移動通信、雷達、衛(wèi)星遙感、電子對抗以及基礎儀器科學等領域的進步，促使著微波系統(tǒng)向著高頻、寬帶、大動態(tài)范圍、多功能的方向發(fā)展。面對這些新的發(fā)展需求，傳統(tǒng)的微波技術在微波信號的產(chǎn)生、傳輸、處理、測量等各個方面均面臨巨大挑戰(zhàn)。
微波光子學融合了微波技術和光電子技術，即利用光電子學的方法處理微波信號，可以突破傳統(tǒng)射頻電子器件的性能瓶頸，被認為是下一代各類微波系統(tǒng)應用的解決方案之一。
傳統(tǒng)微波光子系統(tǒng)一般使用分立的光電子器件與電學模塊搭建鏈路，這使得微波光子系統(tǒng)樣機或產(chǎn)品具有重量大、功耗高、穩(wěn)定性差等不足。因此，實現(xiàn)微波光子系統(tǒng)的微型化、片上化和集成化，是推動微波光子技術真正落地與廣泛應用的關鍵，也是近年來學術界和產(chǎn)業(yè)界關注的焦點。
然而，目前已報道的研究工作仍未能實現(xiàn)微波光子系統(tǒng)的完全芯片化集成，需要借助分立的光電子器件(例如：激光器、調制器等)或電子器件(例如：電學放大器等)來構建完整的系統(tǒng)鏈路，這在成本、體積、能耗、噪聲方面嚴重制約著微波光子技術的工程化與實用化。
鑒于此，近日，北京大學電子學院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室王興軍教授研究團隊提出了融合硅基光電子芯片、磷化銦芯片和 CMOS 電芯片的多芯片平臺混合集成方案，首次實現(xiàn)了微波光子系統(tǒng)光-電鏈路的完全集成化拉通。基于該技術方案，研究團隊設計實現(xiàn)了一款全芯片化的微波光子頻率測量系統(tǒng)，整體尺寸約為幾十 mm2，功耗低至 0.88 W，可實現(xiàn)對 2-34 GHz 寬頻段微波信號瞬時頻率信息的快速、精準測量。
該成果發(fā)表在 Laser & Photonics Reviews，題為“Fully on-chip microwave photonic instantaneous frequency measurement system”。北京大學博士研究生陶源盛與北京大學長三角光電科學研究院楊豐赫博士為論文的共同第一作者，王興軍教授為論文通訊作者。
該團隊設計的全芯片化微波光子頻率測量系統(tǒng)原理如圖1所示，他們在硅光芯片上有源集成了高速調制器(用于微波信號加載)、載波抑制微環(huán)、可調諧光學鑒頻器和光電探測器等器件?；诹谆熎脚_實現(xiàn)高性能的分布式反饋(DFB)激光器，并通過端對端對接耦合方式與硅光芯片實現(xiàn)互連。為在保證系統(tǒng)測量精度的條件下降低對后端采樣與處理電路的要求，他們將硅光芯片的弱光電流輸出通過金線鍵合的方式直接連接至 CMOS 跨阻放大芯片的輸入。經(jīng)跨阻放大后的電信號，僅需通過低速采樣電路采集，通過離線處理即可還原出輸入高頻微波信號的瞬時頻率信息。
圖1：全芯片化的微波光子頻率測量系統(tǒng)。
(a)系統(tǒng)三維示意圖；
(b)磷化銦激光器芯片與硅光芯片的光學顯微圖；
(c)系統(tǒng)整體的集成封裝實物圖。
圖源：Laser Photonics Rev.2022, 2200158, Figure 1
面向電子對抗、雷達預警等實際應用場景，研究人員們在實驗演示了該全芯片化微波光子頻率測量系統(tǒng)對多種不同格式、微秒級快速變化的微波信號頻率的實時鑒別。如圖 2 所示，依次是對 X 波段(8-12 GHz)范圍內的跳頻信號(Frequency hopping, FH)、線性調頻(Linear frequency modulation, LFM)和二次調頻(Secondary frequency modulation, SFM)三類信號的頻率-時間測量結果，誤差均方根僅 55-60 MHz，是迄今為止同類型集成微波光子系統(tǒng)所展示出的最佳性能。
圖2：復雜微波信號頻率的動態(tài)測量結果。
(a)跳頻信號(Frequency hopping, FH)的頻率測量；
(b) 線性調頻(Linear frequency modulation, LFM)的頻率測量；
(c)二次調頻(Secondary frequency modulation, SFM)信號的頻率測量
圖源：Laser Photonics Rev.2022, 2200158, Figure 4
未來展望
本工作所提出的多平臺光電混合集成工藝方案，除適用于微波測量應用，對于研究微波信號產(chǎn)生、信號處理、信號傳輸?shù)绕渌鞣N類型微波光子系統(tǒng)的集成化、微型化也具有很高的參考價值，為推動微波光子技術的工程化應用提供了一種通用性的解決方案。
論文信息
Tao, Y., Yang, F., Tao, Z., Chang, L., Shu, H., Jin, M., Zhou, Y., Ge, Z., Wang, X., Fully On-Chip Microwave Photonic Instantaneous Frequency Measurement System. Laser & Photonics Reviews 2022, 2200158.
https://doi.org/10.1002/lpor.202200158
