硅基微波光子濾波器的研究進(jìn)展

時(shí)間：2021/03/25    點(diǎn)擊量：340

微波濾波器是射頻系統(tǒng)中接收前端部分的核心器件,用于從背景噪聲中濾出目標(biāo)頻段信號(hào)或抑制射頻干涉產(chǎn)生的較強(qiáng)干擾信號(hào),被廣泛應(yīng)用在無線 通信、衛(wèi)星通信、電子雷達(dá)等現(xiàn)代微波系統(tǒng)中。傳統(tǒng) 的微波濾波器是在電域內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波,受電子瓶頸所限,通常工作頻段范圍窄、可調(diào)諧性差、體積尺寸較大,難以滿足未來微波系統(tǒng)對(duì)更高處理頻段和更大通信容量的迫切需求。微波光子濾波器(MicrowavePhotonicFilter,MPF)是將信號(hào)從微波 域上變頻到光域,利用光電子器件在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)濾波處理操作,因此可以打破電子瓶頸的限制,具有高帶寬、良好的可調(diào)諧性、靈活可重構(gòu)、抗電磁干擾等顯著優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是可應(yīng)用在下一代無線射頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

過去關(guān)于微波光子濾波器的研究,大部分是基于光纖連接的分立光電子器件搭建系統(tǒng),雖然可以發(fā)揮出微波光子濾波器所固有的高帶寬、可調(diào)諧、對(duì) 電磁干擾不敏感的優(yōu)勢(shì),但是仍存在系統(tǒng)體積和重量大、功耗和成本高、穩(wěn)定性差等問題。這些問題在面向通信衛(wèi)星、機(jī)載雷達(dá)等對(duì)載荷要求極高的系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)影響將會(huì)更加明顯。近年來,隨著集成光電子工藝與技術(shù)的蓬勃發(fā)展,研究者們逐步將微波光子濾波器系統(tǒng)中的核心光電子器件,包括激光器、 調(diào)制器、無源光濾波器、探測(cè)器等集成到光芯片上, 衍生出集成微波光子濾波器(IntegratedMicrowave PhotonicFilter,IMPF)這一新興的研究方向。2009 年,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究者們首次報(bào)道了硅(Si) 基片上低損耗微環(huán)諧振腔的可調(diào)諧帶陷型微波光子濾波器,實(shí)現(xiàn)了910MHz的濾波帶寬與2~15GHz 的頻率調(diào)諧范圍。隨后,利用銦磷(InP)基的片上級(jí)聯(lián)微環(huán)和級(jí)聯(lián) Mach-Zehnder(MZ)干涉儀結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器也相繼在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。到2016 年,西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)的 Capmany教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)全集成的微波光子濾波器,成 功地將微波光子濾波器系統(tǒng)所需的全部器件,即激光器、調(diào)制器、光濾波器和探測(cè)器集成在單顆InP芯 片上。截至目前,集成微波光子濾波器雖然得到了廣泛的研究與長足的發(fā)展,但是其濾波性能距離 實(shí)用化仍存在較大差距,整體尚處于前沿探索的階段。

當(dāng)前,集成微波光子濾波器主要基于銦磷、硅和 氮化硅(Si3N4)三個(gè)材料平臺(tái)實(shí)現(xiàn)[8]。InP 基平臺(tái) 的工藝發(fā)展最為成熟,可以同時(shí)制備出有源器件(激光器、調(diào)制器、光放大器和探測(cè)器)和無源器件(光波導(dǎo)),但是存在損耗高(1.5~3dB/cm)、工藝復(fù)雜、 成本高、CMOS工藝不兼容等問題。而硅基和氮化 硅基材料平臺(tái)[9],可以利用現(xiàn)有的成熟微電子集成工藝進(jìn)行器件制備,波導(dǎo)傳輸損耗低 (Si:0.1~ 2dB/cm;Si3N4:0.01~0.2dB/cm)、制備成本低、 易于量產(chǎn),而且與 CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容良好,具有與驅(qū)動(dòng)電路單片集成的潛力,但是也存在無法實(shí)現(xiàn)硅基激光器的問題。

本文重點(diǎn)關(guān)注硅基集成微波光子濾波器,從微波光子濾波器的基本工作原理出發(fā),詳細(xì)綜述了硅 基非相干型微波光子濾波器和相干型微波光子濾波器的最新研究進(jìn)展,并分析了當(dāng)前面臨的問題與挑戰(zhàn)。最后,對(duì)硅基微波光子濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡要總結(jié),并對(duì)其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1、微波光子濾波器的原理

