微波光子集成芯片技術(shù)

錢(qián) 廣 錢(qián) 坤 顧曉文 孔月嬋 陳堂勝(南京電子器件研究所微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210016)

②(空軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室 南京 210016)

1 引言

“微波光子學(xué)”是一門(mén)微波和光兩種技術(shù)相融合的新興交叉學(xué)科，被定義為利用電光和光電器件對(duì)微波頻段信號(hào)進(jìn)行處理，并應(yīng)用到微波系統(tǒng)及光通信系統(tǒng)等領(lǐng)域的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)微波方法過(guò)于復(fù)雜或不易實(shí)現(xiàn)甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能[1]。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，微波光子技術(shù)已在雷達(dá)、衛(wèi)星通信、寬帶無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)、空天一體化信息系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，將對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在雷達(dá)應(yīng)用方面，更是受到了世界各國(guó)的重點(diǎn)關(guān)注。目前，美國(guó)、歐盟及俄羅斯等均針對(duì)該技術(shù)做了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展規(guī)劃，并投入了大量的人力與財(cái)力[2]。美國(guó)DARPA在20世紀(jì)80年代開(kāi)始支持微波光子雷達(dá)研究，并形成了高線(xiàn)性模擬光鏈路、光控波束形成網(wǎng)絡(luò)和微波光子雷達(dá)射頻前端3個(gè)研究階段規(guī)劃。目前，美國(guó)DARPA的研究已經(jīng)進(jìn)入第3階段，設(shè)立了諸多項(xiàng)目，大大推動(dòng)了微波光子雷達(dá)基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。歐盟以意大利芬梅卡尼卡集團(tuán)為代表也針對(duì)微波光子雷達(dá)發(fā)展制定了4步走發(fā)展路線(xiàn)，并以全光的雷達(dá)為最終發(fā)展目標(biāo)。2013年意大利國(guó)家光子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室完成了全球首個(gè)結(jié)合微波光子多載波產(chǎn)生、發(fā)射和接收的光子雷達(dá)收發(fā)機(jī)，2014年將該工作發(fā)表于《Nature》[3]，在全球掀起了微波光子雷達(dá)研究的熱潮。俄羅斯也一直非常重視微波光子雷達(dá)研究，2014年俄羅斯政府以下一代雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)為應(yīng)用目標(biāo)，開(kāi)始資助“射頻光子相控陣”項(xiàng)目研究，旨在制造射頻光子相控陣?yán)走_(dá)。我國(guó)在微波光子技術(shù)方面的研究起步較晚，但近年來(lái)在微波光子雷達(dá)器件及系統(tǒng)方面也取得了矚目的成就，研究單位包括國(guó)內(nèi)諸多研究所和高校。

隨著對(duì)微波光子雷達(dá)研究的不斷深入，目前基于分立光電子器件構(gòu)建的微波光子系統(tǒng)已經(jīng)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)，難以滿(mǎn)足微波光子雷達(dá)工程化應(yīng)用需求。因此，微波光子雷達(dá)對(duì)微波光子器件提出了新的要求，即：在實(shí)現(xiàn)高速、大帶寬及大動(dòng)態(tài)范圍同時(shí)，器件和系統(tǒng)還應(yīng)具有尺寸小、重量輕、功耗低等特性[4—6]。集成化、芯片化已成為微波光子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。芯片集成不僅能大幅降低微波光子雷達(dá)系統(tǒng)體積和功耗、提升整體穩(wěn)定性，同時(shí)還能減小器件插入損耗、降低封裝成本。另外，集成化、小型化的微波光子器件更滿(mǎn)足大規(guī)模陣列化應(yīng)用需求，這對(duì)微波光子相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展具有重要意義。

