集成微波光子技術(shù)的現(xiàn)狀及其宇航應(yīng)用淺析①

王楊婧，姜 威，譚慶貴，謝擁軍

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

0 引言

微波光子(MWP：Microwave photonics)將射頻工程和光電子技術(shù)相融合[1]，利用光子大帶寬、可調(diào)諧、抗電磁干擾等優(yōu)異特性，一方面可以實(shí)現(xiàn)直接在射頻領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)起來(lái)復(fù)雜或根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，另一方面采用微波工程中使用的各種技術(shù)來(lái)改善光子通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的性能，為現(xiàn)有的光電通信技術(shù)創(chuàng)造了新的機(jī)遇。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，微波光子技術(shù)己經(jīng)在很多領(lǐng)域，如在雷達(dá)系統(tǒng)[2]、光控相控陣天線[3]、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)[4]、ROF系統(tǒng)[5]等方面獲得了一定程度的應(yīng)用。由于微波光子技術(shù)具有低損耗、大帶寬、強(qiáng)抗干擾能力和高保密性等優(yōu)點(diǎn)，在空間載荷中同樣具有重要的應(yīng)用前景。歐空局2017年發(fā)射了Amazonas-5通信衛(wèi)星[6]，在該衛(wèi)星上搭載了Ka波段微波光子交換轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)驗(yàn)載荷，實(shí)現(xiàn)了微波光子變頻、微波光子本振饋送、微波光子轉(zhuǎn)發(fā)等功能。以微波光子技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化高通量衛(wèi)星載荷技術(shù)[7]，可將現(xiàn)有的通信容量提高上百倍，或?qū)⒊蔀槲磥?lái)衛(wèi)星通信的重要支撐技術(shù)，有望構(gòu)建未來(lái)的6G或7G系統(tǒng)。

然而，傳統(tǒng)的MWP系統(tǒng)和鏈路幾乎完全依賴于分立的光電子器件、標(biāo)準(zhǔn)光纖以及基于光纖的元件，逐漸顯現(xiàn)出了其價(jià)格昂貴、功耗高、可靠性及穩(wěn)定性低等缺點(diǎn)[8]。因此，將MWP組件/子系統(tǒng)納入集成光子電路，降低系統(tǒng)成本、尺寸、功耗，增加系統(tǒng)的可調(diào)諧、可編程、機(jī)械抗性及電磁抗等，這對(duì)實(shí)現(xiàn)低成本和高級(jí)模擬光學(xué)前端至關(guān)重要，這一要求衍生出新的研究方向：集成微波光子(IMWP：Integrated microwave photonics)[9]，即芯片化與集成化的微波光子技術(shù)。IMWP的概念被提出不久后，很快就產(chǎn)生了深刻的影響，并且隨著高性能的有源(如：激光器[10]、調(diào)制器[11]、探測(cè)器[10]等)和無(wú)源(如：光復(fù)用/解復(fù)用器[15]、可調(diào)光衰減器[10]、光子濾波器[15]、分路器/合路器[15]等)半導(dǎo)體集成光子電路(PIC：Photonic Integrated Circuit)技術(shù)持續(xù)發(fā)展，集成微波光子技術(shù)開始逐步進(jìn)入航空、航天等應(yīng)用領(lǐng)域[15-24]。

早在21世紀(jì)初，歐空局(ESA)與法國(guó)國(guó)家太空研究中心(CNES)，通過(guò)微波光子射頻前端驗(yàn)證了Ka/L光變頻技術(shù)，其系統(tǒng)組成如圖1(a)所示[23]，光子鏈路由分立的光/電子模塊構(gòu)建、并依賴光纖實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；隨著IMWP技術(shù)的迅猛發(fā)展，載荷系統(tǒng)的光子鏈路可實(shí)現(xiàn)更高度的集成，ESA的EPFC ARTES-5.1項(xiàng)目研究了基于PIC的Ka/L微波光子下變頻器，其核心光子鏈路部分為采用了異質(zhì)集成PIC芯片(如圖1(b)所示[24])，傳統(tǒng)方案中的光纖及多個(gè)模塊由多功能PIC芯片替代。相比之下，IMWP技術(shù)為新一代載荷系統(tǒng)提供了更緊湊、更節(jié)能和更輕量的解決方案。

