本文为中国激光第2557篇。欢迎点击在看、转发，让更多人看到。微波相控阵天线具有快速、精准的波束扫描能力。波束成形技术是实现相控阵天线波束偏转的关键：调节每一路微波信号的幅度和相位，信号由天线阵列发射后，可在远场相干叠加实现波束偏转。随着阵列规模和信号瞬时带宽的增大，传统基于电学移相器的波束形成网络面临着孔径渡越和波束偏斜问题，导致天线的波束指向偏移、脉冲压缩后主瓣展宽、有效带宽减少，限制了相控阵雷达的应用。集成微波光子波束成形技术首先将微波信号调制到光信号上，然后通过集成光学真延迟线在光域调节微波信号的延迟。之后，由光-电转换恢复的微波信号通过天线阵列发射后在远场相干叠加，最终可实现微波波束形状和偏转方向的调控。集成光学真延迟线技术由光开关、微环等器件在光电子集成芯片上实现。光学真延迟线可以调节光信号在波导中的传输时间，进而改变调制在光信号上的微波信号的传输延迟。光子波束成形芯片的不同通道间可形成延迟差，而非传统电学移相器产生的相位差，可实现宽带微波信号的偏转，故而称为“真”延迟。集成微波光子波束成形技术具有低损耗、大带宽、小尺寸、不受电磁干扰的优势，是未来一体化微波光子宽带相控阵雷达波束成形的可行方案。基于微环谐振器的光学可调真延迟线具有体积小、延迟连续可调的优势，但由于制备工艺误差，波导的初始相位存在随机性，需要校准微环谐振器的初始耦合系数和相位。同时，微环的谐振特性使其工作带宽较小，状态易受温度影响，环境温度变化和片上其他器件的热串扰会使微环的耦合系数和谐振波长发生漂移。为满足波束成形网络对大规模阵列、大偏转角度、大带宽的需求，级联微环波束成形网络的芯片规模和集成度需要不断提升，大规模微环阵列的标定与控制的复杂度也随之提升，这极大地限制了其实际应用。
基于此，上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室陆梁军教授团队提出了一种基于级联反谐振微环的1×N树状结构波束成形网络芯片结构。树状结构波束成形网络由光分束器连接各级微环延迟线，各个通道间的微环共用可以减少系统所需微环数量。将微环工作于反谐振波长处，可有效扩大延迟线工作带宽，降低延迟抖动，进而降低波束成形网络的控制难度。
团队设计了3级1×8波束成形网络芯片，芯片基于TriPlexTM低损耗氮化硅波导平台制备。图1（a）为芯片整体结构显微镜照片。芯片固定在导热基板上以增强散热，基板下方集成热敏电阻和半导体制冷器（TEC）以控制芯片温度。片上电极引线键合到互联电路板以实现电学连接。水平光纤阵列（FA）和芯片端面耦合，单端的耦合损耗为2.3 dB。模块化光电封装由上海交大-平湖智能光电研究院完成，封装后照片如图1（b）所示。
图1 氮化硅芯片封装前后照片。（a）1×8波束成形芯片显微镜照片；（b）芯片光电封装后照片
针对级联微环波束成型网络芯片的校准，团队提出了一种基于传输谱和延迟谱分析的反馈校准算法，并构建了自动化校准系统，实现了精确延迟调节。反馈校准算法包含光谱校准和微波延迟谱校准两个阶段。光谱校准阶段通过光学传输谱来实现微环耦合系数K = 0/1标定和微环谐振波长锁定；微波延迟谱校准阶段通过微波延迟谱来实现微环延迟离散/连续调节，能够消除微环间热串扰。最终实现自动化、低延迟抖动的微环延迟精准调节。该反馈校准算法不需要额外片上器件，降低了硬件开支，具有应用于大规模系统的拓展能力。而后，实验测试了具有21个级联微环的延迟路径，各微环逐个从K = 0状态调节到K = 1状态。每将一个微环状态从0调节到1，都会减小延迟误差和抖动，保证微波信号的延迟量收敛于设计值。经测试，该路径的最大延迟量为560 ps，延迟抖动控制在11.2 ps以内。图2（a）为最长延迟路径的微波延迟谱测试结果图。通过联合调节微环耦合系数和微环相位来保持微环谐振波长锁定，从而实现了延迟连续调节功能。在树状级联延迟线中，每级仅需一个微环即可实现连续调节，这显著增大了延迟线带宽。实验测试了三个微环延迟连续调节功能，不同延迟步进下的延迟谱如图2（b）所示，数据表明：连续调节微环组合后，延迟线仍可保持较大的延迟带宽。
图2 微波延迟测试结果。（a）延迟线上每个微环从K = 0状态调节到K = 1状态的微波延迟谱，迭代优化微环状态以消除热串扰影响；（b）不同延迟步进下三个连续调节微环微波延迟谱下一步，团队会拓展该波束成形网络的规模，验证本研究的自动标定和控制算法的可行性。此外，可通过多材料体系异质集成，将光源、调制器、探测器与波束成形网络芯片进行混合集成，从而促进整个微波光子波束形成网络趋向于小型化和集成化，进一步推动硅基集成微波光子波束成形芯片从理论走向应用。
陆梁军，上海交通大学电子工程系“区域光纤通信网与新型光通信系统”国家重点实验室长聘教轨副教授。主要研究方向为硅基光电子集成芯片及系统应用。主持重点研发计划青年科学家项目、基金委面上、青年项目等8项。在Optica等国内外期刊发表论文60余篇，持有中国发明专利20余项。研究成果获得OFC康宁杰出学生奖、中国光学十大进展和华为优秀技术成果奖。上海交通大学区域光纤通信与新型光通信系统国家重点实验室陈建平教授研究团队，主要研究方向为硅基光电子集成及应用，应用领域包括光通信和光互连、微波光子、激光雷达等。团队建立了光电子芯片封测平台，为国内近100家单位提供封测服务，推动了光电子芯片产业化发展。
近年来，团队承担了多项国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、上海市科技重大专项、国防项目及其他企业合作项目等。科学编辑| 孙寒玮 陆梁军
1. 封面 | 片上集成多维光互连和光处理
2. 封面 | 微纳之间出新意——基于微纳光电子学的新型光电子芯片
3. 封面 | 硅基光电计算
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