微波光子雷達(dá)需求的芯片主要包括光子集成芯片、微波電路芯片及驅(qū)動(dòng)電路芯片等。若將微波光子集成芯片分為：?jiǎn)我还δ芄庾蛹尚酒⒍喙δ芄庾蛹尚酒臀⒉ü庾踊旌霞尚酒?個(gè)層次，目前國(guó)外在第1層次單一功能光子集成芯片方面的研究比較成熟，但仍在不斷提高芯片性能，并研究新機(jī)理、新材料芯片；在第2層次芯片方面的研究比較早，且取得了不少令人矚目的成果；針對(duì)第3層次微波光子混合集成芯片方面的研究，還尚處于研發(fā)階段。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)起步較晚，多集中在第1層次芯片方面研究，與國(guó)外存在較大差距；在第2層次和第3層次芯片研究方面，國(guó)內(nèi)研究都尚處于起步階段，研究單位相對(duì)較少，主要受限于芯片加工能力。在微波光子雷達(dá)需求的芯片中，微波電路芯片及驅(qū)動(dòng)電路芯片相對(duì)發(fā)展比較成熟，但微波電路芯片的帶寬通常比較小，若能夠進(jìn)一步提升，實(shí)現(xiàn)其與光子芯片的大帶寬匹配，則能在芯片層面更好地發(fā)揮微波光子技術(shù)的大帶寬優(yōu)勢(shì)。

總之，光子集成芯片技術(shù)和用于微波光子混合集成的光電集成芯片技術(shù)是目前能夠推動(dòng)微波光子雷達(dá)功能組件小型化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。因此，本文以微波光子器件的集成化、芯片化需求為背景，介紹了目前InP基、Si基和鈮酸鋰基等常用材料體系及其異質(zhì)異構(gòu)集成的微波光子集成芯片技術(shù)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 光子集成芯片

目前，光子集成技術(shù)常用材料體系主要包括：InP基化合物材料、硅基材料、LiNbO3晶體材料和聚合物、石墨烯、等離子激元等新興材料，每種材料在光源、調(diào)制、探測(cè)、低損耗傳輸及大規(guī)模集成等方面均展現(xiàn)著各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本節(jié)將主要介紹這幾種常用材料體系的光子集成芯片技術(shù)。

2.1 InP基光子集成芯片

InP基化合物材料在光源、放大、調(diào)制、探測(cè)、衰減和集成光傳輸中都可應(yīng)用，是多功能材料體系。InP基化合物材料的折射率高，具有較強(qiáng)的光約束能力，可實(shí)現(xiàn)高集成度。另外，InP基化合物材料在單片電路中也具有廣泛應(yīng)用，是光電混合集成的良好平臺(tái)。因此，InP基化合物材料在大規(guī)模光子集成中具有巨大優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展前景被眾多研究人員看好。圖1即是InP基大規(guī)模光子集成芯片，可以實(shí)現(xiàn)眾多類(lèi)型光子器件的單片集成。圖2為典型InP基集成光子器件芯片[7—12]：(a)激光器，(b)電光調(diào)制器，(c)光電探測(cè)器，(d)偏振旋轉(zhuǎn)器，(e)光耦合器，(f)陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating,AWG), (g)光開(kāi)關(guān)陣列。其中，激光器可實(shí)現(xiàn)大功率、低噪聲，調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)大帶寬、低半波電壓、高消光比，探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)大帶寬、高飽和、高響應(yīng)度等，這些典型器件均能滿(mǎn)足微波光子技術(shù)需求，具有廣泛的應(yīng)用。因此，InP基光子集成被認(rèn)為是集成微波光子領(lǐng)域非常有前景的研究方向之一。

但是，InP基光子器件的材料及器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝難度較大，材料及加工成本高，在一定程度上限制了InP光子器件的大規(guī)模集成應(yīng)用。圖3是典型InP光子器件的材料及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。可以看出，雖然InP基的光子器件芯片可采用同一InP材料體系，但不同光子器件的材料和器件結(jié)構(gòu)還存在區(qū)別。按照器件類(lèi)型不同，可將InP光子器件分為激光光源型、電光調(diào)制器型、深脊波導(dǎo)器件型、淺脊波導(dǎo)器件型和偏振旋轉(zhuǎn)器型[11]，或有源型光子器件和無(wú)源型光子器件。在InP光子芯片研究中，大規(guī)模光子集成一直是最終目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)InP有源型和無(wú)源型光子器件的單片集成，可采用材料多次外延技術(shù)，如圖4所示，將有源光子器件和無(wú)源光子器件區(qū)域的材料分區(qū)生長(zhǎng)，統(tǒng)一制備。

圖1 InP基大規(guī)模光子集成芯片[11]Fig.1 InP?based large?scale photonic integrated chip[11]

圖2 典型InP基集成光子器件芯片[7—12]Fig.2 Typical InP?based photonic integrated chips[7—12]