(a)微波光子射頻前端 (b)集成微波光子變頻PIC

本文以IMWP技術(shù)的宇航應(yīng)用需求為背景，介紹了IMWP芯片和封裝技術(shù)目前的最新進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 集成光子技術(shù)

IMWP芯片的核心技術(shù)是集成光子半導(dǎo)體芯片，一方面，使用單一材料(單片)或多材料(混合或異質(zhì)集成)的PIC半導(dǎo)體芯片技術(shù)取得了重大進(jìn)步，使得IMWP系統(tǒng)的所有關(guān)鍵組件可以集成在單個(gè)芯片中；另一方面，基于PIC的IMWP系統(tǒng)，可以顯著減少M(fèi)WP系統(tǒng)的尺寸、降低系統(tǒng)復(fù)雜性，使其與RF電路相比更具優(yōu)勢(shì)。近幾年，關(guān)于集成微波光子技術(shù)[1，8，9，23-27]與集成光子技術(shù)[28-38]的綜述性文獻(xiàn)大量涌現(xiàn)，主要圍繞集成材料平臺(tái)及應(yīng)用兩方面進(jìn)行論述，然而大量的工作仍然停留在實(shí)驗(yàn)室或商用階段。

PIC半導(dǎo)體芯片按照功能可分為有源和無(wú)源兩大類，有源集成的材料平臺(tái)有：磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs)等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體、鈮酸鋰(LiNbO3)晶體等；無(wú)源集成的材料平臺(tái)有：石英基平面光波導(dǎo)(PLC)、絕緣襯底硅(SOI)、二氧化硅/硅(SiO2/Si)、氮氧化硅/二氧化硅(Si3N4/SiO2)、聚合物等。其中：

InP是有源集成光子技術(shù)應(yīng)用最廣泛的材料平臺(tái)，以砷化鎵(GaAs)/磷砷化銦鎵(InGaAsP)/InP等直接帶隙半導(dǎo)體Ⅲ-Ⅴ族材料為基礎(chǔ)，具有光發(fā)射、調(diào)制、放大和探測(cè)等功能，以InP為襯底的光子技術(shù)發(fā)展最早且在光通信領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用較為成功[27-29]，近些年來(lái)隨著空間激光終端的成功應(yīng)用，以InP為襯底的半導(dǎo)體激光器單功能芯片也獲得了宇航應(yīng)用；

LiNbO3晶體具有較好的電光調(diào)制特性，作為光電調(diào)制器已有幾十年的歷史[11]，且LiNbO3晶體的宇航應(yīng)用可以追溯到上世紀(jì)，在NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)/ESA地球監(jiān)測(cè)任務(wù)(AIR-C、ERS1、SAR-X、SEASAT)的SAR合成孔徑雷達(dá)與遙感任務(wù)[32]中獲得應(yīng)用；

石英基PLC由于其極低的傳輸損耗特性(最優(yōu)可達(dá)1550 nm波長(zhǎng)的傳播損耗僅0.85 dB/m)而倍受青睞，被廣泛應(yīng)用于波分復(fù)用(WDM)傳輸和光纖到戶(FTTH)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件中[9]，PLC無(wú)源光波導(dǎo)因發(fā)展較早且技術(shù)成熟，已獲得宇航應(yīng)用[39]，然而，由于光波導(dǎo)彎曲半徑較大、集成度很低，進(jìn)一步發(fā)展的潛力較??；

硅基PIC技術(shù)從20世紀(jì)80年代中期理論與模型建立開始就備受青睞，目前已發(fā)展成為一個(gè)單獨(dú)的學(xué)科：硅光子學(xué)(SiPh)，是一種基于COMS硅光子學(xué)的低成本、高速率的光通信技術(shù)[40，41]，目前在IBM、Intel等IT巨頭的推動(dòng)下，商業(yè)化的數(shù)字應(yīng)用較為成功，其宇航應(yīng)用正在探索之中；

氮化硅(Si3N4)光波導(dǎo)因具有芯包層折射率差大、器件尺寸小、與CMOS工藝相兼容[42]，并且比基于SOI襯底的損耗更低(Si光波導(dǎo)損耗一般≥1 dB/cm，Si3N4光波導(dǎo)損耗≤0.4 dB/cm)[43]，因此，Si3N4更適合在IMWP芯片中應(yīng)用，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻模擬信號(hào)的低插入損耗需求。

近年來(lái)，隨著PIC技術(shù)的不斷成熟，逐漸涌現(xiàn)出了一些可大規(guī)模集成、性能優(yōu)越、且具有宇航應(yīng)用潛力的集成光子技術(shù)，如表1所示。

