使用創(chuàng)新的光子學拓撲，研究人員開發(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：

光子學如何提供高性能射頻濾波。

用于實現原理的光子學拓撲。

各種性能測試的結果。

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

微波光子學 (MWP) 是一個跨學科研究領域，它開發(fā)使用光學元件生成、處理和分配射頻/微波信號的技術。雖然已經開發(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、噪聲系數和動態(tài)范圍方面表現出先進的可重構性和高 RF 性能才能可行在實際射頻應用中。

Twente 大學（荷蘭恩斯赫德）的一個研究團隊開發(fā)了一種可編程的集成 MWP 電路，具有高集成度、多功能可重構性和令人印象深刻的 RF 性能。他們創(chuàng)建了具有創(chuàng)紀錄的低噪聲系數的可重構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

他們使用全集成調制變壓器 (MT) 和雙注入環(huán)形諧振器 (DI-RR) 作為多功能光學過濾組件實現的多功能、復雜的頻譜定制來實現這一點（圖 1 ）。該團隊還引入了兩種增強 RF 性能的技術：光載波抑制和低偏置 Mach Zehnder 調制器。

1.超高動態(tài)范圍可編程集成MWP電路：該電路包含一個多功能調制變壓器（MT）以獨立調整光調制頻譜的相位和幅度以及一個雙注入環(huán)形諧振器（DI-RR）合成各種響應，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消除互調失真 (IMD) 和噪聲系數 (NF) 來實現線性化，從而實現超高動態(tài)范圍。（SFDR：無寄生動態(tài)范圍）

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

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

結合 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 (NF)。通過適當的調諧，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百 MHz 的數量級，這對于某些 RF 應用來說是不夠的。

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，系統中引入了一種稱為受激布里淵散射 (SBS) 的非線性光學效應。SBS 是光學介質中的三階非線性特性，它是由光波和聲波在波導中的相互作用產生的。

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

波導是使用標準光子 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。然后將低壓化學氣相沉積 (LPCVD) 用于 Si 3 N 4層，同時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進行圖案化，并使用干法蝕刻進行處理。最后，通過 LPCVD TEOS 在波導上覆蓋一層額外的 SiO 2層。

檢測結果

核心 MT 和 DI-RR 的性能根據廣泛的相關因素進行了評估（圖 3）。

3.可編程集成 MWP 電路：(a) 帶有輪廓波導引線的可編程光子芯片的光學圖像，包含一個調制變壓器 (MT) 和一個雙注入環(huán)形諧振器 (DI-RR)。MT 包含一個頻譜解交織器，用于將一個 RF 邊帶與整個調制頻譜隔離開來。移相器和可調諧耦合器用于控制隔離邊帶的相位和幅度。調制變換是在輸出端重組后實現的。(b) 使用具有 IM 輸入的 MT 實現的具有 62 dB 消光的強度相位調制 (IMPM) 轉換的實驗結果。(c) 測得的具有 64 dB 消光的相位強度調制 (PMIM) 轉換，使用帶有 PM 輸入的 MT 實現。DI-RR 電路用于合成多個濾波器功能。(dg) 模擬（藍線）和測量（黑線）選擇的氮化硅 DI-RR 的響應，當調諧以展示陷波濾波器 (d)、帶通濾波器 (e)、類 fano 響應 (f) 和所有- 通過響應 (g)。[注意：“fano 響應”是一種導致不對稱線形的共振散射現象。]

端到端性能還針對許多參數進行了表征，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（圖 4 ）。

4.在 12 GHz 處具有陷波響應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 時的 SFDR。（IMD3：三階互調失真，IMD5：五階互調失真）

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

審核編輯：黃飛