圖3 典型InP基光子器件光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖[11]Fig.3 The optical waveguide structure of typical InP?based photonic devices[11]

此外，由于InP基光波導(dǎo)與光纖中的光模式在尺寸上存在較大差異，因此在芯片與光纖的耦合處會(huì)引入很大耦合損耗。該損耗是InP基光子器件插損的最大來(lái)源，同時(shí)也是影響InP光子器件是否滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求的主要因素之一。為了降低InP基光子芯片與光纖之間由模式失配造成的損耗，在光子芯片輸入/輸出端口需采用模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[13—18]，常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。可以看出，每種模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，具有較高的工藝難度，尤其是在垂直方向采用斜面過(guò)渡的模斑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(如圖5(a)，圖5(c)所示)。

2.2 Si基光子集成芯片

Si基光子芯片常用的材料是SOI(Silicon?On?In?sulator)[19]和SiN[20,21]，制備工藝成熟、材料成本低，在無(wú)源光子器件應(yīng)用中具有非常明顯優(yōu)勢(shì)[22]。目前，基于成熟的硅基工藝，已經(jīng)發(fā)展出了硅基光源[23—28]、調(diào)制器[29—35]、探測(cè)器[36—40]、集成OEO(Op?toelectronic Oscillator)[41]、濾波器[42—44]、光開(kāi)關(guān)陣列[45,46]、延時(shí)器[47—49]等集成光子芯片，如圖6—圖8所示。目前，基于硅材料的光學(xué)器件研究已經(jīng)逐漸發(fā)展出了一門(mén)專(zhuān)一的學(xué)科，即硅基光子學(xué)。在成熟SOI加工工藝帶動(dòng)下，硅基無(wú)源光子器件發(fā)展迅速，功能較全面，研究已從單一功能芯片向多功能芯片發(fā)展。但硅基調(diào)制器的消光比還比較低，與傳統(tǒng)的鈮酸鋰調(diào)制器差距較大，且?guī)掃€需進(jìn)一步提高。針對(duì)硅基光源的研究仍處于起步階段，還需進(jìn)一步深入研究。另外，SOI光波導(dǎo)損耗比較大，通常為幾個(gè)dB/cm，無(wú)源器件的性能受到了一定限制。近年來(lái)，基于低損耗SiN光波導(dǎo)的無(wú)源器件得到了更廣泛的關(guān)注與研究[50—53]，其非常適用于波束形成、延時(shí)陣列等芯片，如圖9所示。

圖4 基于多次外延技術(shù)的InP基光子器件單片集成工藝[11]Fig.4 Monolithic integration of InP?based photonic devices based on the multi?epitaxial growth[11]

圖5 典型InP基光子器件模斑轉(zhuǎn)換器[13—16]Fig.5 Typical spot?size converter of InP?based photonic devices[13—16]

2.3 LiNbO3基光子集成芯片

LiNbO3材料具有優(yōu)越的電光性能，與InP基材料和Si基材料相比，LiNbO3材料的應(yīng)用比較單一，主要集中在電光調(diào)制器[54—63]。基于LiNbO3材料的電光調(diào)制器[55,56,64]是目前發(fā)展最成熟的電光調(diào)制器類(lèi)型，在微波光子技術(shù)中已得到廣泛應(yīng)用。常用LiNbO3電光調(diào)制器芯片中的LiNbO3光波導(dǎo)通常采用質(zhì)子交換或擴(kuò)散工藝實(shí)現(xiàn)，工藝簡(jiǎn)單，光模式面積大，與光纖耦合損耗低。目前，這種商用LiNbO3電光調(diào)制器的帶寬都可以大于60 GHz，半波電壓小于等于5 V。甚至，有文獻(xiàn)報(bào)道這種調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)約100 GHz的帶寬[65]。雖然，這種調(diào)制器的性能很好，但器件尺寸都非常大，通常有幾厘米的長(zhǎng)度，難以與其它光子器件實(shí)現(xiàn)小型化集成，無(wú)法滿(mǎn)足微波光子系統(tǒng)未來(lái)小型化、集成化發(fā)展需求。近年，新發(fā)展出了一種基于LiNbO3薄膜材料的電光調(diào)制器，如圖10所示，該器件在帶寬和尺寸等方面均呈現(xiàn)出了優(yōu)于傳統(tǒng)LiNbO3體材料電光調(diào)制器的趨勢(shì)。但目前這種新型LiNbO3電光調(diào)制器還處于研發(fā)階段，將來(lái)會(huì)在微波光子領(lǐng)域發(fā)揮重要應(yīng)用價(jià)值[66,67]。

