基于薄膜铌酸锂的微波光子技术的进展

逍遥设计自动化 · 发表于 2025-3-13 08:00:00

引言

微波光子技术(MWP)已经成为下一代无线通信和雷达系统的关键技术。通过结合微波和光学领域的优势，微波光子技术提供了传统射频技术无法实现的高级信号处理能力。本文探讨了微波光子技术的最新突破，重点关注薄膜铌酸锂(TFLN)在创建高度集成、高性能和多功能微波光子线路方面的创新应用[1]。

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微波光子技术简介

传统射频(RF)滤波技术越来越难以满足未来通信系统的需求。这些系统需要大带宽、可编程性、多功能性，以及体积、重量和功耗的减少。集成微波光子滤波器利用光子元件固有的宽带和灵活调谐特性，结合现有的光子集成技术，为射频信号处理开辟了新路径。

近年来，集成微波光子线路取得了显著进展。然而，这些研究往往难以同时实现高集成度、多功能性和优异的射频指标，而这些对于实际射频应用至关重要。在微波光子系统中，电光调制器负责忠实的射频到光学转换，几乎所有挑战都源于这些调制器。
薄膜铌酸锂：理想平台

薄膜铌酸锂凭借其强大且线性的电光效应和低波导传播损耗，代表了高性能调制器和其他光学元件的理想平台。因此，薄膜铌酸锂非常适合制造集成微波光子线路，因为其提供了优异的电光性能并支持各种元件。

引用文献的突破性研究展示了一种高度可重构的薄膜铌酸锂微波光子线路，在紧凑的占用面积内实现了三种不同功能。通过在单一芯片上集成强度调制器和级联可编程微环谐振器，研究人员实现了：

具有高抑制比的可调谐陷波滤波器

通过抑制三阶互调失真(IMD3)增强无杂散动态范围(SFDR)

抑制频率与感兴趣信号非常接近的高功率干扰信号

该陷波滤波器可在20 GHz频率范围内调谐，并可在保持超过60 dB抑制比的同时在单波段和双波段操作之间切换。线性化方法抑制IMD3达34 dB，将陷波滤波器的SFDR提高到1 Hz中的110 dB。此外，频率与感兴趣信号非常接近的高功率干扰信号可以被抑制56 dB。
多功能微波光子线路架构

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图1：基于薄膜铌酸锂的多功能高性能集成微波光子线路。(a)结构图显示强度调制器和四个级联马赫-曾德干涉仪辅助微环谐振器。(b)芯片的显微镜图像和实验设置。(c)芯片的假彩色图像。(d-f)三种功能：双波段陷波滤波器、超高动态范围滤波器和大干扰抑制。

芯片的结构图如图1a所示。它由薄膜铌酸锂强度调制器和四个级联可编程微环谐振器组成。强度调制器将射频信号转换到光学域，调制边带由马赫-曾德干涉仪(MZI)辅助的微环谐振器处理，其耦合系数和谐振波长可通过热相移器调整。这构成了多功能能力的基础。

图1b显示了芯片的显微镜图像和实验设置。芯片采用边缘耦合结构，光通过透镜光纤耦合进出。插入损耗为14 dB，可通过设计专门的锥形结构来降低。

图1c是芯片的假彩色光学图像。调制器电极长1厘米，采用槽电极结构，在5 GHz时Vπ为3.5 V。微环谐振器的耦合区由3 dB方向耦合器和MZI组成，MZI臂上的加热器(灰色)作为相移器。通过精确控制施加到MZI臂上加热器的电压，每个微环谐振器可设置为特定的耦合状态。微环谐振器跑道区域中的加热器用于改变谐振位置。
可调谐陷波滤波器操作

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图2：可调谐微波光子陷波滤波器的操作方案。(a)实验设置显示光路径(红色)和电气路径(绿色)。(b)当扫描信号作为射频输入时不同阶段的光谱。(c)可从1.5 GHz调谐至21.5 GHz的高增益、超高抑制比陷波滤波器。(d)可调谐双波段陷波滤波器。

