基于硅基集成的可重構(gòu)微波光子前端

霍元東 于鴻晨 陳明華

摘要：針對(duì)下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)需求提出了一種基于硅基集成的微波光子前端，它可以實(shí)現(xiàn)多波段、可重構(gòu)和軟件定義的微波光子信號(hào)處理。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種微波光子前端芯片，并初步測(cè)試了其性能，它可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧上下變頻和微波信號(hào)處理功能。

硅基集成；微波光子；射頻前端

On account of the next-generation wireless communication networks， a microwave photonic front end based on silicon integration is proposed. It has the advantages of broad operating bandwidth， reconfigurability and software-defining on microwave photonic signal processing. A microwave photonic frontends chip is proposed and its performance is preliminarily tested， which contains the signal processing units of the up/down-conversion， phase shifting and filtering.

silicon photonics； microwave photonic； radio frequency （RF） frontend

隨著5G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)逐步走向應(yīng)用，下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)微波前端提出了更高要求，包括更高頻點(diǎn)的采用、多波束指向和適用多種調(diào)制格式，甚至要求實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)無(wú)線資源協(xié)同。這主要體現(xiàn)在需要一種可以實(shí)現(xiàn)多波段、可重構(gòu)和軟件定義的微波前端，且工作波段向微波毫米波段擴(kuò)展。在這種發(fā)展態(tài)勢(shì)下，大頻率覆蓋范圍的微波前端在下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、軟件無(wú)線電和寬帶泛在無(wú)線接入與感知等方面將有重要應(yīng)用。

對(duì)頻率范圍從1 GHz到幾十吉赫茲的微波信號(hào)進(jìn)行處理是相當(dāng)困難的，甚至在機(jī)理上也是不現(xiàn)實(shí)的。這是因?yàn)? GHz波段和20～60 GHz波段使用的電子元件是截然不同的，很難實(shí)現(xiàn)跨多波段的可調(diào)諧與可重構(gòu)的微波信號(hào)處理。同時(shí)，射頻前端的動(dòng)態(tài)范圍也是限制無(wú)線系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高的重要因素之一。受限于模擬信號(hào)處理所依托的電子元器件的機(jī)理性限制，在可預(yù)見的未來(lái)，采用電子信號(hào)處理技術(shù)的射頻前端很難實(shí)現(xiàn)頻率從1 GHz到幾十吉赫茲的微波信號(hào)處理。

微波光子技術(shù)是在光域上處理微波信號(hào)的前沿光電子技術(shù)，它為解決以上技術(shù)難題提供了新的思路[1]：首先，常用的1 550 nm光波長(zhǎng)處1 nm帶寬約125 GHz，已足以覆蓋全波段微波波段，從而實(shí)現(xiàn)全波段可調(diào)諧微波光子信號(hào)處理；其次，光波頻率比微波頻率高3～4量級(jí)，利用光生微波技術(shù)較容易實(shí)現(xiàn)微波與毫米波信號(hào)；再次，光域上可以實(shí)現(xiàn)超低損耗的超寬帶真時(shí)延，有利于微波信號(hào)的相參處理；最后，微波光子技術(shù)其潛在的高線性特征有助于構(gòu)建大動(dòng)態(tài)范圍的微波光子系統(tǒng)。因此，基于微波光子技術(shù)，微波光子前端可以在全波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶、多波段可調(diào)諧與可重構(gòu)信號(hào)處理，且具有可預(yù)見大動(dòng)態(tài)范圍和抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)。但是，目前的研究方案多基于分立器件實(shí)現(xiàn)，器件尺寸大、魯棒性差，離實(shí)用尚有較大的距離。另一方面，隨著光子集成技術(shù)的逐步成熟，美國(guó)、中國(guó)等國(guó)的研究者各自在相關(guān)科研計(jì)劃的支持下開始從事微波光子器件與功能模塊的集成化研究[2-6]。具有小體積、高可靠性與低成本的微波光子集成微系統(tǒng)是滿足微波光子學(xué)實(shí)際應(yīng)用的重要手段，體現(xiàn)出微波光子學(xué)研究向這一新方向的聚集，并將在未來(lái)5G 和下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中扮演重要角色。

1 硅基集成微波光子前端

功能架構(gòu)

硅基集成的微波光子前端是采用光域多波段、廣覆蓋的微波模擬信號(hào)處理方法并基于硅基光子加工手段構(gòu)成多波段、高線性與可重構(gòu)的微波光子前端片上系統(tǒng)。

微波光子前端主要包括光源、電光調(diào)制器、高精細(xì)度光信號(hào)處理器以及光電探測(cè)器。其中，除光源提供相干光波外，其他所有功能器件均將集成于絕緣襯底上的硅（SOI）芯片上構(gòu)成微波光子前端片上系統(tǒng)。我們?cè)O(shè)計(jì)的基于硅基集成的微波光子前端芯片的結(jié)構(gòu)功能框圖如圖1所示，其中紫色方框內(nèi)即是項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的硅基集成微波光子處理芯片，它將完成微波光子前端信號(hào)處理的所有功能，包括跨波段、可調(diào)諧微波光子信號(hào)處理，微波光子寬帶上下變頻，微波光子本振頻率綜合和相移控制。在圖中上半部分為微波光子接收單元，其功能是可調(diào)諧接收跨波段的微波信號(hào)，并將其下變頻為中頻信號(hào)；下半部分為微波光子發(fā)射單元，它將電中頻信號(hào)上變頻為微波信號(hào)，作為微波光子前端的射頻輸出。下面將分別說(shuō)明2個(gè)微波光子集成系統(tǒng)單元。

（1）微波光子信號(hào)接收端

輸入的微波信號(hào)經(jīng)過(guò)高速硅基光子相位調(diào)制器后轉(zhuǎn)化為光域微波信號(hào)，然后由微環(huán)構(gòu)成的微波光子無(wú)限沖激響應(yīng)IIR處理器進(jìn)行處理；該路光域微波信號(hào)再與另一路光子本振信號(hào)共同注入波導(dǎo)型光電鍺平衡探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)微波光子信號(hào)的下變頻，得到的中頻信號(hào)進(jìn)入電處理模塊進(jìn)行處理。由圖1可知：集成單元包括光束分波、光相位調(diào)制、微環(huán)可調(diào)諧濾波、光束合波單元和平衡探測(cè)單元，它們一起構(gòu)成了可調(diào)諧微波光子前端功能單元。利用光域信號(hào)處理大帶寬的特性，微波光子前端處理跨多個(gè)微波波段的微波信號(hào)。本項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)2～40 GHz微波信號(hào)的可調(diào)諧光子處理，這就意味著該集成單元可以工作在S、C、X、Ku、K和Ka 6個(gè)波段，這是傳統(tǒng)的微波前端很難實(shí)現(xiàn)的。

（2）微波光子信號(hào)發(fā)送端

該單元將由電處理模塊產(chǎn)生的中頻信號(hào)通過(guò)光相位調(diào)制器轉(zhuǎn)換為光域微波信號(hào)，然后與另一路光子本振信號(hào)同時(shí)注入基于波導(dǎo)的波導(dǎo)型鍺光電平衡探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的上變頻，并作為微波光子前端的射頻輸出。同樣，它可以實(shí)現(xiàn)S、C、X、Ku、K和Ka 6個(gè)波段可調(diào)諧微波信號(hào)的輸出。