摘要
本文介绍了集成微波光子 （Microwave photonics， MWP） 陷波滤波器，其带宽为 37 MHz，通过将As2S3布里渊波导异构集成到兼容 CMOS 工艺的硅基光电子芯片中实现。电路包括了有源光学组件，有效地解决了在 MWP 滤波器中同时实现高光谱分辨率和有源光电功能的难题。这使得在一个 5 毫米 x 5 毫米的光子芯片上同时进行 RF 信号过滤、光调制和检测成为可能。采用这种异质集成方法可以显着降低光损耗，有望实现完全集成、可精细调节的 MWP 处理器。
介绍
在集成 MWP 滤波器中，为了应对通信和感测领域频繁拥挤的 RF 频谱，需要极高的光谱分辨率。传统的微环谐振器分辨率有限，而受激布里渊散射 （SBS） 设备则缺乏与有源电光接口的集成能力。本工作通过将 As2S3 脊型波导异质集成到硅基光电子芯片中，解决了这一挑战。这些波导能够实现强 SBS 增益，从而为高分辨率光谱滤波提供支持，同时与采用 CMOS 兼容工艺流程制造的调制器和探测器集成在一起。
异质集成方法
在硅基光电子芯片的晶圆制造后，采用了多个后处理步骤来集成低损耗的As2S3布里渊波导。首先，选择性去除后端层，形成开放的沟槽以便于接入被无源波导。接着，使用氢氟酸湿法蚀刻去除上层二氧化硅包层，为沉积 680 纳米厚的 As2S3 膜创造条件。然后，利用电子束光刻和感应耦合等离子体蚀刻技术，将这层膜转化为宽度为 1800 纳米的肋波导。
As2S3 脊型波导制造
相较于传统的全刻蚀设计，本工作制造的 As2S3 脊型波导在传播损耗上有显著降低。这主要归功于部分蚀刻的优势，有效减少了由于 HF 预处理引起的侧壁粗糙度导致的散射。进一步优化这种选择性切割过程，将有助于进一步降低光损耗。
硅- As2S3 的过渡
为实现硅与 As2S3 波导之间的光耦合，将硅波导的宽度锥形缩减至 150 纳米。尽管模拟预测每个接口的过渡损耗仅为 0.39 dB（如图 1h），但实际测量结果显示损耗更高，范围在 1.8-5.5 dB 之间。这种差异可能是由侧壁粗糙度或对齐不准确造成的。通过进一步完善制造工艺和尺寸设计，有望将实际损耗降至接近模拟预测值。
图1. As2S3波导制作和Si- As2S3接口模拟。
注：
a. 在使用HF蚀刻去除SiO2包层后，硅波导锥体的False-coloured扫描电镜（SEM）图像。
b. 在光刻胶图案化后的硅锥体False-coloured光学显微镜图像。
c. Si波导尖端和As2S3波导的False-coloured SEM图像。
d. As2S3梁波导横截面的False-coloured SEM图像。
e. 在制作完成后，Si- As2S3锥体区域的真彩色照片。
f. 使用Lumerical有限差分特征模式（FDE）求解器模拟硅波导TE00模式的电场幅值（∣E∣）。
g. 使用FDE求解器模拟As2S3脊型波导TE00模式的∣E∣。
h. 使用Lumerical特征扩展模态（EME）求解器模拟硅锥体到As2S3波导的∣E∣。标注的关键尺寸的值为wSi = 450 nm， hSi = 220 nm， ltaper = 100 μm， wtip = 150 nm， hchg = 680 nm， hetch = 340 nm， wchg = 1800 nm。
测量的波导性能
整合的As2S3波导展现了强烈的受激布里渊散射，适用于窄带非线性光学处理。测量得到的布里渊频移为7.6 GHz，相应于一个21 ns的声子寿命。图2显示放大和损耗共振具有在0-4 mW耦合泵浦功率下可调的增益，范围为0.3-1 dB。提取的增益系数为703/m/W。
图2. As2S3布里渊波导的特性化。
注：
a 布里渊增益光学测量的简化设置。
b 测量的布里渊增益和损耗响应。
c 布里渊增益电子测量的简化设置。
d 阴影迹线表示在不同耦合泵浦功率（P）下的As2S3波导中测量的SBS响应。实线表示洛伦兹拟合。
e 泵浦功率的函数下测量的SBS增益。OSA光谱分析仪（APEX AP2083A），VNA矢量网络分析仪（Agilent PNA N5224A），PD光电探测器，EDFA掺铒光纤放大器，DDMZM双驱动马赫-曾德尔调制器。布里渊频移由ΩB表示。
片上射频光电链路
异构硅基光电子芯片上整合的光强度调制器和光电探测器实现了微波光子链接。测量指出一个高于15 GHz的3 dB射频带宽。这证明了发布的代工工艺成功地将高速有源光电子组件与定制后处理的As2S3波导集成。
电光调制器
实现的关键组件是一个集成在干涉仪架构中的双驱动马赫-曾德尔调制器（DD-MZM），如图3a所示。这有助于控制光载波-边带比（CSR）和相对相位。调整CSR可以改善射频链路增益，而调整相位则能在带通和陷波响应之间实现可重构的过滤。
图3. As2S3波导与硅组件在芯片上异质集成，用于微波光子滤波器系统。
注：