整个微波光子链路设置的示意图如图2a所示。研究人员通过使用两个具有不同耦合状态的环谐振器对两个调制边带进行相位和振幅整形，展示了超高消光微波光子陷波滤波器。这种滤波器操作的关键是相对于光载波对称地放置两个环谐振器，其中一个谐振处于过耦合状态，另一个处于欠耦合状态。这两个谐振需要具有相同的消光度。

在光电检测时，这些谐振中心的信号频率将创建破坏性射频干涉，导致超高滤波器消光。在实验中，使用矢量网络分析仪(VNA)生成的扫描信号作为射频输入。图2b说明了不同节点的光谱。光载波通过强度调制器后，产生两个同相位的调制边带，如节点II所示。

两个微环谐振器处理后的光谱如节点III所示。可以观察到，两个微环谐振器的谐振位置相对于光载波是对称的，其抑制比相同。两者的区别在于耦合状态，一个微环谐振器处于欠耦合状态，相移为0，另一个微环谐振器处于过耦合状态，相移为π。这满足了破坏性干涉的条件，导致超高抑制比。同时，未被微环谐振器处理的调制边带的其他部分仍然建设性地相加，确保系统具有高链路增益。

图2c展示了调制器在正交点工作时的可调谐陷波滤波器响应。最大链路增益为-7 dB，抑制比高达80 dB，3-dB带宽为1.3 GHz。该滤波器可从1.5 GHz连续调谐到21.5 GHz，调谐范围受微环谐振器的自由光谱范围(FSR)44 GHz限制。

此外，当调制器设置为在零点工作且其他两个微环谐振器打开时，输出光谱如节点V所示。基于前面提到的相同工作原理，实现了可调谐双波段陷波滤波器，可以在两个频率f1和f2工作，或调谐到一系列替代频率对，最大链路增益为0 dB，抑制比高达60 dB，如图2d所示。
高动态范围线性化

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图3：超高动态范围射频陷波滤波器。(a)线性化时光载波(红色)和微环谐振器响应(蓝色)的位置。(b)18 GHz射频信号的滤波结果。(c)双音测试的射频输出，显示IMD3减少34 dB。(d)SFDR提高到110 dB的测量结果。(e)不同频率下的IMD3抑制和SFDR。

当两个不同频率的射频信号输入到微波光子系统中时，会产生互调失真(IMD)，限制系统的动态范围。研究人员利用微环谐振器的响应整形光载波，从而抑制三阶互调失真(IMD3)并提高无杂散动态范围(SFDR)。

实现超高动态范围陷波滤波器时，光载波与微环谐振峰之间的相对位置如图3a所示。这一结果是从光谱分析仪(OSA)获得的，对应于图2a中节点IV的光谱。

具有相同抑制比的过耦合和欠耦合微环谐振器的响应对称分布在光载波周围，实现滤波功能。滤波结果如图3b所示，红色曲线表示无滤波的射频输出，蓝色曲线表示经过滤波的射频输出。同时，使用第三个过耦合微环谐振器处理光载波。在特定条件下，成功抑制了IMD3。

在线性化演示中，使用由两个信号发生器生成的双音射频信号作为输入，调制器在正交点工作。图3c说明了双音测试的射频输出。可以看到，线性化后，IMD3被抑制了34 dB。

从图3d可以看出，系统中噪声功率谱密度为-146.5 dBm/Hz，未线性化时SFDR为101 dB (1 Hz)，线性化后提高到110 dB (1 Hz)。此外，可以观察到，线性化后，由于IMD3的严重抑制，IMD项的斜率发生了变化，先前不明显的五阶互调信号开始影响输出结果。

为进一步表征所提出的线性化方案的性能，研究团队在不同频率下扩展了IMD3抑制和SFDR的测试，如图3e所示。结果表明在每个频率点都成功实现了线性化和IMD3抑制。
大干扰信号抑制