微波光子濾波器的基本系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。 激光器產(chǎn)生連續(xù)光或脈沖光,通過高速電光調(diào)制器調(diào)制從而將射頻輸入電信號(hào)加載至光頻段上,然后 基于光處理器對(duì)加載有射頻輸入的光信號(hào)進(jìn)行光域 上的處理,通常為光濾波、延遲或波形整形等操作, 最后由光電探測(cè)器接收,將處理后的光信號(hào)還原至 電域產(chǎn)生射頻輸出。依據(jù)在光域上進(jìn)行信號(hào)處 理方式與原理的不同,可以將微波光子濾波器劃分為非相干型濾波器與相干型濾波器兩類。

圖1 微波光子濾波器的基本系統(tǒng)架構(gòu)

非相干型微波光子濾波器的濾波性質(zhì)與光源的相位無關(guān),該類型濾波器通常采用多抽頭延遲的結(jié) 構(gòu),與經(jīng)典離散信號(hào)處理中的數(shù)字濾波器的架構(gòu)類似,即將調(diào)制上電信號(hào)的光載波分成 N 個(gè)抽頭, 每路抽頭經(jīng)過不同的加權(quán)與延遲,然后再將這N路信號(hào)合在一起輸入探測(cè)器中拍頻產(chǎn)生輸出。非相干型微波光子濾波器在時(shí)域上的沖激響應(yīng)函數(shù)h(t) 可以表達(dá)為 h(t)=∑ N-1 n=0 anδ(t-nΔT) (1) 其中,an 為抽頭系數(shù),ΔT 為相鄰抽頭間的時(shí)延差。 將時(shí)域表達(dá)式進(jìn)行傅里葉變換可以得到頻域上的濾 波表達(dá)式: H(ω)=∑ N-1 n=0 ane-jnωΔT (2)

根據(jù)以上表達(dá)式可以看出濾波器的頻域響應(yīng)具有周期性,自由頻譜范圍(FSR)等于 1/ΔT。依據(jù) 抽頭系數(shù)an 的代數(shù)形式分為正系數(shù)濾波器、負(fù)系數(shù) 濾波器和復(fù)系數(shù)濾波器。依據(jù)抽頭數(shù)目可分為有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器和無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波 器。非相干型濾波器可以通過調(diào)控抽頭系數(shù),靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波帶寬、中心頻率和濾波波形的調(diào)諧,具 有很強(qiáng)的重構(gòu)性和通用性。然而系統(tǒng)搭建較為復(fù) 雜,實(shí)現(xiàn)較高的集成度極具挑戰(zhàn)性。

相干型濾波器的濾波特性與光源相位相關(guān),通常系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比非相干型濾波器要簡單很多。相干型濾波器由單波長光源產(chǎn)生連續(xù)激光,經(jīng)過調(diào)制器 加載微波電信號(hào),然后通過預(yù)先設(shè)計(jì)好的光濾波器 對(duì)加載在光載波上的微波信號(hào)進(jìn)行光域上的濾波操作,最后進(jìn)入探測(cè)器拍頻還原出微波信號(hào)?？梢钥? 出,相干型濾波器實(shí)際上是將光濾波器的光域?yàn)V波 響應(yīng)直接映射到電域上。該類型的濾波器系統(tǒng)組成 較為簡單,系統(tǒng)穩(wěn)定性更高,易于實(shí)現(xiàn)較高程度的集 成,目前已報(bào)道的高集成度片上微波光子濾波器均是基于該類型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2、非相干型硅基微波光子濾波器

非相干型微波光子濾波器,具體來說有兩種主要的實(shí)現(xiàn)方式。第一種方案是基于單波長的光源, 通過光分束器產(chǎn)生多路抽頭,對(duì)各路抽頭的光強(qiáng)與 相位進(jìn)行加權(quán),并利用光延遲線在抽頭間引入延遲 差。第二種方案是基于多波長光源或光譜切割后的 寬譜光源,一個(gè)波長即作為一路抽頭,通過可編程光波形整形器(Waveshaper)對(duì)各波長光的幅度和相 位進(jìn)行加權(quán),然后經(jīng)一段色散介質(zhì)引入抽頭間的延遲差。

2.1 基于單波長光源的非相干型濾波器

對(duì)于單波長的非相干型微波光子濾波器,傳統(tǒng)的分立系統(tǒng)通常需要采用不同延遲量的光纖延遲線陣列組合,系統(tǒng)復(fù)雜度高且工作穩(wěn)定性差。硅基 光電子集成技術(shù)的發(fā)展為解決這一難題提供了有效 的方案。基于不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)可調(diào)延遲線器件及延遲線陣列相繼被報(bào)道,相比于光纖延遲線,光 波導(dǎo)延遲線具有尺寸小、可調(diào)諧、魯棒性高、穩(wěn)定性 強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)。

