使用創(chuàng)新的光子學(xué)拓?fù)洌芯咳藛T開發(fā)了一種具有超寬動態(tài)范圍和低噪聲的集成微波濾波器。

通過本文，您將可以了解到：

光子學(xué)如何提供高性能射頻濾波。

用于實(shí)現(xiàn)原理的光子學(xué)拓?fù)洹?/p>

各種性能測試的結(jié)果。

乍一看，電子電路/RF 世界和光子設(shè)備世界似乎是兩個(gè)截然不同的環(huán)境。但事實(shí)并非如此，許多光子器件正在微波 RF 應(yīng)用中發(fā)揮作用。

微波光子學(xué) (MWP) 是一個(gè)跨學(xué)科研究領(lǐng)域，它開發(fā)使用光學(xué)元件生成、處理和分配射頻/微波信號的技術(shù)。雖然已經(jīng)開發(fā)了許多集成的 MWP 功能，例如濾波器、移相器、延遲線和波束成形，但這些電路需要在損耗、噪聲系數(shù)和動態(tài)范圍方面表現(xiàn)出先進(jìn)的可重構(gòu)性和高 RF 性能才能可行在實(shí)際射頻應(yīng)用中。

Twente 大學(xué)（荷蘭恩斯赫德）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可編程的集成 MWP 電路，具有高集成度、多功能可重構(gòu)性和令人印象深刻的 RF 性能。他們創(chuàng)建了具有創(chuàng)紀(jì)錄的低噪聲系數(shù)的可重構(gòu)濾波器功能和具有超高動態(tài)范圍的 RF 陷波濾波器。

MT 和 DI-RR

他們使用全集成調(diào)制變壓器 (MT) 和雙注入環(huán)形諧振器 (DI-RR) 作為多功能光學(xué)過濾組件實(shí)現(xiàn)的多功能、復(fù)雜的頻譜定制來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)（圖 1 ）。該團(tuán)隊(duì)還引入了兩種增強(qiáng) RF 性能的技術(shù)：光載波抑制和低偏置 Mach Zehnder 調(diào)制器。

1.超高動態(tài)范圍可編程集成MWP電路：該電路包含一個(gè)多功能調(diào)制變壓器（MT）以獨(dú)立調(diào)整光調(diào)制頻譜的相位和幅度以及一個(gè)雙注入環(huán)形諧振器（DI-RR）合成各種響應(yīng)，包括可編程射頻濾波器。MT 和 DI-RR 的組合還允許通過低偏置和載波抑制技術(shù)消除互調(diào)失真 (IMD) 和噪聲系數(shù) (NF) 來實(shí)現(xiàn)線性化，從而實(shí)現(xiàn)超高動態(tài)范圍。（SFDR：無寄生動態(tài)范圍）

MT 可以獨(dú)立調(diào)整任何輸入光調(diào)制頻譜的相位和幅度，并將頻譜轉(zhuǎn)換為不同的輸出光調(diào)制（圖 2）。DI-RR 能夠從單個(gè)輸出合成六個(gè)不同的響應(yīng)；使用新電路提出了四種不同的概念驗(yàn)證方案。

2.調(diào)制變換器（MT）的工作原理：頻譜解交織器用于將一個(gè)邊帶與光載波和另一邊帶隔離開來。級聯(lián)可調(diào)衰減器和移相器用于調(diào)整隔離邊帶的相位和幅度。結(jié)合光載波和未處理的邊帶，可實(shí)現(xiàn)多種光譜整形，合成多種調(diào)制格式，例如單邊帶 (SSB) 調(diào)制、相位調(diào)制和任意調(diào)制。（INT：頻譜解交織器，TA：可調(diào)衰減器，PS：移相器）

結(jié)合 MT 和 DI-RR 的電路合成了具有高 RF 性能的 MWP 帶阻帶通可重構(gòu)濾波器。MWP 帶阻/陷波濾波器具有 58 dB 抑制和 10 dB 射頻增益和 15 dB 噪聲系數(shù) (NF)。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧，該濾波器可以重新配置為具有 20 dB 抑制、1.2 dB RF 增益和 21.8 dB NF 的 MWP 帶通濾波器。

