面向下一代載荷系統(tǒng)應(yīng)用的光子集成芯片探索①

梁 棟，譚慶貴，蔣 煒，張 武，王 迪，龔靜文

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，空間微波技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710000)

0 引言

隨著通信衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)相繼發(fā)射大容量、高速率的通信衛(wèi)星，以滿足不斷增長(zhǎng)的衛(wèi)星寬帶通信與中繼一體化應(yīng)用需求。通過多波束及頻率復(fù)用，使每顆衛(wèi)星能得到同等軌道頻譜的常規(guī)衛(wèi)星數(shù)倍或數(shù)十倍的可用頻率資源，可大大降低寬帶成本，在寬帶接入、數(shù)據(jù)中繼、基站回傳、航空艦船娛樂、政府與企業(yè)服務(wù)等方面得到了廣泛應(yīng)用。目前國(guó)際上對(duì)大容量寬帶衛(wèi)星通信的研究和應(yīng)用越來越廣泛，國(guó)外已出現(xiàn)了波束數(shù)量超過100、總?cè)萘砍?00Gbps，可支撐250萬用戶的寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)。未來幾年，將發(fā)展總?cè)萘窟_(dá)250Gbps的超大容量系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)寬帶通信衛(wèi)星通信最大容量?jī)H20Gbps左右，隨著國(guó)內(nèi)大容量衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)(東五)的逐步成熟，構(gòu)建容量超過100Gbps的大容量寬帶衛(wèi)星成為可能。但大容量寬帶衛(wèi)星載荷的研制仍面臨不少技術(shù)挑戰(zhàn)。

硅基半導(dǎo)體是現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的基石，但其發(fā)展已接近極限。而光電子技術(shù)則正處在高速發(fā)展階段，現(xiàn)在的半導(dǎo)體發(fā)光器件多利用化合物材料制備，與硅微電子工藝不兼容。因此，將光子集成技術(shù)和微電子技術(shù)集合起來，發(fā)展光電子集成科學(xué)和技術(shù)意義重大[1]。世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都把光子集成作為長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)。典型代表為高速數(shù)字光收發(fā)片上系統(tǒng)的研制，Intel公司于2019年開發(fā)完成了400Gbps硅光子收發(fā)器芯片與集成封裝原型、IBM公司開發(fā)研制的高速光子連接器已實(shí)現(xiàn)商用。隨著商業(yè)需求不斷擴(kuò)大，集成相關(guān)的設(shè)計(jì)、研制、封裝與測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化與自動(dòng)化生產(chǎn)正在逐步建立，美國(guó)、日本、歐洲等具有先進(jìn)封裝與測(cè)試技術(shù)的公司,例如美國(guó)Newport、日本SURUGA、歐洲Tyndall等公司或研究機(jī)構(gòu)，已實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)損耗≤0.3dB、耦合步進(jìn)精度5nm的光電子多芯片一體化封裝，具備100通道的大規(guī)模測(cè)試能力。

1 光子集成載荷應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

相比主要針對(duì)電信業(yè)務(wù)的數(shù)字信號(hào)收發(fā)，如大容量光通信、光互聯(lián)，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心等需要在單一芯片上實(shí)現(xiàn)高速的片上通信、多功能光子元件的數(shù)字收發(fā)和處理。然而，對(duì)于空間載荷應(yīng)用，主要針對(duì)的是寬帶多波束的模擬信號(hào)處理，現(xiàn)有的硅基/磷化銦基光子集成平臺(tái)均缺乏有針對(duì)性的模擬信號(hào)處理環(huán)境，需要在現(xiàn)有數(shù)字收發(fā)工藝基礎(chǔ)上重新進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)[2,3]。對(duì)于模擬信號(hào)的片上處理，相比離散的微波光子信號(hào)處理模式，其發(fā)展仍面臨不少技術(shù)挑戰(zhàn)：