2011年,Burla等提出了基于級(jí)聯(lián)微環(huán)結(jié)構(gòu)的 集成可重構(gòu)光延遲線,如圖2(a)所示,它由載波分 離調(diào)諧單元(SCT Unit)、光延遲線(ODL)和光邊帶 濾波器(OSBF)組成。器件基于 CMOS 工藝兼容的 TriPleX 技術(shù)制備?；谠摽芍貥?gòu)光延遲 線,搭建了2抽頭的微波光子濾波器系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了 濾波響應(yīng)的連續(xù)調(diào)諧,如圖2(b)所示。然而,基于微環(huán)結(jié)構(gòu)的延遲線存在著工作帶寬窄的固有缺陷, 限制了其在寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用。為提升器件的工作頻段范圍,Lawrence 等提出了亞波長光柵(Subwavelength Grating,SWG)結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)延遲線,器件結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。延遲線的通道數(shù)為4路,由采用不同占空比等結(jié)構(gòu)參數(shù)的SWG 波導(dǎo)組成,各路SWG 波導(dǎo)對(duì)同一波長光的有效折射率不同,進(jìn)而產(chǎn)生不同的延遲量。該器件的工作帶寬可 達(dá)幾到幾十太赫茲,同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)。2015年,華中科技大學(xué)張新亮課題組報(bào)道了硅基集成的4抽頭 FIR 型濾波器,器件結(jié)構(gòu)如圖2 (d)所示,該結(jié)構(gòu)除集成了4通道的光延遲線陣 列外,還將各路抽頭的加權(quán)功能也集成在硅芯片上, 即利用片上 MZ熱光調(diào)制器進(jìn)行幅度調(diào)諧,利用熱光相移器進(jìn)行相位調(diào)諧。他們基于該 FIR 濾波器, 在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了方波、三角波、鋸齒波等多種脈沖波形的產(chǎn)生與射頻微分器等多種功能。

(a) 基于級(jí)聯(lián)微環(huán)結(jié)構(gòu)的光延遲線

(b) 2抽頭微波光子濾波器的頻率響應(yīng)

(c) 基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的光延遲線

(d) 硅基集成的4抽頭FIR型濾波器

圖2 基于單波長光源的集成非相干型濾波器

2.2 基于多波長光源的非相干型濾波器

基于多波長光源的非相干型微波光子濾波器, 系統(tǒng)組成通常包括多波長光源、光波形整形器、電光調(diào)制器、色散介質(zhì)與光電探測(cè)器等五個(gè)部分。由于系統(tǒng)鏈路的復(fù)雜度高,目前該類型濾波器在硅基平臺(tái)上僅實(shí)現(xiàn)了單類器件的部分集成,主要集中在硅基片上的多波長光源、光波形整形器和高色散波導(dǎo)三個(gè)研究方向。

對(duì)于多波長光源的產(chǎn)生,傳統(tǒng)的分立微波光子濾波器系統(tǒng)通常需要一組激光器陣列,這極大地增 大了系統(tǒng)的體積,提高了成本。近年來,基于片上微 環(huán)諧振腔的非線性克爾光學(xué)頻率梳的出現(xiàn),為實(shí)現(xiàn) 微型化高效率的多波長光源提供了一種理想思路。 2014年,美國普渡大學(xué)的 Weiner教授課題組基于氮化硅微環(huán)諧振腔(MicroringResonator,MRR)產(chǎn) 生了相干性良好的寬譜克爾光頻梳,并將其作為光 源搭建了復(fù)系數(shù)微波光子濾波器系統(tǒng),如圖3(a)所 示。通過波形整形器調(diào)諧各路抽頭,即各根光梳梳齒的光強(qiáng)度與相位,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波波形的任意重構(gòu)。然而,其入射進(jìn)氮化硅微環(huán)的泵浦光功率高 達(dá)1.43W,需 要借助高功率摻鉺光纖放大器(EDFA)實(shí)現(xiàn),增大了系統(tǒng)功耗與復(fù)雜度。為解決這個(gè)問題,我 們課題組提出了基于高效率鋁鎵砷(AlGaAs)微腔光頻梳的濾波器系統(tǒng),如圖3(b)所。憑借AlGaAs材料本征的高非線性系數(shù),加 上對(duì)刻蝕工藝和波導(dǎo)設(shè)計(jì)的優(yōu)化,AlGaAs基微腔此前已實(shí)現(xiàn)了低至約36μW 的光梳產(chǎn)生閾值功率。利用AlGaAs基微環(huán),在約20mW 泵浦光功率下,實(shí)現(xiàn)了良好的帶通濾波性能,其中邊模抑制比高于25dB,濾波中心頻率和濾波帶寬均可靈活調(diào)諧。

