利用光电子集成技术提升卫星通信能力

逍遥设计自动化

引言
随着数据传输需求持续增长，卫星通信行业面临着巨大挑战。传统卫星采用固定的信号处理能力，已无法满足现代通信需求。通过LioniX International与欧洲航天局(ESA)的合作，可重构的微波光电子模块应运而生，该技术将改变卫星通信的处理方式[1]。
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现代卫星通信的挑战
0 X8 _, U8 a. o: a0 h3 j. B0 k在当今的通信领域中，卫星在全球连接中发挥着核心作用。然而，传统卫星存在显著局限性。每颗卫星发射时都预设了特定的信号处理电子线路，一旦进入轨道就无法修改这些设置。这种固定性意味着当出现新的处理需求时，唯一的解决方案就是发射配备不同功能的新卫星。

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图1：卫星通信信号处理的基本组件示意图，包括上行和下行路径的信号处理元件。
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1 a. ]3 r8 A/ N9 K, x% {$ c这种方法产生了多个问题。发射多颗卫星的财务和材料成本巨大。此外，不断增加的卫星数量加剧了太空碎片问题，可能引发专家所说的碰撞级联效应——即碎片碰撞造成更多碰撞风险。同时，不断增加的卫星也会干扰天文研究，遮挡太空观测视野。

创新技术：光电子集成助力灵活通信
LioniX International利用集成微波光电子技术(iMWP)解决这些挑战。该技术通过光电子集成芯片实现高频和宽带电子信号的生成、分配、处理和分析。与传统电子系统相比具有多项优势：
+ r8 X) N. K$ P- q2 l不受电磁干扰和串扰影响
性能和稳定性更高
体积、重量和功耗更低
模拟器件具有新颖功能
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图2：4通道(DE)MUX滤波器模块的示意图，展示了用于信号处理的CROW和格线滤波器的复杂设计。

系统的核心是一个光电子集成芯片驱动的(DE)MUX滤波器模块，可实现多通道的复用和解复用，带宽和中心频率均可重构。这项创新是ThoRmux项目的一部分，由ESA、Sener Aerospace和马德里查理三世大学共同开发。

技术实现
2 Y) ?/ U0 w8 a系统采用LioniX的超低损耗氮化硅平台TriPleX，实现了整体光电子集成芯片模块方案。该模块在电子射频系统中通过以下操作链工作：

载波信号的光生成

调制以将射频信号上变频并编码为光信号

特定应用的滤波操作

将光信号转换回射频信号
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% o" y! ?1 ~. d8 Z( D图3：ThoRmux模块的特写视图，显示中央1:4分路器和CROW滤波器，周围是aMZI格线组件，通过线键连接到PCB。
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DEMUX模块通过复杂的滤波系统处理承载四个射频通道的宽带信号。采用两类滤波器：

1. 基于CROW的滤波器：作为主要带通滤波器，选择每个通道的中心频率并调节带宽。滤波器在1550 nm工作，自由谱范围约为2.5 GHz。
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2. aMZI格线滤波器：作为FSR扩展器，抑制寄生通带并将FSR扩展到约10 GHz。
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图4：4通道DEMUX滤波器在不同带宽配置下的模拟频谱响应。

性能和规格
完整系统展现出优异的规格：
- T- J# W" F$ l+ c尺寸：129 mm × 135 mm × 5 mm
总光路长度：接近4米
PZT调谐元件数量：318个
" [2 Z4 E, B  O5 {* `功耗：整个模块低于320 μW
: U9 E$ T: N% o0 a0 Q% N, N可调带宽范围：125 MHz至1 GHz
通道间隔能力：高达2 GHz

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图5：模拟CROW滤波器功率响应，展示了各通道不同频率的调谐能力。
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& f6 ?% B3 p! G早期模拟研究显示了滤波器频谱响应的良好结果，通过调节CROW滤波器八个微环谐振器之间的功率耦合系数，实现了灵活的带宽可重构性。系统可以在Ka、Q和V射频频段独立调节每个通道的中心频率和带宽。

1 G' Y$ F3 F( L0 \3 N- s' p制造挑战与解决方案
创建这种复杂模块需要克服多个工程挑战：
) h6 H# u9 l. I* C1 S实现4米光路长度的超低损耗波导
, \+ P; j; [; T9 W( K! e包含可重构要求的复杂线路设计
仔细考虑执行器与控制电子器件的连接
跨多个光罩的精确芯片制造
, M7 ~; ]% M8 D+ D7 [) B7 y: I光纤阵列集成和线键合的专门组装工艺

项目的成功表明光电子集成芯片技术已经成熟，可以部署在卫星通信等要求严苛的应用中。初步测试结果与模拟相符，显示该技术在空间应用方面具有良好发展潜力。
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这项创新代表着卫星通信的进步，提供了兼具高性能和灵活性的解决方案，同时解决了卫星增多和太空碎片的问题。随着技术不断成熟，这种方法可能成为下一代卫星通信系统的标准方案。
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3 a/ b, f: j; h0 r该模块的成功开发不仅展示了光电子集成在空间应用中的潜力，证明了光电子集成芯片技术已经发展到可以解决各行业复杂挑战的水平，在塑造下一代卫星通信基础设施方面发挥关键作用。

; p; o+ L$ l: U  o- W4 g参考文献
[1] S. Al-Obaidi, C. Mitsolidou, and I. Mateciuc, "Boosting satellite networks with flexible microwave photonics," PIC Magazine, vol. 14, no. 4, pp. 14-18, 2024.
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