主要挑戰(zhàn)之一：片上非理想的模擬調(diào)制環(huán)境，難以直接復(fù)制離散微波光子系統(tǒng)框架。受限于現(xiàn)有集成工藝誤差，無法保證穩(wěn)定的分支波導(dǎo)長(zhǎng)度及熱控相位控制，調(diào)制輸出消光比在5dB以下，相比離散系統(tǒng)使用的25dB以上鈮酸鋰晶體調(diào)制器性能，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模擬調(diào)制功能。

主要挑戰(zhàn)之二：片上增益能力有限，熱控影響更敏感。片上激光激勵(lì)部件對(duì)波長(zhǎng)的線寬、波長(zhǎng)穩(wěn)定性、增益和噪聲控制能力有限，需要探索片上波長(zhǎng)不敏感、功率利用率更高的信號(hào)處理框架，且高集成度的片上環(huán)境對(duì)熱控影響更為敏感。

主要挑戰(zhàn)之三：片上頻譜調(diào)控及幅相控制精度有限。片上系統(tǒng)"設(shè)計(jì)-版圖-流片-測(cè)試"的實(shí)現(xiàn)流程決定了其在測(cè)試階段只能進(jìn)行有限的反饋補(bǔ)償，大部分的反饋優(yōu)化節(jié)點(diǎn)需要在設(shè)計(jì)階段提前布局，性能冗余度較低。

利用迅速發(fā)展的光子集成技術(shù)結(jié)合成熟的微電子集成，同時(shí)借助于微波光子大寬帶、低損耗、高傳輸效率、高通量等優(yōu)勢(shì)，開展多功能的光子集成載荷應(yīng)用研究，其潛在優(yōu)勢(shì)如下：

1)跨頻段信號(hào)處理能力：核心處理部件工作頻段范圍覆蓋C頻段-Ka頻段，滿足未來寬帶載荷應(yīng)用需求。

2)高瞬時(shí)帶寬的波束處理能力：對(duì)標(biāo)未來高通量饋電鏈路需求，采用片上光信號(hào)處理，單端口最大瞬時(shí)處理帶寬4GHz以上，支持任意頻段的實(shí)時(shí)接收；

3)模擬-數(shù)字處理一跳對(duì)接：大瞬時(shí)帶寬的片上光信號(hào)處理能夠支持寬帶射頻前端與數(shù)字信號(hào)處理的一跳連接，兼容軟件無線電載荷發(fā)展軌跡。

4)重量和體積降低50%以上：采用光子集成技術(shù)，可以有效降低衛(wèi)星載荷的體積和重量。

5)無擾全光處理：核心功能如透明交換、上下變頻、信號(hào)饋送均在全光域環(huán)境完成，解決載荷規(guī)模擴(kuò)展引起的電磁干擾難題；

隨著光子技術(shù)在光通信、高帶寬計(jì)算、傳輸與存儲(chǔ)等方面的成功應(yīng)用，低成本、批量化、高集成度的PIC(集成光子芯片)與IC(集成電子芯片)多芯片混合封裝與大規(guī)模測(cè)試必然是其商業(yè)應(yīng)用以及軍事推廣的發(fā)展趨勢(shì)。借助于光子大寬帶、低損耗、高傳輸效率、高通量等優(yōu)勢(shì)，光子集成技術(shù)在空間載荷領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用潛力。

2 光子集成芯片在載荷系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

在光子集成芯片的研究中，除了針對(duì)單個(gè)光學(xué)元器件的深度性能挖掘，現(xiàn)在越來越多的研究課題開始瞄向未來多功能寬帶信號(hào)處理系統(tǒng)或者以星上應(yīng)用為背景的載荷系統(tǒng)，開展片上系統(tǒng)功能研制。本小節(jié)從單片集成光子芯片的拓展出發(fā)，通過分析幾款具有典型功能的片上光子系統(tǒng)，進(jìn)一步梳理光子集成芯片在未來載荷應(yīng)用的發(fā)展脈絡(luò)。

