和单重合序列 的 二 维 光 正 交 码 光 子 学 报 ，（）： ， ， ，（）：杨刘洋 ，吕翔 一种新的二维光正交码的构造与性能分析 光通信研究 ，（）：丁美玲 ，陈抗生 基于二次全等跳频光码分多址系统中国激光，（）：光通信研究 年第 期总第 期