表1 具有宇航應(yīng)用潛力的PIC技術(shù)

與集成電子電路(IC：Integrated Circuit)一樣，PIC技術(shù)的宇航應(yīng)用，需要兼顧性能、壽命、可靠性與抗輻照等多項(xiàng)綜合因素。在美國(guó)NASA的2016年科技報(bào)告中，Alt. Shannon[46]對(duì)PIC技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用、特別是可靠性與抗輻照性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)異質(zhì)集成芯片的封裝類型會(huì)影響輻照結(jié)果，并且InP和Si基PIC設(shè)備在高能物理測(cè)試環(huán)境中(如歐洲核子研究中心的量子對(duì)撞機(jī))可以觀察到性能退化。

但是，值得注意的是，根據(jù)2019年Michael Krainak等人[33]的報(bào)道，NASA資助研制的混合集成石墨烯-Si高速光電探測(cè)芯片，在Si襯底上集成了石墨烯、SiO2和摻雜PIN結(jié)光電二極管，可實(shí)現(xiàn)高速(>50 GHz)同時(shí)尋址和低噪聲(40 GHz調(diào)制速度下的信噪比>50 dB)運(yùn)行，如圖2所示，該有源硅光子器件已于2019年在國(guó)際空間站通過(guò)了抗輻照測(cè)試，并準(zhǔn)備在近地軌道國(guó)際空間站上進(jìn)行6個(gè)月的穩(wěn)定性測(cè)試。

(a)原理圖 (b)等效電路圖

(c)信噪比(40 GHz) (d)抗輻射測(cè)試

因此可以推斷，美國(guó)NASA或已通過(guò)某種方式在Si基PIC芯片的抗輻照問(wèn)題上有了進(jìn)展，并且與宇航應(yīng)用相關(guān)的高低溫性能、空間壽命、可靠性等問(wèn)題也有了保障措施，未來(lái)可能牽引全球宇航級(jí)PIC芯片技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，并推動(dòng)IMWP技術(shù)的宇航應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能、更輕量化和更高集成度的高通量衛(wèi)星通信。

目前為止，國(guó)內(nèi)PIC技術(shù)的發(fā)展非常緩慢，僅有幾個(gè)小型的石英基PLC和Si基PIC流片線，均為商用服務(wù)且工藝能力有限，近期只可能是集成無(wú)源PLC或PIC的一些宇航應(yīng)用與驗(yàn)證，并且高低溫性能、空間壽命、可靠性及抗輻照等一系列問(wèn)題還亟待解決。因此，近幾年國(guó)產(chǎn)化的MWP載荷暫時(shí)依然需要基于傳統(tǒng)的分立光電子器件與光纖組建構(gòu)建；國(guó)產(chǎn)化IMWP載荷的研制、攻關(guān)和宇航應(yīng)用道阻且長(zhǎng)，其核心的集成光子芯片或以自主研發(fā)設(shè)計(jì)、海外代工流片的方式逐步推進(jìn)。

2 集成封裝技術(shù)

典型的MWP系統(tǒng)由激光光源、光調(diào)制器、光信號(hào)處理器和光電探測(cè)器等組成[23]，無(wú)論是基于分立元器件的MWP系統(tǒng)，還是基于PICs的IMWP系統(tǒng)，最終的工程化應(yīng)用均離不開封裝。IMWP系統(tǒng)集成封裝的核心是PICs集成封裝技術(shù)，這不僅是實(shí)用化的最后一步，對(duì)器件能夠?qū)崿F(xiàn)良好的高頻響應(yīng)有著至關(guān)重要的意義；而且是目前決定IMWP系統(tǒng)的可靠性、成本、尺寸與功耗的最主要因素之一。

PICs集成封裝技術(shù)的基礎(chǔ)為光電子組裝與封裝技術(shù)(Optoelectronics Assembly and Packaging Technology)，根據(jù)IPC/J-STD-040標(biāo)準(zhǔn)[47]中的定義，光電子封裝可分為4個(gè)等級(jí)：