法國(guó)空客 ：光子饋電鏈路及光子集成波束形成模組搭載驗(yàn)證

Airbus 計(jì)劃2023年依靠OPTIMA Horizon2020項(xiàng)目搭載驗(yàn)證V頻段至Ka/Ku頻段的光子饋電鏈路以及基于光子集成的波束形成模組。驗(yàn)證內(nèi)容包含陣列式電光調(diào)制/光電解調(diào)、上下變頻、光交換以及片上波束形成網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容[4-6]。該載荷系統(tǒng)由Airbus抓總，西班牙DAS Photonics公司、法國(guó) Sodern公司、德國(guó)IHP研究所以及荷蘭LioniX公司等多家團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成。

(a)

(b)

其中，射頻前端的光波束形成模塊擬基于硅基或氮化硅基光子集成芯片方案構(gòu)建。下圖所示為基于氮化硅材料實(shí)現(xiàn)的單波束下16*1的光子波束形成網(wǎng)絡(luò)芯片方案。芯片研制單位為荷蘭LioniX公司。

(a)

(b) (c)

除此之外，西班牙DAS公司的8*8 & 64路可重構(gòu)Butler Matrix光延遲陣列芯片也為該載荷射頻前端研制提供技術(shù)支撐，如圖2所示，可用于完成多波束直接輻射陣列天線功能[7,8]。相比傳統(tǒng)波束成形模塊，其波束耦合單元數(shù)量由8064個(gè)降至192個(gè)。

圖3 可重構(gòu)Butler Matrix光延遲陣列芯片

該系統(tǒng)將光子部分載荷技術(shù)成熟度提升至6級(jí)，預(yù)計(jì)2023年進(jìn)行軌道驗(yàn)證，其設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)能夠支撐至少15年的同步軌道星載服役壽命。相比傳統(tǒng)射頻載荷，光載荷整體功耗降低15%，傳輸及交換部分減重45%，整個(gè)載荷減重24%。

表1 光子載荷與傳統(tǒng)射頻載荷SWaP對(duì)比

空客面向光子饋電鏈路以及光子集成波束形成網(wǎng)絡(luò)芯片的搭載計(jì)劃，直觀的驗(yàn)證了光子技術(shù)在載荷系統(tǒng)射頻前端的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。限于目前光子研制工藝，僅有變頻后端的光波束形成網(wǎng)絡(luò)模組實(shí)現(xiàn)了芯片化，其余無源以及有源部分仍以離散光元件為主。隨著芯片研制工藝的進(jìn)一步提升，我們有理由相信光子芯片在未來載荷系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)中的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加凸顯。

3 全芯片化光子處理轉(zhuǎn)發(fā)載荷設(shè)想

結(jié)合光子集成技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)有光子射頻前端探索驗(yàn)證基礎(chǔ)上，針對(duì)未來衛(wèi)星寬帶通信與中繼一體化應(yīng)用需求我們提出了一種全芯片架構(gòu)的光子處理轉(zhuǎn)發(fā)載荷系統(tǒng)框架，如圖4所示。除收發(fā)天線及微波T/R組件外，其余信號(hào)處理功能均由片上光載荷處理模塊完成。能夠?qū)崿F(xiàn)包括本振饋送、片上陣列混頻、波束間交換、片上信道化、信道間交換、片上波束形成等多尺度處理轉(zhuǎn)發(fā)功能。構(gòu)建通用化、小型化、多波束并行的高通量衛(wèi)星通信載荷系統(tǒng)，能夠支持未來跨頻段、多格式、多業(yè)務(wù)的寬帶/窄帶混合波束的中繼服務(wù)[9]。

