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美国集成光电子系统路线图|射频光子技术的趋势与挑战

简介

本文为大家介绍麻省理工学院的Microphotonics Center (MphC)与PhotonDelta 在2024年三月底联合发布的 Integrated Photonic System Roadmap-International (IPSR-I)当中的RF Photonics篇，射频（RF）和光子是分别与无线和有线传输介质相关的两种关键通信技术。光纤链路的损耗非常低，在 1500 nm 波长时约为 0.2 dB/km，而微波范围（3-30 GHz）内的射频无线链路的大气衰减低于 0.1 dB/km。这些技术是当前移动网络实现用户移动性的基石。

为了满足埃德霍姆定律所预测的移动数据传输速率的指数级增长，无线运营商正在探索毫米波（30-300 GHz）和太赫兹（0.3-3 THz）等更高的频段。然而，由于要实现强大的信号源和高效的接收器，在太赫兹间隙生成和检测信号一直是个难题。射频光子技术采用光子技术生成、处理和控制 100 GHz 以上的射频信号，被视为前景广阔的解决方案。

无线标准的演变历代无线标准不断改进数据速率、带宽、延迟和可靠性等关键性能指标（表 1）。6G 的愿景要求接入更高的毫米波和 subTHz 频段，以推动自动驾驶、扩展现实和大规模人工智能集成等创新的连接边界。

表 1：各代无线技术的关键性能演进

太赫兹频率的挑战

访问 100 GHz 以上的频率面临着被称为 "太赫兹鸿沟 "的几个障碍，包括：

缺乏强大的信号源
缺乏高效接收器
缺乏高频互联
缺乏高于 220 GHz 的测量系统

射频光子学旨在通过光子学、电子学和射频工程的混合集成来克服这些挑战。然而，关键问题依然存在，如缺乏高频互连和测试/测量设备。

射频光子学构件射频光子学的主要模块是利用光子学产生射频载波的发射器和利用光子学下变频调制射频载波的接收器。其主要构件包括：

1.发射器（图 1）：

光信号发生器（激光器）
用于电光转换的光调制器
光放大器
光信号处理
光电转换器和射频放大器

2.接收器（图 2a、2b）：

用于光电下变频的光电导天线或光电二极管
光调制器
光信号处理

关键参数包括光信号发生器的功率、线宽和可调谐性，以及光电转换器的带宽、响应度和输出功率。

图 1. MWP 发射器构件示意图。EOM：电光调制器；EAM：电吸收调制器；EDFA：掺铒光纤放大器；SOA：半导体光放大器；LNA：低噪声放大器；PA：功率放大器。

图 2. 基于以下原理的射频光子接收器构件示意图：(a) 光电混频器检测器，(b) 射频到光学直接检测。LNA：低噪声放大器；IF：中频；EOM：电光调制器；EAM：电吸收调制器；EDFA：掺铒光纤放大器；SOA：半导体光放大器。

太赫兹光信号发生器

基于光信号发生器的光子太赫兹系统有两种类型：

1.时域：使用飞秒脉冲激光照射光电导天线。

2.频域：采用连续波（CW）激光束，通过光学异频降频。

光异频法在带宽、最大频率和频率调谐范围方面具有优势。它使用两个波长分别为 λ1 和 λ2 的激光器，混合在高速光电混合器上，以 fbeat = c|λ1 - λ2|/(λ1λ2) 的频率产生电信号。

与自由运行的激光器相比，集成半导体激光器可提高频率稳定性。两个 DFB 激光器的单片 InP 集成实现了小于 300 kHz 的线宽和小于 1 MHz 的射频节拍（2.5-20 GHz）。DFB 激光器阵列将这种调谐扩展到 2 THz 以上。

进一步的稳定性可通过以下方式实现：

1.使用光频梳进行光注入锁定

2.通过外部调制从单个 CW 激光器中产生两个波长

光电转换器

光电转换器主要有光电二极管和光电导体两种。

光电二极管：基于硅基 Ge 或 InP/InGaAs 的 PIN 光电二极管可实现大于 30 GHz 的带宽和 1 A/W 的响应率，但需要在带宽和最大射频功率之间做出权衡。单程载波光电二极管（UTC-PD）克服了这一问题，可提供 240 GHz 的带宽和 0.6 dBm 的输出功率，但单片集成仍具有挑战性。
光电导体：太赫兹接收器采用垂直照射的光电导天线（PCA），可使用光子本地振荡器将 W/D/THz 波段直接下变频到基带/IF。它们具有低噪声（188 千兆赫时 NEP = 1.8 fW/Hz）和高动态范围（4 太赫兹带宽上 117 dB），但转换增益和中频带宽有限。

平面天线和阵列

为了将半导体连接到自由空间，光电转换器与平面天线（弓形天线、贴片天线、槽形天线）和透镜集成在一起。天线阵列利用低损耗光学分配信号的能力，实现空间功率组合，从而提高增益和发射功率。

然而，由于光栅叶问题，介质透镜不能用于阵列。介质杆波导天线（DRWA）是一种很有前途的解决方案，不过要在 240 GHz 的 10 公里链路上达到 50 dBi 的增益，需要非常大的阵列尺寸（1000-10000 个元件）（表 2）。以低于 100 μm 的间距组装和封装此类阵列是一项重大挑战（表 3）。

表 2. 增益与阵列中介质棒波导天线元件数量的关系。

表 3. 单个天线元件的尺寸随频率的减小而减小。

测试、组装和封装挑战

6G 射频光子元件的测试、组装和封装面临若干挑战：

1.缺乏用于 100 GHz 以上晶圆级测试的可靠宽带射频探头（图 3）。

2.缺乏超过线键合 220 GHz 限制的高频电路互连。

3.缺乏将矢量网络分析仪覆盖范围扩展到 220 GHz 以上的测量系统和例程。

应对这些挑战对于采用射频光子技术的 6G 无线收发器很重要。

图 3. 不同同轴和矩形波导连接器标准的频率范围

结论

射频光子技术集成了尖端的光子和电子技术，以克服阻碍强大信号源和高效接收器的 “太赫兹鸿沟”。虽然已经取得了重大进展，但在组件集成、封装和测试/测量能力方面仍存在关键瓶颈。继续研究解决这些问题对于释放 6G 及其他技术的全部潜力相当重要。

参考文献

[1] G. Carpintero et al., "RF Photonics," in 2024 Integrated Photonic Systems Roadmap - International (IPSR-I), March 2024.