光子 IC 为微波信号带来高性能可重构滤波

使用创新的光子学拓扑，研究人员开发了一种具有超宽动态范围和低噪声的集成微波滤波器。

通过本文，您将可以了解到：

• 光子学如何提供高性能射频滤波。

• 用于实现原理的光子学拓扑。

• 各种性能测试的结果。

乍一看，电子电路/RF 世界和光子设备世界似乎是两个截然不同的环境。但事实并非如此，许多光子器件正在微波 RF 应用中发挥作用。

微波光子学 (MWP) 是一个跨学科研究领域，它开发使用光学元件生成、处理和分配射频/微波信号的技术。虽然已经开发了许多集成的 MWP 功能，例如滤波器、移相器、延迟线和波束成形，但这些电路需要在损耗、噪声系数和动态范围方面表现出先进的可重构性和高 RF 性能才能可行在实际射频应用中。

Twente 大学（荷兰恩斯赫德）的一个研究团队开发了一种可编程的集成 MWP 电路，具有高集成度、多功能可重构性和令人印象深刻的 RF 性能。他们创建了具有创纪录的低噪声系数的可重构滤波器功能和具有超高动态范围的 RF 陷波滤波器。

MT 和 DI-RR

他们使用全集成调制变压器 (MT) 和双注入环形谐振器 (DI-RR) 作为多功能光学过滤组件实现的多功能、复杂的频谱定制来实现这一点（图 1 ）。该团队还引入了两种增强 RF 性能的技术：光载波抑制和低偏置 Mach Zehnder 调制器。

1.超高动态范围可编程集成MWP电路：该电路包含一个多功能调制变压器（MT）以独立调整光调制频谱的相位和幅度以及一个双注入环形谐振器（DI-RR）合成各种响应，包括可编程射频滤波器。MT 和 DI-RR 的组合还允许通过低偏置和载波抑制技术消除互调失真 (IMD) 和噪声系数 (NF) 来实现线性化，从而实现超高动态范围。（SFDR：无寄生动态范围）

MT 可以独立调整任何输入光调制频谱的相位和幅度，并将频谱转换为不同的输出光调制（图 2）。DI-RR 能够从单个输出合成六个不同的响应；使用新电路提出了四种不同的概念验证方案。

2.调制变换器（MT）的工作原理：频谱解交织器用于将一个边带与光载波和另一边带隔离开来。级联可调衰减器和移相器用于调整隔离边带的相位和幅度。结合光载波和未处理的边带，可实现多种光谱整形，合成多种调制格式，例如单边带 (SSB) 调制、相位调制和任意调制。（INT：频谱解交织器，TA：可调衰减器，PS：移相器）

结合 MT 和 DI-RR 的电路合成了具有高 RF 性能的 MWP 带阻带通可重构滤波器。MWP 带阻/陷波滤波器具有 58 dB 抑制和 10 dB 射频增益和 15 dB 噪声系数 (NF)。通过适当的调谐，该滤波器可以重新配置为具有 20 dB 抑制、1.2 dB RF 增益和 21.8 dB NF 的 MWP 带通滤波器。

这些结果表明，新电路具有通用的滤波功能以及卓越的射频性能。然而，尽管取得了这些成就，新电路的滤波器带宽仍处于数百 MHz 的数量级，这对于某些 RF 应用来说是不够的。

使用 SBS 提高带宽

为了克服这一挑战并创建具有窄带宽的 MWP 滤波器，系统中引入了一种称为受激布里渊散射 (SBS) 的非线性光学效应。SBS 是光学介质中的三阶非线性特性，它是由光波和声波在波导中的相互作用产生的。

因此，在接下来的电路设计中，在系统中添加了能够感应 SBS 的螺旋波导。与 MT 和 DI-RR 一起，这个新电路旨在创建一个可编程的 MWP 布里渊滤波器，它具有可重新配置的窄带宽和高 RF 性能。

波导是使用标准光子 IC 工艺制造的。首先，在高于 1000°C 的温度下，通过湿法热氧化单晶硅衬底生长SiO 2层。然后将低压化学气相沉积 (LPCVD) 用于 Si 3 N 4层，同时将气体原硅酸四乙酯 (TEOS) 用于中间 SiO 2层。随后，使用接触光刻对波导进行图案化，并使用干法蚀刻进行处理。最后，通过 LPCVD TEOS 在波导上覆盖一层额外的 SiO 2层。

检测结果

核心 MT 和 DI-RR 的性能根据广泛的相关因素进行了评估（图 3）。

3.可编程集成 MWP 电路：(a) 带有轮廓波导引线的可编程光子芯片的光学图像，包含一个调制变压器 (MT) 和一个双注入环形谐振器 (DI-RR)。MT 包含一个频谱解交织器，用于将一个 RF 边带与整个调制频谱隔离开来。移相器和可调谐耦合器用于控制隔离边带的相位和幅度。调制变换是在输出端重组后实现的。(b) 使用具有 IM 输入的 MT 实现的具有 62 dB 消光的强度相位调制 (IMPM) 转换的实验结果。(c) 测得的具有 64 dB 消光的相位强度调制 (PMIM) 转换，使用带有 PM 输入的 MT 实现。DI-RR 电路用于合成多个滤波器功能。(dg) 模拟（蓝线）和测量（黑线）选择的氮化硅 DI-RR 的响应，当调谐以展示陷波滤波器 (d)、带通滤波器 (e)、类 fano 响应 (f) 和所有- 通过响应 (g)。[注意：“fano 响应”是一种导致不对称线形的共振散射现象。]

端到端性能还针对许多参数进行了表征，包括（但不限于）在各种双音频率下的无杂散动态范围 (SFDR) 测量以及 12 GHz 的陷波响应（图 4 ）。

4.在 12 GHz 处具有陷波响应的各种双音频率下的无杂散动态范围 (SFDR) 测量：(a) 8 GHz 处的 SFDR，(b) 9 GHz 处的 SFDR，(c) 10 GHz 处的 SFDR，(d ) 16 GHz 时的 SFDR。（IMD3：三阶互调失真，IMD5：五阶互调失真）

该研究的作者之一 David Marpaung 教授这样总结道：“解决噪声系数和动态范围问题是微波光子学中最艰巨的挑战之一。这一突破证明集成微波光子学确实可以实现非常高的性能。”

他们在NatureCommunications上发表的长达八页的论文“Ultrahigh dynamicrange and low noise figure programmable integrated microwave photonic filter”详细介绍了这项工作。它由一份 16 页的补充信息文件提供支持，该文件包含关于设计、制造、方程式、分析和测试结果的更多详细信息。

论坛地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35485-x.pdf