(a) 基于氮化硅微腔光頻梳的濾波器系統(tǒng)

(b) 基于鋁鎵砷微腔光頻梳的濾波器系統(tǒng)

(c) 硅基集成的光波波形整形器

(d) 基于光子晶體結(jié)構(gòu)的高色散波導(dǎo)

圖3 基于多波長光源的集成非相干型濾波器示。

對(duì)于光頻梳的梳齒整形,傳統(tǒng)方案中使用的光波形整形器一般是基于高分辨率固態(tài)硅晶體(LCoS)陣列實(shí)現(xiàn)的。該類型器件是分立的,因而尺寸較大且機(jī)械穩(wěn)定性差。2016年,普渡大學(xué) Weiner 課題組率先基于InP 基工藝實(shí)現(xiàn)了片上集成的32 通道、25GHz通道間隔的光波形整形器,并成功演示了其應(yīng)用于濾波器系統(tǒng)的能力。華中科技大學(xué)的王健課題組在硅基平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)16通道的光波形整形器,結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示,由輸入陣列波導(dǎo)光柵 (AWG)、強(qiáng)度調(diào)制器、相移器陣列和輸出AWG 組成。該器件初步驗(yàn)證了硅基片上光波形整 形的可行性,但與商用的分立器件相比,在光插損、 分辨率、通道串?dāng)_等指標(biāo)上均存在很大差距。

基于多波長光源的分立濾波器系統(tǒng),抽頭間的固定時(shí)延差是通過色散光纖產(chǎn)生的。要實(shí)現(xiàn)該類型濾波器的片上集成,就需要制備出高色散的集成光波導(dǎo)以代替色散光纖在系統(tǒng)中的功能。2012 年, Capmany等報(bào)道了片上光子晶體波導(dǎo)的方案,如圖 3(d)所示,器件長度為 1.5mm,插入損耗低于 10dB,采用InP基工藝制備。利用該光子晶體波導(dǎo)代替色散光纖,成功實(shí)現(xiàn)了4抽頭的微波光子濾波器。而在硅基平臺(tái)上,對(duì)于高色散波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究與仿真設(shè)計(jì)也取得了一些不錯(cuò)的進(jìn)展,但尚未有應(yīng)用在微波光子濾波器系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。 整體來說,非相干型微波光子濾波器在硅基平臺(tái)上的集成度不高,目前僅實(shí)現(xiàn)了單個(gè)器件的片上集成,系統(tǒng)的大部分組件仍采用分立器件。其原因 主要有:一是該類型濾波器的系統(tǒng)鏈路復(fù)雜度高,當(dāng) 集成規(guī)模較大時(shí),片上的光損耗很高而導(dǎo)致探測(cè)器 難以響應(yīng);二是系統(tǒng)所需的幾類關(guān)鍵器件,如高效 的光頻梳源、高精度的波形整形器和低損耗大色散的光波導(dǎo),基于目前的制備工藝實(shí)現(xiàn)難度很大。盡 管如此,非相干型微波光子濾波器因其良好的可重構(gòu)性和可調(diào)諧性,更適用于復(fù)雜多樣的微波系統(tǒng),因 而未來仍具有很大的研究意義與價(jià)值。

3、相干型硅基微波光子濾波器

相比非相干型微波光子濾波器,相干型濾波器在硅基平臺(tái)上的集成研究則更為廣泛與深入。由于 相干型濾波器的濾波響應(yīng)與系統(tǒng)中光濾波器的光域頻率響應(yīng)直接相關(guān),因此研究者們首先將關(guān)注點(diǎn)集中在實(shí)現(xiàn)性能良好的硅基片上光濾波器上。相比于光纖濾波器,硅基片上光濾波器的尺寸更小,且可調(diào) 諧性強(qiáng)、可動(dòng)態(tài)重構(gòu)、設(shè)計(jì)靈活、工作穩(wěn)定性更好。 構(gòu)建硅基片上光濾波器目前主要有三種方案: 基于片上微環(huán)/微盤諧振腔、片上波導(dǎo)布拉格光柵 (WaveguideBraggGrating,WBG)和片上受激布里 淵散射(SBS)效應(yīng)。其中,基于微環(huán)/微盤諧振腔的 器件結(jié)構(gòu)使用最為廣泛。