圖6 Si基光子器件Fig.6 Si?based photonic devices

圖7 Si基集成OEO芯片[41]Fig.7 Si?based integrated OEO chip[41]

2.4 新型光子集成芯片

除了以上3種典型材料體系的集成光子芯片外，目前還出現(xiàn)了石墨烯、聚合物、等離子激元等新型材料體系的集成光子器件，且表現(xiàn)出了令人驚喜的性能，如圖11所示。例如：基于石墨烯材料的電光調(diào)制器[68—72]，帶寬可以達(dá)到幾十GHz；基于有機(jī)聚合物材料的集成光波導(dǎo)傳輸損耗低、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，且熱光特性良好，在集成光子諧振腔及熱光開(kāi)關(guān)方面都有廣泛應(yīng)用[73—80]，其中聚合物電光調(diào)制器的帶寬可超過(guò)100 GHz[81]；等離子激元光波導(dǎo)對(duì)光具有很強(qiáng)的約束能力，能夠突破衍射極限，且具有光電復(fù)用等優(yōu)良特性，在微納集成光子器件領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。尤其，近年來(lái)還有研究人員將具有高電光系數(shù)的聚合物電光材料與狹縫等離子激元波導(dǎo)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了尺寸只有幾十微米，帶寬可超過(guò)70 GHz的超小型電光調(diào)制器，為實(shí)現(xiàn)高性能超集成電光調(diào)制器提供了非常可行的技術(shù)途徑[82,83]。這些新技術(shù)為實(shí)現(xiàn)高性能集成微波光子器件提供了新方法，未來(lái)可能會(huì)在提升微波光子雷達(dá)性能方面發(fā)揮重要作用。

圖8 Si基光子器件Fig.8 Si?based photonic devices

圖9 SiN光子器件Fig.9 SiN photonic devices

2.5 異質(zhì)光子集成芯片

圖10 LiNbO3基集成光子芯片F(xiàn)ig.10 LiNbO3?based integrated photonic chip

圖11 新型集成光子器件Fig.11 New integrated photonic devices

InP基材料、Si基材料和LiNbO3材料在微波光子器件中都具有廣泛應(yīng)用，但不同的材料體系均具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如：InP材料非常適用于激光器、調(diào)制器和探測(cè)器，而且發(fā)展成熟，但光波導(dǎo)傳輸損耗大，不利于大規(guī)模的光子芯片集成；Si基光子器件集成度高、工藝成熟、成本低，但在光源、調(diào)制器方面的發(fā)展還不是很成熟；鈮酸鋰材料僅僅在電光調(diào)制器方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但在其他光子器件方面的應(yīng)用還比較少。因此，利用同一材料實(shí)現(xiàn)多種光子器件的高性能單片集成，還存在一定的難度。異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模多功能光子集成芯片的有效技術(shù)途徑。目前研究的異質(zhì)光子集成技術(shù)主要是InP?Si光子集成、LiNbO3?Si光子集成和光子異構(gòu)集成。

InP?Si光子集成主要是為了結(jié)合InP材料在激光器、調(diào)制器及探測(cè)器方面的優(yōu)勢(shì)和Si材料在無(wú)源光子器件方面的低成本及CMOS工藝兼容等優(yōu)勢(shì)。基于InP?Si光子集成方法，目前已經(jīng)研制出了InP?Si異質(zhì)集成電光調(diào)制器[84—86]、InP?Si異質(zhì)集成激光器[87—90]、InP?Si異質(zhì)集成光電探測(cè)器[91]和其它更復(fù)雜的多功能芯片，如圖12所示。

圖12 InP?Si光子集成器件Fig.12 InP?Si integrated photonic devices

圖13 傳統(tǒng)LiNbO3 (LN)光波導(dǎo)和常用LiNbO3?Si混合集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖[94]Fig.13 Structural diagrams of traditional LiNbO3 optical waveguide and common LiNbO3?Si hybrid integrated optical waveguides[94]

