前沿进展 | 首个光-电完全芯片化集成的微波光子功能系统

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日， 北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室王兴军教授课题组在集成微波光子学研究领域取得新进展，他们采用光电混合集成技术方案，研制出世界上首个光-电完全芯片化集成的微波光子功能系统，并实验展示了对超宽频段微波信号瞬时频率的快速、精准测量。
相关成果以“Fully on-chip microwave photonic instantaneous frequency measurement system”为题于2022年8月12日发表在Laser & Photonics Reviews上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

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微波光子学作为融合了微波射频技术和光电子技术的交叉学科，在下一代通信、雷达、传感、航空航天、军事和安全等领域具有重要的应用前景。其中，实现微波光子系统的微型化、片上化和集成化，是推动微波光子技术真正落地与广泛应用的关键瓶颈问题之一。

然而，此前的研究工作均未能实现微波光子系统的完全芯片集成，而需要借助分立的光器件(例如：激光器、调制器等)或电器件(例如：电学放大器等)来构建完整的系统链路，这在成本、体积、功耗、噪声性能方面制约着微波光子技术的实用化与普及化。

03 研究创新点

为解决上述问题，研究团队提出了融合硅基光电子(硅光)芯片、磷化铟芯片和CMOS电芯片的多芯片平台混合集成方案，克服了以往所采用的单一材料平台在集成完整性不足方面的问题，首次实现了微波光子系统链路的完全集成化拉通。

为验证这一多平台光电混合集成方案的可行性，该团队利用该方案设计与实现了一款集成微波光子瞬时频率测量系统，如图1所示，系统尺寸约为几十 mm²，功耗仅0.88 W。

图1 (a)集成微波光子瞬时测频系统的结构图 (b)磷化铟激光器芯片与硅光芯片实物图  (c)系统整体的集成封装实物图

该集成微波光子系统基于频率-光功率映射的工作原理，可实现对超宽频段(2-34 GHz)内微波信号瞬时频率的测量。如图2所示，面向电子对抗、雷达预警等实际应用场景，研究人员们通过实验演示了该集成微波光子系统对于微秒级快速时变的跳频、线性调频、二次调频等多种不同格式微波信号频率的实时测量，频率测量误差在55-60 MHz，是迄今为止同类型集成微波光子系统所展示出的最佳性能。

图2(a)跳频(Frequency hopping, FH)  (b)线性调频(Linear frequency modulation, LFM)  (c)二次调频(Secondary frequency modulation, SFM)信号的频率动态测量结果

04 总结与展望

该团队所提出的多平台光电混合集成工艺方案，对于研究射频信号产生、信号处理、信号传输等各种类型微波光子系统的集成化、微型化都具有很高的参考价值，为推动微波光子技术的工程化应用提供了一种通用性的解决方案。

北京大学电子学院2017级博士研究生陶源盛、北京大学长三角光电科学研究院杨丰赫博士为共同第一作者，王兴军教授为通讯作者。主要合作者包括北京大学电子学院常林研究员、博士后舒浩文、博士研究生陶子涵、金明，北京大学长三角光电科学研究院周䶮、葛张峰。该研究得到了国家重点研发计划、北京市自然科学基金等资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/lpor.202200158

文稿来源：纳米电子前沿科学中心公众号

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编辑 | 方紫璇

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