3.1 基于硅基微環(huán)/微盤的濾波器

圖4(a)所示為早期報(bào)道的一個(gè)基于硅基微環(huán)的帶通濾波器系統(tǒng),其基本工作原理為:射頻電信號(hào)通過相位調(diào)制器加載到光載波上,產(chǎn)生上下兩個(gè)反相的微波邊帶,當(dāng)利用微環(huán)的諧振峰濾除其中一個(gè)邊帶并輸入探測(cè)器拍頻時(shí),即可通過相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制(PM-IM)的轉(zhuǎn)換效應(yīng),產(chǎn)生電域上的帶通型濾波響應(yīng)。與此類似,Liu等將相位調(diào)制后產(chǎn)生的雙邊帶信號(hào)濾除掉其中一個(gè)邊帶,并利用硅基微盤諧振腔對(duì)余下的邊帶進(jìn)行濾波,再進(jìn)入探測(cè)器拍頻即可實(shí)現(xiàn)電域上的帶陷型濾波響應(yīng),如 圖4(b)所示。在上述早期研究工作中,微環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)和濾波器系統(tǒng)均未經(jīng)優(yōu)化,因而存在著濾波帶寬較大(約1GHz)、抑制比較低、可調(diào)諧性差等諸多問題。

為進(jìn)一步提升硅基片上基于微環(huán)的微波光子濾波器的性能指標(biāo),研究者們提出了許多卓有成效的優(yōu)化方案。在優(yōu)化濾波帶寬方面,研究重點(diǎn)集中在降低波導(dǎo)損耗即提升微環(huán)的品質(zhì)因子(Q 值)上。 Marpaung等利用損耗更低的氮化硅微環(huán)構(gòu)建出帶 陷型濾波器,獲得了247~840MHz的濾波帶寬、2~8GHz的頻率調(diào)諧范圍。2018年,Qiu等提出了一種超高Q值跑道型硅基微環(huán)結(jié)構(gòu),如圖5(a) 所示,其中兩段長直波導(dǎo)區(qū)域采用2μm 寬光 波導(dǎo),可有效降低波導(dǎo)側(cè)壁損耗,因而大幅降低了環(huán)繞微環(huán)一周的損耗因子,將Q 值提升至1.14×10 6。 基于該高Q 值的微環(huán),實(shí)現(xiàn)了一個(gè)帶通型的微波光子濾波器,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的濾波帶寬約為170MHz,抑 制比為26.5dB,調(diào)諧范圍為2~18.4GHz。采用類 似設(shè)計(jì)思路的高Q 值硅基微環(huán)近年來同樣得到了其他研究者的關(guān)注并提出了進(jìn)一步優(yōu)化的方法。

(a) 基于硅基微環(huán)的帶通濾波器

(b) 基于硅基微盤的帶陷濾波器

圖4 基于硅基微環(huán)/微盤的濾波器系統(tǒng)

在提升濾波抑制比方面,主要的解決思路是將傳統(tǒng)微波光子濾波器中用于提升抑制比的電域或光域相減方案引入到硅基集成濾波器的系統(tǒng)中。如圖5(b)所示結(jié)構(gòu),從耦合光柵輸入單邊帶調(diào)制后的光信號(hào),通過調(diào)節(jié)MZI1 上的電壓V1,實(shí)現(xiàn) MZI2 兩臂的不等比例分光,強(qiáng)度高的一路光利用微環(huán)對(duì)邊帶進(jìn)行濾波,而強(qiáng)度弱的一路光施加一個(gè)π相移。通過精細(xì)調(diào)節(jié)使微環(huán)路濾波后邊帶剩余光強(qiáng)和弱光一路的邊帶光強(qiáng)相等,那么兩路光在濾波峰處就可以完全反相,實(shí)現(xiàn)相減抵消進(jìn)而獲得極高的消光比(大于60dB)。Marpaung等采用類似的相減方式,基于氮化硅微環(huán)和受激布里淵散射增益制備了一種兼顧高分辨率和高抑制比的濾波器,其帶外抑制比大于50dB,同時(shí)3dB帶寬在60~220MHz范圍內(nèi)可調(diào)。

若要在微波系統(tǒng)中完全替代傳統(tǒng)的電濾波器, 除濾波帶寬和抑制比等濾波本身的性能指標(biāo)外,硅基微波光子濾波器還需要關(guān)注其射頻(RF)性能,具體包括無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、噪聲系數(shù)和鏈路增益等三項(xiàng)指標(biāo)。悉尼大學(xué)Eggleton課題組首先關(guān)注與研究了硅基微波光子濾波器的RF性能的優(yōu)化方法。如圖5(c)所示,采用低損耗的氮化硅級(jí)聯(lián)微環(huán)作為光濾波器,采用兩臺(tái)EDFA增大光芯片的入射光功率和補(bǔ)償鏈路光損耗,有效提 升了噪聲系數(shù)和增益兩項(xiàng)指標(biāo)。同時(shí),利用低偏置 點(diǎn)(Low-Biased)技術(shù)進(jìn)行電光調(diào)制,大幅度地提升了SFDR指標(biāo)。該濾波器最終實(shí)現(xiàn)了射頻增益為 +8dB、噪聲系數(shù)為15.6dB 以及三階無雜散動(dòng)態(tài)范圍為116dB·Hz2/3 的極高RF性能。