a.集成Si- As2S3 MWP陷波滤波器的原理示意图。射频输入信号通过Si- As2S3芯片上的调制器调制到光载波上。然后对调制的光信号进行处理并进行光电探测。RF输出频谱中可视化的陷波滤波器响应，其中在f1的频谱分量被衰减，而f2的信号则没有。
b. 包含（c）硅电光调制器和用于光载波控制的电路的Si-As2S3 PIC的照片，以及（d）用于布里渊处理的As2S3螺旋波导的假彩色光学显微镜图像。PIC光子集成电路，E-O电光，CSR载波-边带比，TC可调耦合器，TPS可调相移器，VOA可变光衰减器。
射频链路特征化
图4d显示了配置为构造性或破坏性干涉时的射频链路响应。优化偏置和色散以实现均匀干涉可以实现更平坦的通带或阻带特性。降低光插入损耗也将有助于增加射频链路增益和无杂散动态范围。
图4. 芯片上的MWP链路和电光调制器特性化。
注：
a 芯片上MWP链路的简化示意图，包括定制的芯片上调制器。
b 使用电光调制器和PD在硅光子芯片上测量的芯片上MWP链路的射频增益。
c 使用芯片上的电光调制器来控制光载波-边带比。载波-边带比由黑线表示。
d 使用芯片上的调制器改变载波相位，从而使射频光电流构成干涉（蓝色）或破坏性干涉（橙色）时测量的射频响应。HC混合耦合器，DDMZM双驱动马赫-曾德尔调制器，PD光电探测器，TC可调耦合器，TPS可调相移器，VOA可变光衰减器，OSA光谱分析仪（II–VI WaveAnalyser），CSR载波-边带比。
硅- As2S3 MWP 陷波滤波器
通过集成有源元件和非线性 As2S3 波导，成功在异质硅基光电子平台上实现了一种可重构的 RF 微波光子陷波滤波器。该滤波器具有窄至 37 MHz 的高分辨率、超过 50 dB 的带外抑制能力和 15 GHz 的宽广调谐范围。此外，定制的电光调制器也优化了 RF 链路的性能。
实验实施
陷波滤波器利用了布里渊散射现象，其中一个强泵浪在 As2S3 波导中逆向传播，以放大一个弱探针波。当这两个光波的频率差距达到布里渊频移时，这种增益效应就会发生。通过在芯片上进行光调制产生的探针侧带，仅在狭窄的频谱范围内获得增益，从而在光电检测后形成尖锐的陷波效果。
窄带可调滤波
如图 5 所示，对集成滤波器进行了全面表征。该滤波器实现了 37 MHz 的 3 dB 带宽，并具有 21 ns 的声子寿命。此外，陷波展现出了高达 51 dB 的带外抑制能力，并可在 2.5-15 GHz 的范围内调谐。随着布里渊增益的提升，最终的带宽有望进一步缩小。这些特性充分证明了集成的 As2S3 波导在实现高分辨率 RF 光子滤波方面的巨大潜力。
图5. Si-As2S3 MWP陷波滤波器。
注：
a.实验设置。
b. 测量的射频陷波滤波器响应，具有狭窄的3 dB带宽37 MHz和高达51 dB的抑制效果。c. 测量的MWP陷波滤波器的射频响应，其中在8 GHz处有一个陷波。
d. 陷波滤波器频率调谐。陷波频率在2.5-15 GHz之间变化。
e. 两个不同载波-边带比（CSR）的测量光谱。在Si-As2S3 PIC上的光处理将载波-边带比从CSR1（蓝色）减小到CSR2（橙色）。调制的边带与光载波相差7 GHz。
f. 带有CSR1和CSR2的陷波滤波器的测量射频响应。
g. 测量的陷波和带通滤波器响应。通过改变芯片上的DDMZM的直流偏置，可以在布里渊共振之外产生破坏性干涉，从而创建带通响应。L 激光器（Teraxion NLL），EDFA掺铒光纤放大器，PC偏振控制器，C环形器，TC可调耦合器，VOA可变光衰减器，TPS可调相移器，DDMZM双驱动马赫-曾德尔调制器，BPF带通滤波器（BPF1、BPF3：Santec OTF-320。BPF2：Alnair BVF-300CL）。
RF 链路优化
本工作的集成电光调制器使得微波光子滤波链路的优化成为可能。通过调整芯片上的载波-边带比和相位控制，实现了高达 13 dB 的 RF 增益提升（如图 5f）。此外，通过重新配置调制器的偏置设置，我们还能够使光子滤波器在带通和陷波响应之间灵活切换（如图 5g）。这不仅展示了系统的灵活性，也验证了在高分辨率 RF 信号处理方面的能力。
讨论与结论
将 As2S3 布里渊波导异构集成到有源硅光子集成电路中，标志着全集成高分辨率 MWP 滤波器发展的一个重要里程碑。尽管目前光损耗仍是性能的限制因素，但我们的分析显示，通过优化制造过程，有望大幅改进 As2S3 波导的传播和过渡损耗，从而将布里渊增益从 0.8 dB 提升至约 20 dB。这将相应提高链路增益高达 46 dB，并将噪声系数降低 20 dB。未来，如进一步降低驱动电压调制器等改进，将为系统带来更多优势。
综上所述，这项工作解决了将高光谱分辨率信号处理与集成有源光电子学统一的关键挑战。通过异质集成，示范为实用集成布里渊基微波光子处理器的发展奠定了基础，这些处理器用于通信、雷达和感测系统。集成调制器使紧凑的窄带可调 RF 光子滤波器在减小体积、重量和功耗方面变得更为灵活。
参考文献
微信公众号 
bilibili 
微信视频号