移動(dòng)通信、雷達(dá)、衛(wèi)星遙感、電子對(duì)抗以及基礎(chǔ)儀器科學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)步，促使著微波系統(tǒng)向著高頻、寬帶、大動(dòng)態(tài)范圍、多功能的方向發(fā)展。面對(duì)這些新的發(fā)展需求，傳統(tǒng)的微波技術(shù)在微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理、測(cè)量等各個(gè)方面均面臨巨大挑戰(zhàn)。

微波光子學(xué)融合了微波技術(shù)和光電子技術(shù)，即利用光電子學(xué)的方法處理微波信號(hào)，可以突破傳統(tǒng)射頻電子器件的性能瓶頸，被認(rèn)為是下一代各類微波系統(tǒng)應(yīng)用的解決方案之一。

傳統(tǒng)微波光子系統(tǒng)一般使用分立的光電子器件與電學(xué)模塊搭建鏈路，這使得微波光子系統(tǒng)樣機(jī)或產(chǎn)品具有重量大、功耗高、穩(wěn)定性差等不足。因此，實(shí)現(xiàn)微波光子系統(tǒng)的微型化、片上化和集成化，是推動(dòng)微波光子技術(shù)真正落地與廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，也是近年來(lái)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

然而，目前已報(bào)道的研究工作仍未能實(shí)現(xiàn)微波光子系統(tǒng)的完全芯片化集成，需要借助分立的光電子器件(例如：激光器、調(diào)制器等)或電子器件(例如：電學(xué)放大器等)來(lái)構(gòu)建完整的系統(tǒng)鏈路，這在成本、體積、能耗、噪聲方面嚴(yán)重制約著微波光子技術(shù)的工程化與實(shí)用化。

鑒于此，近日，北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王興軍教授研究團(tuán)隊(duì)提出了融合硅基光電子芯片、磷化銦芯片和 CMOS 電芯片的多芯片平臺(tái)混合集成方案，首次實(shí)現(xiàn)了微波光子系統(tǒng)光-電鏈路的完全集成化拉通?；谠摷夹g(shù)方案，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款全芯片化的微波光子頻率測(cè)量系統(tǒng)，整體尺寸約為幾十 mm2，功耗低至 0.88 W，可實(shí)現(xiàn)對(duì) 2-34 GHz 寬頻段微波信號(hào)瞬時(shí)頻率信息的快速、精準(zhǔn)測(cè)量。

該成果發(fā)表在 Laser & Photonics Reviews，題為“Fully on-chip microwave photonic instantaneous frequency measurement system”。北京大學(xué)博士研究生陶源盛與北京大學(xué)長(zhǎng)三角光電科學(xué)研究院楊豐赫博士為論文的共同第一作者，王興軍教授為論文通訊作者。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的全芯片化微波光子頻率測(cè)量系統(tǒng)原理如圖1所示，他們?cè)诠韫庑酒嫌性醇闪烁咚僬{(diào)制器(用于微波信號(hào)加載)、載波抑制微環(huán)、可調(diào)諧光學(xué)鑒頻器和光電探測(cè)器等器件?；诹谆熎脚_(tái)實(shí)現(xiàn)高性能的分布式反饋(DFB)激光器，并通過(guò)端對(duì)端對(duì)接耦合方式與硅光芯片實(shí)現(xiàn)互連。為在保證系統(tǒng)測(cè)量精度的條件下降低對(duì)后端采樣與處理電路的要求，他們將硅光芯片的弱光電流輸出通過(guò)金線鍵合的方式直接連接至 CMOS 跨阻放大芯片的輸入。經(jīng)跨阻放大后的電信號(hào)，僅需通過(guò)低速采樣電路采集，通過(guò)離線處理即可還原出輸入高頻微波信號(hào)的瞬時(shí)頻率信息。

圖1：全芯片化的微波光子頻率測(cè)量系統(tǒng)。

(a)系統(tǒng)三維示意圖；

(b)磷化銦激光器芯片與硅光芯片的光學(xué)顯微圖；

(c)系統(tǒng)整體的集成封裝實(shí)物圖。

圖源：Laser Photonics Rev.2022, 2200158, Figure 1

面向電子對(duì)抗、雷達(dá)預(yù)警等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，研究人員們?cè)趯?shí)驗(yàn)演示了該全芯片化微波光子頻率測(cè)量系統(tǒng)對(duì)多種不同格式、微秒級(jí)快速變化的微波信號(hào)頻率的實(shí)時(shí)鑒別。如圖 2 所示，依次是對(duì) X 波段(8-12 GHz)范圍內(nèi)的跳頻信號(hào)(Frequency hopping, FH)、線性調(diào)頻(Linear frequency modulation, LFM)和二次調(diào)頻(Secondary frequency modulation, SFM)三類信號(hào)的頻率-時(shí)間測(cè)量結(jié)果，誤差均方根僅 55-60 MHz，是迄今為止同類型集成微波光子系統(tǒng)所展示出的最佳性能。

圖2：復(fù)雜微波信號(hào)頻率的動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果。

(a)跳頻信號(hào)(Frequency hopping, FH)的頻率測(cè)量；

(b) 線性調(diào)頻(Linear frequency modulation, LFM)的頻率測(cè)量；

(c)二次調(diào)頻(Secondary frequency modulation, SFM)信號(hào)的頻率測(cè)量

圖源：Laser Photonics Rev.2022, 2200158, Figure 4

未來(lái)展望  

本工作所提出的多平臺(tái)光電混合集成工藝方案，除適用于微波測(cè)量應(yīng)用，對(duì)于研究微波信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)處理、信號(hào)傳輸?shù)绕渌鞣N類型微波光子系統(tǒng)的集成化、微型化也具有很高的參考價(jià)值，為推動(dòng)微波光子技術(shù)的工程化應(yīng)用提供了一種通用性的解決方案。

論文信息  

Tao, Y., Yang, F., Tao, Z., Chang, L., Shu, H., Jin, M., Zhou, Y., Ge, Z., Wang, X., Fully On-Chip Microwave Photonic Instantaneous Frequency Measurement System. Laser & Photonics Reviews 2022, 2200158.

https://doi.org/10.1002/lpor.202200158