微波光子技术基础概念
微波光子技术代表了微波工程和光子技术两个不同技术领域的融合。该领域的核心概念是通过幅度、相位和偏振调制等各种技术将射频信号编码到光载波上。采用这种方法的主要动机源于光学系统相比传统电子系统的优越特性，特别是在带宽、电磁干扰抗性和信号传输能力方面的表现。
微波光子技术的历史发展可追溯到1960年代，当时研究人员首次在光调制方面取得了突破性成果。随着该领域的发展，自然而然地开始利用石英光纤的出色特性，包括极低的损耗和最小的色散特征。这种转变促进了复杂组件的开发，例如光纤延迟线、光耦合器和阵列波导光栅，这些组件共同为雷达系统和射频波束控制技术开辟了新的应用可能性。
传统的基于光纤的微波光子系统在各种应用中已证明相当成功，包括用于信号处理的延迟线、用于天线阵列的波束成形器，以及用于通信链路的高性能调制器。然而，这些系统在集成到实际应用中时面临重大挑战，特别是在相位稳定性、物理体积和整体系统成本考虑方面。这些限制促使研究人员探索既能保持光学优势又能解决实际约束的替代方法[1]。
图1：测量装置显示(a)典型测量配置，包含输入和输出透镜光纤、光电子集成芯片和16针直流电探针，以及(b)接触光电子集成芯片上金属焊盘前16针中10针的俯视显微镜图像。
硅基光电子技术的发展
光电子集成芯片的出现代表了微波光子技术实施方面的范式转变。通过从离散光纤组件过渡到集成线路平台，研究人员可以解决传统方法中固有的许多基本限制。用于这种集成的最突出平台包括绝缘体上硅、氮化硅和铌酸锂，每种平台都为特定应用提供独特优势。
硅基光电子平台，特别是利用300毫米互补金属氧化物半导体代工工艺的平台，由于与既定半导体制造基础设施的兼容性而获得了显著关注。这种兼容性支持大批量生产能力，同时保持严格的制造公差和成本效益。这些代工工艺的成熟对于证明集成微波光子系统在实际部署中的可行性非常重要。
将光学组件集成到半导体平台上既带来机遇也带来挑战。虽然调制器和光电探测器等组件已通过代工工艺成功实施，但由于标准CMOS工艺中的材料限制，激光器和光放大器等其他基本元件仍然具有挑战性。量子点技术和创新增益架构的最新进展已开始解决这些限制，特别是对于O波段应用。
无源组件：集成的构建模块
边缘耦合技术：外部光纤与集成波导之间的光耦合效率代表任何光电子集成芯片系统中的关键性能参数。每分贝的光损耗直接转化为射频增益的两分贝降低，在散粒噪声限制系统中，相应地导致噪声系数增加两分贝。这种直接关系使最小化光损耗成为首要的设计考虑因素。
边缘耦合技术采用反锥形方法，其中波导模式尺寸在接近芯片端面时逐渐增大。这种渐进过渡能够在集成波导和外部光纤之间实现高效的模式匹配。本工作中描述的实施方案在200微米长度上使用线性宽度递减，对于氮化硅波导实现了每个端面2到3分贝每厘米的耦合损耗。
图2：(a)环氧胶合光纤阵列与为C波段操作设计的反锥形边缘耦合器之间的耦合损耗，以及(b)1500纳米宽氮化硅螺旋波导中的传播损耗测量。
边缘耦合器的性能特性与替代耦合方法相比表现良好。与通常在窄带宽上工作且需要垂直光纤对准的基于光栅的垂直耦合器不同，边缘耦合器提供宽带响应、改进的偏振不敏感性和增强的光纤附着工艺兼容性。这些优势使边缘耦合对于操作带宽和机械稳定性是关键要求的微波光子应用特别有吸引力。
延迟线实施：射频相位控制代表许多微波光子应用中的基本要求。在无源平台中，实现所需的相位延迟需要通过波导加长进行几何实施。对于需要纳秒级延迟的应用，光信号必须传播通过数十厘米的波导，使传播损耗成为关键设计参数。
低损耗延迟线的实施面临与线边缘粗糙度散射以及来自芯和包层材料的材料吸收相关的挑战。高折射率对比波导虽然能够实现紧密弯曲半径和紧凑布局，但特别容易受到这些损耗机制的影响。波导几何形状和制造工艺的仔细优化可以在特定波长下实现低至每厘米0.05分贝的传播损耗，在1550纳米处的典型值约为每厘米0.125分贝。
阵列波导光栅：阵列波导光栅在集成微波光子系统中充当基本的波长复用和解复用组件。这些器件能够分离已用相同射频信号调制的多个光通道，促进每个通道的后续独立处理。这种能力对于天线波束成形等应用证明是必需的，其中各个通道上的可变光路长度创建可控的射频相位延迟。
图3：(a)AIM光子技术制造的氮化硅1×9阵列波导光栅的显微镜图像，(b)单个阵列波导光栅每个通道的光传输，(c)安装在热电冷却器上的光纤连接阵列波导光栅光电子集成芯片图像，(d)具有0皮秒(黑色)和50皮秒(红色)光延迟的两个光纤连接波束成形器的光传输，(e)15个阵列波导光栅测量中通道间距的箱线图，以及(f)15个阵列波导光栅测量中通道全宽半最大值的箱线图。