(a) 窄帶濾波器

(b) 高抑制比濾波器

(c) 優(yōu)化 RF性能的濾波器

圖5 優(yōu)化性能指標(biāo)的濾波器

對(duì)于實(shí)際微波系統(tǒng),在提升濾波器性能的同時(shí), 往往還需要實(shí)現(xiàn)特殊的濾波波形(如平頂濾波)與濾 波響應(yīng)的可重構(gòu),以滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景的需求。 在常見的洛倫茲或高斯型濾波波形之外,平頂 (Flat-Top)濾波在無線通信系統(tǒng)同樣有著重要應(yīng)用價(jià)值。

實(shí)現(xiàn)平頂型微波光子濾波器,即需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)平頂型的光濾波器,最為常用的方案是采用級(jí)聯(lián)耦合微環(huán)結(jié)構(gòu)(Coupled Resonator Optical Waveguide,CROW)。2019年,荷蘭的研究者Taddei等 將8個(gè)氮化硅微環(huán)的drop端級(jí)聯(lián)起來,如圖6所示,通過熱光調(diào)諧每個(gè)微環(huán)的耦合系數(shù)與諧振峰位置來滿足平頂濾波的條件,實(shí)現(xiàn)了72MHz帶寬、大于51dB帶外抑制比的平頂濾波波形。同年,張新亮研究團(tuán)隊(duì)采用10個(gè)硅基微環(huán)級(jí)聯(lián)的CROW 結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了通帶帶寬在5.3~ 19.5GHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的平頂型濾波器。

圖6 平頂型濾波器

實(shí)現(xiàn)濾波響應(yīng)可重構(gòu)的相干型微波光子濾波器,一種思路是設(shè)計(jì)可重構(gòu)的光濾波器,即通過將微 環(huán)、MZ干涉儀等基本結(jié)構(gòu)組合成網(wǎng)格或陣列, 通過調(diào)諧器件組合的不同狀態(tài)與參數(shù)實(shí)現(xiàn)濾波響應(yīng)的重構(gòu),進(jìn)而改變映射到電域上的濾波波形。另一 種思路則是通過重構(gòu)電光調(diào)制器對(duì)電信號(hào)的調(diào)制狀態(tài),進(jìn)而改變還原到電域上的濾波波形,這種方法多用于帶通濾波與帶陷濾波響應(yīng)之間切換。圖7 所示為基于硅基微環(huán)的帶通/帶陷濾波響應(yīng)可切換 的濾波器系統(tǒng)架構(gòu),通過調(diào)整偏振控制器PC2, 可以分別實(shí)現(xiàn)不等幅雙邊帶調(diào)制和理想的相位調(diào)制 信號(hào),從而使經(jīng)過微環(huán)濾波后進(jìn)入探測(cè)器拍頻出的濾波響應(yīng)在帶通濾波與帶阻濾波響應(yīng)之間切換。

圖7 可重構(gòu)型濾波器

3.2 基于硅基波導(dǎo)布拉格光柵的濾波器

硅基波導(dǎo)布拉格光柵(WBG)是另一種適用于 多種集成微波光子信號(hào)處理功能的基礎(chǔ)器件結(jié)構(gòu), 同樣可以應(yīng)用在微波光子濾波器的系統(tǒng)中。

2014年,Burla等首先報(bào)道了利用硅基WBG實(shí)現(xiàn)的帶陷型微波光子濾波器。其中,WBG的器件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)如圖8(a)所示,采用多項(xiàng)目晶圓(Multi-Project Wafer,MPW)方式在歐洲IMEC機(jī)構(gòu)進(jìn)行器件加工。圖8(b)所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的濾波器頻率響應(yīng),其中心帶陷頻率可以在0~ 20GHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。同樣是基于硅基 WBG 結(jié)構(gòu),Zhang等利用硅基有源工藝對(duì)WBG波導(dǎo)進(jìn)行摻雜,從而可以通過硅載流子色散效應(yīng)快速調(diào)諧 WBG波導(dǎo)的有效折射率,實(shí)現(xiàn)了可編程式的多用途W(wǎng)BG,對(duì)于實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)型濾波器具有重要的參考價(jià)值。