接收天線單元收到來自不同用戶或地面站的N個(gè)寬帶/窄帶波束，經(jīng)微波T/R組件完成濾波及低噪聲功率放大各自輸入片上電光混頻陣列，在片上光源及本振饋送單元驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)多波束射頻信號(hào)的電光調(diào)制及混頻，后經(jīng)過片上波束交換陣列完成波束間光交換。無需進(jìn)行片上處理的信號(hào)，如用戶端窄帶通信波束，經(jīng)波束交換后輸入片上光電探測(cè)陣列完成光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行濾波及功率放大輸送至發(fā)射天線，即在光域完成陣列式微波混頻及路由交換功能。需要進(jìn)行片上處理的信號(hào)，如寬帶終端或地面站的寬帶中繼波束，經(jīng)波束交換路由至片上光學(xué)信道化處理單元，實(shí)現(xiàn)光域信號(hào)窄帶化分，之后根據(jù)用戶需求可分別實(shí)現(xiàn)片上信道間交換或片上波束形成。最終經(jīng)陣列式光電探測(cè)后進(jìn)入下行鏈路。

圖4 全芯片架構(gòu)的光子處理轉(zhuǎn)發(fā)載荷系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)該全芯片架構(gòu)的光子處理轉(zhuǎn)發(fā)載荷系統(tǒng)，目前仍需解決的關(guān)鍵技術(shù)：

片上光交換：構(gòu)建具備快速切換能力的16*16以上光路交換矩陣，需要重點(diǎn)解決大規(guī)模交換下光損耗及功耗問題，實(shí)現(xiàn)小型化、低損耗、低串?dāng)_的片上光交換能力。

片上信道化：構(gòu)建大瞬時(shí)帶寬的光學(xué)輸入多工器，輸入波束帶寬≥4GHz，輸出單信道帶寬≤500MHz，需要重點(diǎn)解決矩形系數(shù)優(yōu)化及波長(zhǎng)穩(wěn)定控制問題，開展多材料有源/無源信道化方案研究。

片上波束形成網(wǎng)絡(luò):在現(xiàn)有片上研究基礎(chǔ)上，開展更大規(guī)模、更低功耗的波束形成網(wǎng)絡(luò)芯片架構(gòu)研究。

多芯片混合集成：片上光子載荷系統(tǒng)中有源/無源組件交疊，需要進(jìn)行多次芯片間耦合，需要重點(diǎn)解決不同芯片材料間低損耗陣列式耦合技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)低損耗的高效芯片耦合。

片上光載荷處理模塊內(nèi)部由光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)片內(nèi)互聯(lián)，外部通過微帶線與微波T/R組件互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)光子芯片與微波芯片的光電混合集成與封裝，進(jìn)一步優(yōu)化載荷系統(tǒng)的SWaP。該架構(gòu)涉及有源、無源等不同類型芯片結(jié)構(gòu)，也就意味著未來片上光載荷處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊需要綜合考慮硅基、磷化銦基、氮化硅基以及二氧化硅等多材料芯片的信號(hào)處理特性、穩(wěn)定性以及空間環(huán)境適應(yīng)性，并重點(diǎn)開展不同材料間的高效耦合技術(shù)和工藝探索。

4 結(jié)束語

文章分析了光子集成技術(shù)在未來衛(wèi)星寬帶通信與中繼一體化載荷系統(tǒng)中的應(yīng)用需求，完成了片上光處理與離散光處理的技術(shù)難度梳理及潛在優(yōu)勢(shì)分析。以Airbus搭載計(jì)劃為例，完成了典型光子集成載荷驗(yàn)證應(yīng)用分析。在此基礎(chǔ)上，提出一種全芯片架構(gòu)的光子處理轉(zhuǎn)發(fā)載荷系統(tǒng)架構(gòu),并完成相應(yīng)的功能拆解及業(yè)務(wù)劃分，提出下一步需要重點(diǎn)攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著芯片研制工藝的提升以及光子芯片在空間環(huán)境適應(yīng)性的深入探索，在可預(yù)見的未來，構(gòu)建完全芯片化的片上光子載荷將成為可能，其帶來的帶寬、體積、重量、功耗優(yōu)勢(shì)，也必然會(huì)持續(xù)引領(lǐng)空間載荷系統(tǒng)朝小型化和智能化的發(fā)展變革。