阵列波导光栅的设计和制造需要对多个参数进行精确控制，包括通道间距、带宽和串扰特性。所描述的实施方案实现了1×9配置，目标为200千兆赫兹通道间距，测量性能与设计规格密切匹配。制造器件在多个芯片上的一致性证明了代工工艺的成熟度及其对批量生产应用的适用性。
有源组件：高级信号处理
环辅助马赫-曾德尔干涉仪滤波器：高级微波光子信号处理通常需要对光载波及其相关边带进行复杂操作。环辅助马赫-曾德尔干涉仪滤波器通过精确控制的滤波器响应为载波和边带的独立处理提供必要功能。这些器件将环形谐振器的尖锐滤波特性与马赫-曾德尔干涉仪的宽调谐能力相结合。
图4：(a)基于RAMZI的载波滤波器示意图，(b)基于RAMZI的边带滤波器示意图，(c)显示最佳性能的载波滤波器仿真，(d)显示最佳性能的边带滤波器仿真，(e)通过载波滤波器的测量光传输与仿真共同绘制，以及(f)通过边带滤波器的测量光传输与仿真共同绘制。
载波滤波器实施方案利用带有可调微环谐振器的平衡马赫-曾德尔干涉仪在每个臂上，能够精确控制耦合强度和往返相位。这种配置实现了锐利的滤波器响应，全宽半最大值带宽窄至1.2千兆赫兹，20分贝带宽为4.5千兆赫兹，表明适合处理低至5千兆赫兹频率的边带。边带滤波器采用类似架构，但包含对应于微环谐振器几何周长一半的额外延迟元件，能够选择性传输单个边带，同时对不需要的组件提供大于20分贝的抑制。
可调真时延架构：连续可调真时延的实施代表集成微波光子技术中最具挑战性的方面之一。与在预定路径长度中进行选择的离散延迟切换方法不同，连续延迟系统必须在扩展范围内提供平滑、稳定的延迟调谐，同时保持低传播损耗和最小功耗。
图5：(a)两条延迟线(悬浮和非悬浮)的显微镜图像，(b)宽延迟线转换为单模欧拉弯曲的显微镜图像，(c)耦合到非悬浮延迟线时由光学背向散射反射计生成的光谱，插图显示在不同电压下输出端面反射的偏移，(d)两条延迟线的可调延迟与电功率的关系图，以及(e)两条延迟线的反射信号与电功率的关系图。
所演示的方法利用通过单模欧拉弯曲连接的宽部分蚀刻硅波导段，在低传播损耗和热调谐效率之间实现折衷。该实施方案包括悬浮和非悬浮版本，悬浮结构由于热质量降低而提供约三倍的调谐效率。然而，这种改进的效率是以降低功率处理能力为代价的，因为在较高电功率下存在热损伤担忧。
测量性能证明了连续延迟调谐能力，固定延迟为1.45纳秒，悬浮结构在3瓦电功率下额外可调延迟达到40皮秒。非悬浮版本在11瓦下实现45皮秒的可调延迟，说明了热调谐系统中效率和功率处理之间的权衡。
制造和可扩展性考虑
从实验室演示向实用微波光子系统的过渡需要解决制造一致性和可扩展性挑战。利用300毫米CMOS硅基光电子代工厂提供了访问具有良好表征性能变化和既定质量控制程序的成熟制造工艺的机会。这种制造方法能够生产具有可预测性能特征的复杂光电子集成芯片，适用于大批量晶圆生产。
现代代工工艺中实现的制造公差已得到系统研究和最小化，以确保批量生产应用的可靠可扩展性。制造一致性的这些改进，结合集成光子技术的固有优势，包括优越的相位稳定性、简化的热管理以及减少的尺寸、重量和功率要求，将硅基光电子定位为下一代微波光子系统的使能技术。
未来发展方向和应用
微波光子应用的光电子集成芯片持续发展将在系统性能和能力方面带来重大进展。低损耗无源组件、复杂有源滤波元件和可调延迟架构的结合使得能够实现以前使用分立组件方法不切实际的复杂信号处理功能。
将这些单个组件集成到完整的微波光子系统中，以及针对现场部署的封装，代表了下一个关键开发阶段。未来的研究工作将专注于系统级优化、可靠性表征，以及在包括雷达系统、通信网络和天线波束成形应用等现实世界应用中实际优势的演示。
基于代工的硅基光电子制造的成熟为将这些先进能力从研究演示过渡到商业产品提供了途径，有望在各种应用领域改变微波光子系统的实施方式。
参考文献
[1] N. F. Tyndall, C. E. Sunderman, J. F. Diehl, M. W. Pruessner, K. J. Walsh, S. T. Lipkowitz, J. N. Bouchard, J. M. Singley, and T. H. Stievater, "Photonic integrated circuits for microwave photonics in a 300-mm silicon photonics foundry," Opt. Eng., vol. 64, no. 5, Art. no. 057103, May 2025.
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