硅基波導(dǎo)布拉格光柵的結(jié)構(gòu)緊湊,設(shè)計(jì)理論簡單成熟,且溫度敏感性相較于微環(huán)/微盤結(jié)構(gòu)更低, 是實(shí)現(xiàn)硅基微波光子濾波器的理想選擇之一。然 而,目前受硅波導(dǎo)刻蝕工藝所限,器件的設(shè)計(jì)性能與實(shí)際加工出來的性能存在較大差異,導(dǎo)致濾波器的濾波帶寬與抑制比較差。因此,不斷優(yōu)化器件的加 工工藝是未來發(fā)展的重要任務(wù)。

(a) WBG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(b) 基于 WBG的濾波器響應(yīng)

圖8 基于硅基 WBG的微波光子濾波器

3.3 基于硅基片上SBS效應(yīng)的濾波器

受激布里淵散射(SBS)是介質(zhì)中光波與聲波相 互作用所產(chǎn)生的一種非線性光學(xué)效應(yīng)。當(dāng)入射泵浦光功率較高時(shí),由光波產(chǎn)生的電磁伸縮效應(yīng)在介質(zhì)內(nèi)激發(fā)起前向傳播的聲波,入射光被聲波散射而產(chǎn)生后 向傳播的光波，稱為斯托克斯(Stokes)波。 SBS效應(yīng)由于線寬極窄、頻率穩(wěn)定等顯著優(yōu)勢(shì),成為實(shí)現(xiàn)超窄帶寬微波光子濾波器的最優(yōu)選擇之一,已 在硫系玻璃波導(dǎo)中得到了驗(yàn)證。硅材料的受激布里淵增益系數(shù)很小,相比硫系波導(dǎo),構(gòu)建出微波光 子濾波器系統(tǒng)的難度更大。不過,這一難題在2015 年被 Eggleton課題組率先攻克,他們提出了圖9所示的微波光子濾波器系統(tǒng)方案。首先,他們?cè)O(shè)計(jì) 了一種部分懸空的硅納米線波導(dǎo),這樣的結(jié)構(gòu)可以 增大硅波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)的束縛能力,從而抑制聲場(chǎng)從硅 波導(dǎo)到二氧化硅基底的泄露,增強(qiáng)了硅波導(dǎo)內(nèi)的聲 光相互作用,獲得了約1dB的 SBS增益。同時(shí),基 于3.2節(jié)提到的微波上下邊帶相減的方式,他們僅 利用這1dB的SBS增益實(shí)現(xiàn)了抑制比達(dá)48dB 的 帶陷型濾波,濾波帶寬為98MHz,是目前在硅基平 臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的最窄濾波器線寬。

圖9 基于硅基片上SBS效應(yīng)的濾波器

3.4 硅基單片集成濾波器

以上介紹的硅基相干型微波光子濾波器,僅無源的光濾波器部分實(shí)現(xiàn)了片上集成,系統(tǒng)中的激光 器、調(diào)制器和探測(cè)器部分仍采用的是分立器件,因而系統(tǒng)復(fù)雜度仍然較高。硅基集成工藝的飛速發(fā)展, 為實(shí)現(xiàn)單片集成硅基微波光子濾波器創(chuàng)造了可能。 2018年,加拿大多倫多大學(xué)的 Yao課題組報(bào)道了世 界上第一個(gè)硅基單片集成的微波光子濾波器,器 件結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示,包括一個(gè)相位調(diào)制器、一個(gè)熱調(diào)諧微盤和一個(gè)探測(cè) 器?；?PM-IM轉(zhuǎn)換效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了帶通型濾波響應(yīng),并可通過熱光效應(yīng)調(diào)諧 微盤諧振峰位置進(jìn)而改變?yōu)V波通帶的中心頻率。測(cè) 試結(jié)果如圖10(b)所示,3dB 濾波帶寬約為1.93GHz,濾波中心頻率在3~10GHz連續(xù)可調(diào)。 這項(xiàng)研究工作初步證明了硅基單片集成微波光子濾 波器的可行性,是推動(dòng)硅基微波光子濾波器向更高 集成度和實(shí)用化發(fā)展的重要一步。