LiNbO3?Si光子集成的主要目的是為了同時(shí)發(fā)揮LiNbO3器件優(yōu)越的電光特性和Si基光子器件的各種優(yōu)勢(shì)。圖13展示了常見(jiàn)LiNbO3?Si混合集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(圖13(b)—圖13(g))及其與傳統(tǒng)LiNbO3光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(圖13(a))的區(qū)別[94]。目前，LiNbO3?Si光子集成方向的研究焦點(diǎn)主要是基于Si基LiNbO3薄膜材料(圖13(b)—圖13(e)，圖13(g))的電光調(diào)制器[95,96]。Si基LiNbO3薄膜材料的襯底為Si基材料，中間層為SiO2，上表層為納米厚度LiNbO3薄膜。Si基襯底材料可滿(mǎn)足基于CMOS工藝的大規(guī)模Si光子集成需求，納米級(jí)厚度的鈮酸鋰薄膜材料可以將光限制在很小的尺寸內(nèi)，大大提高電光調(diào)制效率，縮短調(diào)制器尺寸。而且，中間層為SiO2的厚度可根據(jù)波速匹配需求靈活調(diào)整，這對(duì)提高調(diào)制器帶寬非常有利。因此，與傳統(tǒng)LiNbO3體材料相比，基于Si基LiNbO3薄膜材料的電光調(diào)制器能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)異的性能指標(biāo)。2018年哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用圖13(d)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，成功研制出了帶寬高達(dá)100 GHz、半波電壓4.4 V、器件長(zhǎng)度僅有5 mm的Si基LiNbO3薄膜電光調(diào)制器，如圖14所示，該成果發(fā)表于《Nature》，在光電子領(lǐng)域引起了針對(duì)該器件的研究熱潮[97]。2019年，中山大學(xué)研究人員又采用BCB材料實(shí)現(xiàn)了LiNbO3薄膜光波導(dǎo)與SOI光波導(dǎo)的混合集成[98]，研制出的電光調(diào)制器帶寬高于70 GHz，消光比達(dá)40 dB，器件整體插損僅有2.5 dB，如圖15所示。

InP?Si、LiNbO3?Si光子異質(zhì)集成是基于芯片工藝實(shí)現(xiàn)不同材料或光子器件集成的一種技術(shù)。除了這種光子異質(zhì)集成技術(shù)外，德國(guó)Christian Koos教授研究團(tuán)隊(duì)[99—104]還開(kāi)發(fā)出了一種和電路芯片中金絲互連技術(shù)類(lèi)似的光絲互連技術(shù)(Photonic Wire Bonding, PWB)，該技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)不同光子芯片之間的互連集成，還可以實(shí)現(xiàn)光纖與光子芯片波導(dǎo)端口的耦合，如圖16所示。PWB中互連光波導(dǎo)的損耗可以小于3 dB，且受工作波長(zhǎng)影響較小，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光子集成的一種嶄新技術(shù)途徑。

圖14 基于Si基LiNbO3薄膜的電光調(diào)制器[97]Fig.14 Electro?optic modulator based on Si?based LiNbO3 film[97]

圖15 Si?LiNbO3混合集成電光調(diào)制器[98]Fig.15 Si?LiNbO3 hybrid integrated electro?optic modulator[98]

表1是以上介紹集成光子芯片技術(shù)中一些報(bào)道的集成光子器件及其性能。

3 光電混合集成芯片

光電混合集成是微波光子器件芯片發(fā)展的最終目標(biāo)，目前實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的常見(jiàn)方案是基于引線(xiàn)互連的光電集成和光電單片集成。

基于引線(xiàn)互連的光電混合集成是最容易實(shí)現(xiàn)的一種，即直接采用金絲引線(xiàn)將光芯片與電路芯片的電極互連。2017年，日本研究人員[130]將InP光子芯片與跨阻放大電路芯片通過(guò)引線(xiàn)互連方式實(shí)現(xiàn)了光電混合集成光接收器芯片及模塊，如圖17所示，帶寬可達(dá)40 GHz。2016年德國(guó)研究人員[131,132]實(shí)現(xiàn)了InP周期分段型IQ電光調(diào)制器與驅(qū)動(dòng)電路芯片的引線(xiàn)互連，信號(hào)傳輸距離可超過(guò)80 km，如圖18所示。