◆ OPTO Level 0：無(wú)外殼分立元器件/組件；

◆ OPTO Level 1：?jiǎn)喂δ芑蚨喙δ芷骷庋b；

◆ OPTO Level 2：多芯片模塊或系統(tǒng)組件封裝；

◆ OPTO Level 3：帶有子系統(tǒng)或布線的系統(tǒng)封裝。

PICs系統(tǒng)封裝是集成封裝技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)，因難度大和成本高而更具挑戰(zhàn)性[48-50]，需要同時(shí)具備微納級(jí)光路對(duì)準(zhǔn)、高精度實(shí)時(shí)溫控、亞微米級(jí)垂直或水平電氣互連等非常苛刻的工藝能力。目前為止，復(fù)雜PICs系統(tǒng)已在數(shù)字通信、生物醫(yī)學(xué)、自主導(dǎo)航等領(lǐng)域獲得了一定的應(yīng)用效果，減小了尺寸、重量、功率和成本限制，具有一定的空間應(yīng)用潛力。然而，如圖3所示[50]，較為流行的無(wú)外殼的系統(tǒng)封裝因可靠性、抗輻照等一系列問(wèn)題暫未解決，無(wú)法實(shí)現(xiàn)宇航應(yīng)用。

(a)原理示意圖 (b)實(shí)物照片

與ICs封裝一樣，具有高可靠性的多芯片組件技術(shù)(MCM：Multichip Module)[51]是目前宇航應(yīng)用較為可行的一種方案，將PICs、微光學(xué)元件、ICs和光電子芯片等進(jìn)行混合集成封裝，可以實(shí)現(xiàn)模擬RF射頻與PIC的集成，例如：比利時(shí)的Antwerp Space衛(wèi)星通信公司，在EPFC ARTES-5.1 項(xiàng)目中，應(yīng)用PICs與ICs的混合封裝MCM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了IMWP光電變頻子系統(tǒng)封裝[24]，對(duì)未來(lái)我國(guó)IMWP技術(shù)的宇航應(yīng)用提供了思路，如圖4所示：

圖4 IMWP光電變頻器

另外，一些新興的新技術(shù)，從可靠性、穩(wěn)定性和性能容錯(cuò)性方面為PICs集成封裝提供了更優(yōu)的解決方案，頗具宇航應(yīng)用前景。例如：德國(guó)Christian Koos教授研究團(tuán)隊(duì)研制的光子引線(PWB)技術(shù)[52]、德國(guó)Karlsruhe研究所的微納米透鏡打印技術(shù)[53]、Juniyali Nauriyal等人提出的永久穩(wěn)定與高可靠光波導(dǎo)熔接技術(shù)[54]，如圖5所示。

(a)PWB (b)微納米透鏡 (c)光波導(dǎo)熔接

目前為止，國(guó)際上PICs的集成封裝以勞動(dòng)密集型的手工組裝為主，并且我國(guó)是集成封裝生產(chǎn)的大國(guó)，擁有天然的人員技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)國(guó)際多項(xiàng)目晶圓(MPW：Multi Project Wafer)流片后再集成封裝，很可能成為我國(guó)IMWP技術(shù)宇航應(yīng)用的重要方式之一。但遺憾的是，高性能的PICs芯片、封裝過(guò)程材料、封裝儀器設(shè)備，甚至集成封裝的核心技術(shù)產(chǎn)權(quán)均來(lái)源于美國(guó)、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。因此，如何突破技術(shù)壁壘，將目前的商用封裝技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，綜合可慮高低溫性能、可靠性、穩(wěn)定性和抗輻照性能等因素，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)宇航應(yīng)用，將是未來(lái)幾年研究和攻關(guān)的重點(diǎn)。

3 未來(lái)發(fā)展與挑戰(zhàn)

集成化、芯片化的IMWP系統(tǒng)在未來(lái)通信、雷達(dá)、航空、航天等領(lǐng)域都具有非常大的應(yīng)用潛力。近些年，隨著PIC技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于混合多材料異質(zhì)集成PIC片上系統(tǒng)，有可能構(gòu)成全新的IMWP系統(tǒng)，包括CW(連續(xù)波)、MMI(多模干涉)、f-2f(倍頻)、高分辨率濾波器、新型調(diào)制器、低噪聲源等等，從而實(shí)現(xiàn)更高的性能、例如更大的調(diào)制帶寬、更高的光譜分辨率、更低的噪聲和更靈活的可重構(gòu)性能，如圖6所示[23]。

圖6 可用于IMWP的先進(jìn)技術(shù)