然而該濾波器的性能指標(biāo),如濾波帶寬和頻率 調(diào)諧范圍均較差,與傳統(tǒng)電濾波器相比優(yōu)勢(shì)并不明 顯。此外,該濾波器僅能固定實(shí)現(xiàn)帶通濾波的功能。 為解決這些問題,我們課題組提出了圖10(c)所示的硅基單片集成的高性能、濾波響應(yīng)可切換的濾波 器。將一個(gè)雙驅(qū)動(dòng) MZ調(diào)制器、一個(gè)高Q 值微環(huán)和 一個(gè)探測(cè)器全部集成在單個(gè)硅芯片上,光源通過光 柵耦合器外部輸入。通過調(diào)節(jié) MZ調(diào)制器的直流偏 置點(diǎn),可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻輸入的不等幅雙邊帶調(diào)制 和等效相位調(diào)制,進(jìn)而分別得到帶通型濾波和帶阻 型濾波效果,如圖10(d)所示。相比 Yao課題組的 工作,我們通過優(yōu)化系統(tǒng)中調(diào)制器和探測(cè)器的工作帶寬,同時(shí)提升光濾波器的 Q 值,從而大幅度地提升了濾波器的濾波性能:帶阻/帶通濾波的中心頻率 調(diào)諧范圍為 3~25GHz/3~20GHz,濾波帶寬為 380~450MHz/390~470MHz。

(a) 硅基帶通濾波器的結(jié)構(gòu)

(b) 帶通濾波測(cè)試結(jié)果

(c) 硅基可切換型濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成與原理

(d) 可切換型濾波器的濾波測(cè)試結(jié)果

圖10 單片集成的硅基微波光子濾波器

4、總結(jié)與展望

表1列出了本文中所提及的具有代表性的硅基微波光子濾波器的研究結(jié)果,并對(duì)濾波性能進(jìn)行了 比較。可以看出,非相干型集成濾波器的相關(guān)研究較少,系統(tǒng)集成度不高,目前僅實(shí)現(xiàn)了單個(gè)器件的片上化,且性能與傳統(tǒng)分立系統(tǒng)相比仍存在較大差距。 因此,該類型的集成濾波器在未來仍有很大的研究 潛力和價(jià)值,重點(diǎn)需要在實(shí)現(xiàn)高效率多波長光源、多通道高精度波形整形器和低損耗高色散波導(dǎo)等極具挑戰(zhàn)性的研究方向進(jìn)行探索與突破。

 相干型濾波器由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)更簡單,已在濾波帶寬、調(diào)諧范圍、帶外抑制比等關(guān)鍵濾波指標(biāo)上 實(shí)現(xiàn)了較高的性能,達(dá)到了與分立系統(tǒng)或傳統(tǒng)電濾 波器相近的水平。同時(shí),在硅基平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)相干型 濾波器的單片集成也得到了初步驗(yàn)證。然而,硅基 微波光子濾波器要實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用,目前仍面臨諸 多難題:系統(tǒng)中的光源均未實(shí)現(xiàn)集成;濾波器系統(tǒng)鏈 路的光損耗較高,導(dǎo)致對(duì)輸入微波信號(hào)的電學(xué)插損 高;大部分研究僅在個(gè)別指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了高性能,例 如,基于硅SBS效應(yīng)的濾波器實(shí)現(xiàn)了最窄的濾波帶 寬,然而在調(diào)諧范圍和系統(tǒng)功耗方面則表現(xiàn)較差,尚 未有多項(xiàng)性能兼顧的集成濾波器報(bào)道。

為進(jìn)一步提升硅基微波光子濾波器的性能指標(biāo) 與集成度,滿足在實(shí)際微波系統(tǒng)中的應(yīng)用需求,未來 主要需要在以下幾個(gè)主要方向上努力:(1)面向微波 光子濾波器的系統(tǒng)需求,實(shí)現(xiàn)更高性能的核心功能 器件,包括高功率可集成硅基光源、高線性度低驅(qū)動(dòng) 電光調(diào)制器、低損耗高Q 值無源光濾波器及高功率 光電探測(cè)器;(2)基于硅基光電混合集成的工藝,實(shí) 現(xiàn)光芯片與線性電放大器、跨阻放大器等電芯片的 集成,提升濾波器系統(tǒng)的增益、噪聲系數(shù)等指標(biāo);(3) 形成完善成熟的硅基微波光子濾波器的封裝工藝, 解決管殼封裝、射頻封裝、芯片溫度反饋控制等重要 工程問題。

作者簡介:

陶源盛(1995-),男,河南人,2017年本科畢業(yè) 于電子科技大學(xué),現(xiàn)為博士研究生,主要研究方向?yàn)? 硅基微波光子學(xué); 王興軍(1976-),男,遼寧人,博士,教授,博士 生導(dǎo)師,教育部首批青年長江學(xué)者,教育部新世紀(jì)優(yōu) 秀人才,主要研究方向?yàn)楣怆娮蛹杉夹g(shù); 胡薇薇 (1963-)女,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主 要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)相控陣、毫米波光纖通信系統(tǒng)與 可見光通信。