光電單片集成是將光芯片與電芯片集成到同一片上的技術(shù)，目前主要包括同片集成和異質(zhì)異構(gòu)集成2種。同片集成采用同一材料體系，在一個(gè)晶片上同時(shí)加工出光器件與電器件[133,134]。圖19是Ge?Si光電探測(cè)器與Si基TIA電路的單片集成。圖20是InP/InGaAs HBT和InP基光電探測(cè)器單片集成實(shí)現(xiàn)OEMMIC的方案。異質(zhì)異構(gòu)集成是通過(guò)鍵合和垂直互連技術(shù)將光子芯片和電路芯片堆疊集成到一起的技術(shù)，兩個(gè)芯片的材料體系可以相同也可以不同，材料選擇更加靈活，更能發(fā)揮每種材料本身的優(yōu)勢(shì)。圖21為InP基光子芯片和基于CMOS工藝的Si基電路芯片通過(guò)堆疊實(shí)現(xiàn)光電異質(zhì)異構(gòu)集成的結(jié)構(gòu)示意圖[135]。

圖16 基于PWB技術(shù)的光子異質(zhì)異構(gòu)集成[104]Fig.16 Photonic heterogeneous integration based on PWB technology[104]

圖17 基于引線(xiàn)互連的光電混合集成接收器芯片及模塊[130]Fig.17 Hybrid optoelectronic integrated receiver chip and module based on wire bonding[130]

隨著微波光子雷達(dá)發(fā)展需求的不斷提升，光電集成化、芯片化已成為微波光子雷達(dá)器件的發(fā)展趨勢(shì)和迫切需求，包括光電集成收發(fā)前端芯片、光電集成振蕩器芯片、光電集成混頻器芯片、光電集成波束形成芯片等。例如：2014年，Pascual Munoz等人[6]就提出了集成微波光子收發(fā)前端的構(gòu)想，如圖22所示。該芯片主要包含：激光光源(a)、可重構(gòu)光信號(hào)調(diào)諧系統(tǒng)(b)、電光調(diào)制器(c)、光耦合器(d)和(f)、可重構(gòu)光濾波器(e)、光電探測(cè)器(g)、RF放大器(h)、濾波器(i)、RF開(kāi)關(guān)(j)、RF輸入端/輸出端口和光輸入/輸出端口等器件結(jié)構(gòu)。該構(gòu)想為集成微波光子收發(fā)前端的發(fā)展提供了框架。為了實(shí)現(xiàn)微波光子雷達(dá)器件芯片集成化目標(biāo)，光電異質(zhì)異構(gòu)混合集成是一種有效的技術(shù)途徑，將對(duì)高性能、多功能微波光子雷達(dá)器件的研制起到重要推動(dòng)作用。

表1 報(bào)道的一些集成光子器件及性能Tab.1 Some reported integrated photonic devices and their performances

續(xù)表

圖18 InP基周期分段型IQ電光調(diào)制器與驅(qū)動(dòng)電路芯片的引線(xiàn)互連[132]Fig.18 Hybrid optoelectronic integrated between the InP?based IQ modulator and the driver circuit based on wire bonding[132]

圖19 Si基光電單片集成[133]Fig.19 Si?based optoelectronic monolithic integration[133]

4 結(jié)束語(yǔ)

微波光子技術(shù)是解決目前微波雷達(dá)裝備中諸多電子瓶頸問(wèn)題的顛覆性技術(shù)，微波光子器件是推動(dòng)微波光子雷達(dá)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，集成化、芯片化及多功能化已是微波光子雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)各器件的迫切需求，集成芯片技術(shù)是解決該需求的核心技術(shù)。在光子集成方面，能夠發(fā)揮各材料優(yōu)越特性的異質(zhì)光子集成將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。在光電集成方面，近期采用引線(xiàn)互連方法更容易實(shí)現(xiàn)多功能、小型化光電集成微波光子功能模塊，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，光電異質(zhì)異構(gòu)混合集成將是集成微波光子器件發(fā)展的必然趨勢(shì)，將在未來(lái)高性能微波光子器件雷達(dá)研制中發(fā)揮重要作用。

圖20 InP基光電單片集成[134]Fig.20 InP?based optoelectronic monolithic integration[134]

圖21 InP?Si光電異質(zhì)集成[135]Fig.21 InP?Si hybrid optoelectronic integration[135]

圖22 多功能集成微波光子收發(fā)前端芯片概念框架[6]Fig.22 Conceptual structure of multifunctional integrated microwave photonic transceiver chip[6]