然而，伴隨PIC技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了兩方面突出問(wèn)題：一方面，PIC制造成本較高、周期長(zhǎng)、批量能力有限，光互連和光源集成仍然是目前的瓶頸所在；另一方面，國(guó)內(nèi)外尚未出現(xiàn)被廣泛認(rèn)可的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，PIC芯片的通用性非常差，主要以小批量的原型光子封裝為主，無(wú)法有效地轉(zhuǎn)向大規(guī)模批量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。因此，IMWP技術(shù)的全球化商業(yè)推廣與應(yīng)用還有諸多的難題需要攻克，其宇航應(yīng)用則更具挑戰(zhàn)。

目前，IMWP技術(shù)的宇航應(yīng)用面臨著兩項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)：一是溫度、振動(dòng)敏感性等工程應(yīng)用的可靠性問(wèn)題暫未徹底解決：一方面PIC芯片以半導(dǎo)體的光波導(dǎo)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部傳輸?shù)墓庾有盘?hào)對(duì)溫度非常敏感，PIC芯片在空間大范圍的急速溫變環(huán)境中，無(wú)法正常工作；另一方面目前較為成熟的PIC集成封裝技術(shù)，PIC芯片之間的互連是通過(guò)微納級(jí)精度的空間自由光對(duì)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著IMWP載荷產(chǎn)品所經(jīng)歷的一系列可靠性試驗(yàn)，芯片之間的光路對(duì)準(zhǔn)精度可能會(huì)降低，進(jìn)而使得組件或系統(tǒng)的性能惡化甚至失效。二是PIC芯片的輻射效應(yīng)尚未掌握，IMWP系統(tǒng)的在軌運(yùn)行還面臨很多未知風(fēng)險(xiǎn)。另外，對(duì)于我國(guó)IMWP技術(shù)的宇航應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還面臨著國(guó)內(nèi)PIC芯片制造能力不足，高性能集成封裝設(shè)備與工藝材料的生產(chǎn)能力欠缺，可用于調(diào)制模擬信號(hào)的高性能有源光子芯片只能依賴進(jìn)口等問(wèn)題。

根據(jù)報(bào)道，美國(guó)NASA與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界合作，在傳感器、模擬RF應(yīng)用(微波光子)、計(jì)算、自由空間通信等方面開發(fā)PIC技術(shù)，已經(jīng)在光子結(jié)構(gòu)三維整體集成、集成石墨烯、Si3N4二維材料、可調(diào)諧RF振蕩器、多功能InP平臺(tái)等方面獲得技術(shù)突破，有望在射電天文學(xué)、光譜學(xué)、雷達(dá)、通信、生物傳感等方面獲得應(yīng)用；歐盟以O(shè)PTIMA和BEACON項(xiàng)目為牽引，由AirBus牽頭，包括DAS、CORDON、IMEC等多家商業(yè)公司參與，對(duì)MWP載荷原理進(jìn)行全方位驗(yàn)證，同時(shí)在載荷的芯片化和多芯片光電集成方面開展工作，并計(jì)劃最早在2020年實(shí)現(xiàn)在軌演示。因此，我國(guó)IMWP技術(shù)的宇航應(yīng)用，也同樣需要聯(lián)合工業(yè)制造、學(xué)術(shù)研發(fā)和商業(yè)資源，充分發(fā)揮各相關(guān)行業(yè)的優(yōu)勢(shì)，才有可能在軍事領(lǐng)域、航空與航天領(lǐng)域大放異彩。

4 結(jié)論

本文對(duì)具有宇航應(yīng)用潛力的集成光子技術(shù)和集成封裝技術(shù)的最新研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，分析了當(dāng)前我國(guó)IMWP技術(shù)宇航應(yīng)用所面臨的難點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，提出了集成光子芯片以自主研發(fā)設(shè)計(jì)、海外代工流片的方式逐步推進(jìn)，提出了集成封裝以商用技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行升級(jí)、綜合考慮宇航應(yīng)用背景進(jìn)行可靠性篩選的方式進(jìn)行技術(shù)突破。另外，對(duì)未來(lái)IMWP技術(shù)宇航應(yīng)用的發(fā)展與挑戰(zhàn)進(jìn)行了闡述，結(jié)合歐美等先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)發(fā)展模式，指出聯(lián)合并發(fā)揮各相關(guān)行業(yè)的優(yōu)勢(shì)，才能真正實(shí)現(xiàn)我國(guó)IMWP技術(shù)的宇航應(yīng)用。