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图4：大干扰信号抑制。(a)实验设置。(b)不同阶段的射频输入/输出和光谱。(c)未抑制时的射频输出，显示大干扰信号。(d)抑制后的射频输出，保留了感兴趣的信号。(e)调制大干扰信号的抑制。

在实际应用中，射频接收前端可能会遇到高功率射频信号的干扰。当感兴趣信号与干扰信号的频率非常接近时，需要超高分辨率的滤波器来消除干扰。然而，实现极高分辨率的微波光子滤波器是一个重大挑战。

图4a展示了大干扰信号抑制的实验设置。图4b显示了不同节点的射频和光谱。当输入高功率射频信号时，会产生如节点II所示的高阶调制边带。研究人员利用微环谐振器的响应处理这些高阶边带，如节点III所示的光谱。

通过精确控制整形高阶边带的微环谐振器，在特定条件下可以抑制高功率干扰信号。感兴趣的低功率信号保持不变，因为它不产生高阶调制边带。

在这项演示中，调制器在正交点工作，干扰信号的输入功率设置为23 dBm，感兴趣信号的输入功率为-24 dBm。两个信号之间的频率间隔为5 MHz，这是一个极窄的间隔，几乎没有现有的微波光子线路能够识别。

图4c显示了未抑制的射频输出，图4d显示了抑制后的射频输出。可以观察到，只有高功率信号被抑制，抑制比为56 dB。请注意，这种大信号抑制机制基于高阶调制效应，需要最小输入射频信号强度才能正常工作。对于所使用的特定薄膜铌酸锂调制器，计算得到可有效抑制的最小射频信号强度为20.2 dBm。

为了更好地模拟实际雷达系统场景并展示系统的稳健性，研究人员扩展了实验以测试调制高功率干扰信号的抑制。使用任意波形发生器产生多音信号来模拟调制。图4e说明了抑制前后的射频输出，红色曲线表示未抑制的射频输出，蓝色曲线显示抑制后的射频输出。可以观察到，高功率干扰信号被抑制41 dB，而低功率信号的抑制较少。
与最先进技术的比较

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表1：不同材料平台的集成微波光子线路性能比较，显示了基于薄膜铌酸锂实现的优越性能指标。

表1总结了最先进的集成微波光子线路的性能。在过去几年中，基于SOI平台的微波光子线路研究成功地将调制器与微环谐振器或SBS螺旋线集成。然而，这些工作忽略了射频性能的改进，系统动态范围通常低于100 dB Hz2/3。此外，SOI调制器相对较低的电光转换效率限制了系统链路增益和噪声系数。

现有的基于薄膜铌酸锂的工作首次展示了高度集成、先进功能和高射频性能指标。具有1.5-21.5 GHz的调谐范围、1300/5 MHz的分辨率、-7.2 dB的增益、34.7 dB的噪声系数和110 dB Hz2/3的SFDR，在几个关键指标上优于以前的实现。
结论和未来工作

基于薄膜铌酸锂强度调制器和级联微环谐振器的可编程微波光子线路展示了其多功能性，包括高链路增益、超高动态范围、超高抑制比陷波滤波器，以及双波段陷波滤波器和大干扰信号抑制。

这项工作标志着在薄膜铌酸锂平台上首次展示多功能微波光子线路。展望未来，可以采用几种策略进一步增强系统性能：

设计锥形结构以减少光纤与薄膜铌酸锂波导之间的耦合损耗，改善噪声系数

开发薄膜铌酸锂波导放大器，实现高链路增益而不依赖外部掺铒光纤放大器(EDFA)

利用电光效应更精确地控制微环谐振器响应，进一步改进线性化性能

通过探索片上光电探测器集成，推进薄膜铌酸锂平台的集成水平

这些进展对于微波光子技术在实际通信和雷达系统中的应用具有重大突破，推动了其在实际应用中的广泛部署。
参考文献

[1] C. Wei et al., "Programmable multifunctional integrated microwave photonic circuit on thin-film lithium niobate," Nature Communications, vol. 16, no. 2281, pp. 1-8, Mar. 2025, doi: 10.1038/s41467-025-57441-1.
END

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