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集成微波光子技术实现下一代的射频系统

简介

微波光子学（MWP）是一个将射频（RF）工程与光子技术相结合的跨学科领域。它利用光学器件和技术实现微波和毫米波信号的产生、处理、控制和分配。集成微波光子学（IMWP）更进一步，将MWP组件和子系统整合到紧凑的光子集成电路中。

与传统射频系统相比，IMWP具有以下几个关键优势：

低损耗，与频率无关
超宽带宽
抗电磁干扰
能够实现复杂的射频功能
体积小、重量轻、功耗低（SWaP）

这些优势使得IMWP成为新兴应用（如5G/6G无线、物联网（IoT）、自动驾驶汽车等）的有前景的技术。本文概述了IMWP，涵盖了主要的集成平台、关键电路设计以及可编程RF光子处理器的未来发展方向 [1]。

集成平台

IMWP的三个主要材料平台是：

磷化铟（InP）
硅基光电子（SOI）
氮化硅（Si3N4）

每种材料都有其优点和缺点：

磷化铟：

唯一可同时集成有源和无源元件的平台
可将激光器、调制器、检测器和放大器集成在同一芯片上
与其他平台相比，传播损耗更高
与电子器件集成难度更大

硅基光电子 SOI：

与CMOS制造兼容
极高的折射率对比度可实现紧凑电路
无法单片集成激光器/放大器
损耗低于InP

Si3N4：

超低传播损耗
宽透明窗口
无有源元件（激光器、探测器、调制器）
需要混合集成才能实现全部功能

图1 三种平台的典型波导结构

专用光子集成电路

许多IMWP电路被设计为专用光子集成电路（ASPIC），以执行特定功能。关键示例包括：

1.滤波器

微波光波导滤波器可通过光环谐振器、晶格滤波器或其他结构实现。光滤波器的响应可转换为射频域。氮化硅和SOI平台已成功研制出具有高选择性的可调带通滤波器和陷波滤波器。

2.信号发生器

光频率梳和任意波形发生器能够产生高频射频信号，且控制精确。硅光子技术实现了紧凑型梳状光源和可编程脉冲整形器。

3.真时间延迟线

可调光延迟线对于相控阵天线和其他需要宽带时间延迟的应用很重要。使用环形谐振器或色散波导的各种方法已经得到验证。

4.波束成形器

相控阵天线的光束成形网络可提供宽瞬时带宽。在氮化硅中实现了真正的时延波束成形器，可在宽频率范围内实现无斜视操作。

图2 集成式氮化硅波束成形网络的一个实例

该芯片实现了四个可调延迟线，为16单元天线阵列提供馈电，从而实现宽带波束控制，且不会产生波束倾斜。

多功能电路

虽然许多IMWP芯片是为特定应用而设计的，但一些通用性更强的设计可以通过重新配置来执行多种功能。例如，图3中的InP电路最初设计为可调滤波器，但也可以实现信号集成、微分和希尔伯特变换。

图3 InP电路

这表明IMWP架构具有更大的灵活性，可以针对不同的任务进行重新编程。

通用MWP处理器

通用软件定义MWP处理器的概念是IMWP研究领域令人振奋的前沿。其目标是创建一个可编程的单一可重构光学核心，以实现任何所需的MWP功能。

一种很有前景的方法是基于可调节的Mach-Zehnder干涉仪的二维阵列，这些干涉仪以网状结构排列，类似于电子领域的FPGA。通过编程各个干涉仪的状态，可以在同一物理硬件上合成不同的光路拓扑结构。

已经提出了几种网格几何结构，包括正方形、三角形和六边形。分析表明，就重新配置灵活性和光路控制而言，六边形网格具有最佳的整体性能。

图4 使用六边形网格的不同滤波器实现示例

在这里，通过编程马赫-曾德元件的状态，看到如何配置相同的物理网格来实现不同的有限脉冲响应（FIR）和无限脉冲响应（IIR）滤波器结构。

基于网格的方法的一个关键优势在于，它能够实现前馈和反馈配置。这使得实现各种滤波器响应和其他功能成为可能。

最近的实验证明了这一概念的潜力。例如，在绝缘体上硅制成的7单元六边形网格能够合成100多种不同的电路配置，图5包括各种滤波器类型。

图5 各种滤波器类型

该芯片展示了可重构带通滤波器、陷波滤波器以及更复杂的耦合谐振器结构，所有这些都可以在同一硬件上编程。

通用处理器架构

基于基于网格的可重构光学核心，可以设想一个完整的通用MWP处理器架构，如图6所示。

图6 通用MWP处理器架构

该架构包括：

可重构光网核心
光源
电光（E/O）调制器
光电（O/E）探测器
光滤波器
射频/模拟电子器件
控制电子设备和软件

通过对各个子系统进行适当编程，该处理器几乎可以执行任何MWP功能，包括：

射频滤波
波束成形
频率转换
任意波形生成
瞬时频率测量
以及更多

该处理器支持电和光输入/输出，能够与射频和光学系统灵活集成。

图7展示了如何为通用处理器编程，以适应不同的微波波束形成应用。

图7 如何为通用处理器编程

这些图表展示了如何通过软件重新配置，让同一硬件实现多种功能，如真正的延时线、滤波器、振荡器、波束形成器和频率测量系统。

挑战与未来展望

虽然IMWP取得了重大进展，但仍有若干挑战亟待解决：

减少光损耗，特别是在InP等有源平台中
提高射频性能指标，如噪声系数和线性度
开发自动化设计和编程工具
热管理和稳定性
电子器件的封装和接口

展望未来，主要研究方向包括：

电子技术和光子技术的先进集成
用于信号处理的新型非线性效应和量子光子效应
用于自动优化的机器学习技术
用于量子和超导射频系统的低温IMWP

随着这些挑战的克服，IMWP有可能在广泛的应用领域彻底改变射频系统设计。

在紧凑、低功耗的光子芯片上实现复杂、宽带射频功能的能力将在以下领域带来新的能力：

超高容量无线网络（5G/6G）
用于通信和传感的相控阵系统
分布式天线系统和光纤无线电网络
航空航天和卫星通信
仪器仪表和测量
太赫兹应用

总结

集成微波光子技术是快速发展的领域，有望催生下一代射频和微波系统。与传统射频方法相比，IMWP利用光子集成的优势，提供了前所未有的性能、灵活性和紧凑性。

基于可重构光子网格的通用软件定义微波光子处理器的发展方向尤其令人振奋。这些芯片有可能像当今数字电子领域的FPGA和DSP一样无处不在且影响深远。

随着研究人员不断突破光子集成和可编程光电路的界限，IMWP有望在塑造未来无线、传感和信号处理技术方面发挥变革性的作用。射频、光子技术和可编程硬件架构的融合为下一代通信和测量系统开辟了令人信服的新可能性。

参考资料

[1] J. Yao, J. Capmany, and M. Li, “Microwave Photonics”. Hoboken, NJ: Wiley-IEEE Press, 2024.