基于硅基集成的可重構微波光子前端

霍元東 于鴻晨 陳明華

摘要：針對下一代無線通信網絡需求提出了一種基于硅基集成的微波光子前端，它可以實現多波段、可重構和軟件定義的微波光子信號處理。設計并實現了一種微波光子前端芯片，并初步測試了其性能，它可以實現可調諧上下變頻和微波信號處理功能。

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移動互聯網逐步走向應用，下一代移動互聯網對微波前端提出了更高要求，包括更高頻點的采用、多波束指向和適用多種調制格式，甚至要求實現多點無線資源協同。這主要體現在需要一種可以實現多波段、可重構和軟件定義的微波前端，且工作波段向微波毫米波段擴展。在這種發展態勢下，大頻率覆蓋范圍的微波前端在下一代移動互聯網、軟件無線電和寬帶泛在無線接入與感知等方面將有重要應用。

對頻率范圍從1 GHz到幾十吉赫茲的微波信號進行處理是相當困難的，甚至在機理上也是不現實的。這是因為1 GHz波段和20～60 GHz波段使用的電子元件是截然不同的，很難實現跨多波段的可調諧與可重構的微波信號處理。同時，射頻前端的動態范圍也是限制無線系統性能進一步提高的重要因素之一。受限于模擬信號處理所依托的電子元器件的機理性限制，在可預見的未來，采用電子信號處理技術的射頻前端很難實現頻率從1 GHz到幾十吉赫茲的微波信號處理。

微波光子技術是在光域上處理微波信號的前沿光電子技術，它為解決以上技術難題提供了新的思路[1]：首先，常用的1 550 nm光波長處1 nm帶寬約125 GHz，已足以覆蓋全波段微波波段，從而實現全波段可調諧微波光子信號處理；其次，光波頻率比微波頻率高3～4量級，利用光生微波技術較容易實現微波與毫米波信號；再次，光域上可以實現超低損耗的超寬帶真時延，有利于微波信號的相參處理；最后，微波光子技術其潛在的高線性特征有助于構建大動態范圍的微波光子系統。因此，基于微波光子技術，微波光子前端可以在全波段范圍內實現寬帶、多波段可調諧與可重構信號處理，且具有可預見大動態范圍和抗電磁干擾等優勢。但是，目前的研究方案多基于分立器件實現，器件尺寸大、魯棒性差，離實用尚有較大的距離。另一方面，隨著光子集成技術的逐步成熟，美國、中國等國的研究者各自在相關科研計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是滿足微波光子學實際應用的重要手段，體現出微波光子學研究向這一新方向的聚集，并將在未來5G 和下一代移動互聯網中扮演重要角色。

1 硅基集成微波光子前端

功能架構

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處理方法并基于硅基光子加工手段構成多波段、高線性與可重構的微波光子前端片上系統。

微波光子前端主要包括光源、電光調制器、高精細度光信號處理器以及光電探測器。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）芯片上構成微波光子前端片上系統。我們設計的基于硅基集成的微波光子前端芯片的結構功能框圖如圖1所示，其中紫色方框內即是項目要實現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處理的所有功能，包括跨波段、可調諧微波光子信號處理，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，其功能是可調諧接收跨波段的微波信號，并將其下變頻為中頻信號；下半部分為微波光子發射單元，它將電中頻信號上變頻為微波信號，作為微波光子前端的射頻輸出。下面將分別說明2個微波光子集成系統單元。

（1）微波光子信號接收端

輸入的微波信號經過高速硅基光子相位調制器后轉化為光域微波信號，然后由微環構成的微波光子無限沖激響應IIR處理器進行處理；該路光域微波信號再與另一路光子本振信號共同注入波導型光電鍺平衡探測器，實現微波光子信號的下變頻，得到的中頻信號進入電處理模塊進行處理。由圖1可知：集成單元包括光束分波、光相位調制、微環可調諧濾波、光束合波單元和平衡探測單元，它們一起構成了可調諧微波光子前端功能單元。利用光域信號處理大帶寬的特性，微波光子前端處理跨多個微波波段的微波信號。本項目將實現2～40 GHz微波信號的可調諧光子處理，這就意味著該集成單元可以工作在S、C、X、Ku、K和Ka 6個波段，這是傳統的微波前端很難實現的。

（2）微波光子信號發送端

該單元將由電處理模塊產生的中頻信號通過光相位調制器轉換為光域微波信號，然后與另一路光子本振信號同時注入基于波導的波導型鍺光電平衡探測器，實現中頻信號的上變頻，并作為微波光子前端的射頻輸出。同樣，它可以實現S、C、X、Ku、K和Ka 6個波段可調諧微波信號的輸出。