這些結(jié)果表明，新電路具有通用的濾波功能以及卓越的射頻性能。然而，盡管取得了這些成就，新電路的濾波器帶寬仍處于數(shù)百 MHz 的數(shù)量級，這對于某些 RF 應(yīng)用來說是不夠的。

使用 SBS 提高帶寬

為了克服這一挑戰(zhàn)并創(chuàng)建具有窄帶寬的 MWP 濾波器，系統(tǒng)中引入了一種稱為受激布里淵散射 (SBS) 的非線性光學(xué)效應(yīng)。SBS 是光學(xué)介質(zhì)中的三階非線性特性，它是由光波和聲波在波導(dǎo)中的相互作用產(chǎn)生的。

因此，在接下來的電路設(shè)計(jì)中，在系統(tǒng)中添加了能夠感應(yīng) SBS 的螺旋波導(dǎo)。與 MT 和 DI-RR 一起，這個(gè)新電路旨在創(chuàng)建一個(gè)可編程的 MWP 布里淵濾波器，它具有可重新配置的窄帶寬和高 RF 性能。

波導(dǎo)是使用標(biāo)準(zhǔn)光子 IC 工藝制造的。首先，在高于 1000°C 的溫度下，通過濕法熱氧化單晶硅襯底生長SiO 2層。然后將低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD) 用于 Si 3 N 4層，同時(shí)將氣體原硅酸四乙酯 (TEOS) 用于中間 SiO 2層。隨后，使用接觸光刻對波導(dǎo)進(jìn)行圖案化，并使用干法蝕刻進(jìn)行處理。最后，通過 LPCVD TEOS 在波導(dǎo)上覆蓋一層額外的 SiO 2層。

檢測結(jié)果

核心 MT 和 DI-RR 的性能根據(jù)廣泛的相關(guān)因素進(jìn)行了評估（圖 3）。

3.可編程集成 MWP 電路：(a) 帶有輪廓波導(dǎo)引線的可編程光子芯片的光學(xué)圖像，包含一個(gè)調(diào)制變壓器 (MT) 和一個(gè)雙注入環(huán)形諧振器 (DI-RR)。MT 包含一個(gè)頻譜解交織器，用于將一個(gè) RF 邊帶與整個(gè)調(diào)制頻譜隔離開來。移相器和可調(diào)諧耦合器用于控制隔離邊帶的相位和幅度。調(diào)制變換是在輸出端重組后實(shí)現(xiàn)的。(b) 使用具有 IM 輸入的 MT 實(shí)現(xiàn)的具有 62 dB 消光的強(qiáng)度相位調(diào)制 (IMPM) 轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(c) 測得的具有 64 dB 消光的相位強(qiáng)度調(diào)制 (PMIM) 轉(zhuǎn)換，使用帶有 PM 輸入的 MT 實(shí)現(xiàn)。DI-RR 電路用于合成多個(gè)濾波器功能。(dg) 模擬（藍(lán)線）和測量（黑線）選擇的氮化硅 DI-RR 的響應(yīng)，當(dāng)調(diào)諧以展示陷波濾波器 (d)、帶通濾波器 (e)、類 fano 響應(yīng) (f) 和所有- 通過響應(yīng) (g)。[注意：“fano 響應(yīng)”是一種導(dǎo)致不對稱線形的共振散射現(xiàn)象。]

端到端性能還針對許多參數(shù)進(jìn)行了表征，包括（但不限于）在各種雙音頻率下的無雜散動態(tài)范圍 (SFDR) 測量以及 12 GHz 的陷波響應(yīng)（圖 4 ）。

4.在 12 GHz 處具有陷波響應(yīng)的各種雙音頻率下的無雜散動態(tài)范圍 (SFDR) 測量：(a) 8 GHz 處的 SFDR，(b) 9 GHz 處的 SFDR，(c) 10 GHz 處的 SFDR，(d ) 16 GHz 時(shí)的 SFDR。（IMD3：三階互調(diào)失真，IMD5：五階互調(diào)失真）

該研究的作者之一 David Marpaung 教授這樣總結(jié)道：“解決噪聲系數(shù)和動態(tài)范圍問題是微波光子學(xué)中最艱巨的挑戰(zhàn)之一。這一突破證明集成微波光子學(xué)確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)非常高的性能。”

審核編輯：黃飛