基于硅基集成的可重构微波光子前端

霍元东 于鸿晨 陈明华

摘要：针对下一代无线通信网络需求提出了一种基于硅基集成的微波光子前端，它可以实现多波段、可重构和软件定义的微波光子信号处理。设计并实现了一种微波光子前端芯片，并初步测试了其性能，它可以实现可调谐上下变频和微波信号处理功能。

硅基集成；微波光子；射频前端

On account of the next-generation wireless communication networks， a microwave photonic front end based on silicon integration is proposed. It has the advantages of broad operating bandwidth， reconfigurability and software-defining on microwave photonic signal processing. A microwave photonic frontends chip is proposed and its performance is preliminarily tested， which contains the signal processing units of the up/down-conversion， phase shifting and filtering.

silicon photonics； microwave photonic； radio frequency （RF） frontend

随着5G移动互联网逐步走向应用，下一代移动互联网对微波前端提出了更高要求，包括更高频点的采用、多波束指向和适用多种调制格式，甚至要求实现多点无线资源协同。这主要体现在需要一种可以实现多波段、可重构和软件定义的微波前端，且工作波段向微波毫米波段扩展。在这种发展态势下，大频率覆盖范围的微波前端在下一代移动互联网、软件无线电和宽带泛在无线接入与感知等方面将有重要应用。

对频率范围从1 GHz到几十吉赫兹的微波信号进行处理是相当困难的，甚至在机理上也是不现实的。这是因为1 GHz波段和20～60 GHz波段使用的电子元件是截然不同的，很难实现跨多波段的可调谐与可重构的微波信号处理。同时，射频前端的动态范围也是限制无线系统性能进一步提高的重要因素之一。受限于模拟信号处理所依托的电子元器件的机理性限制，在可预见的未来，采用电子信号处理技术的射频前端很难实现频率从1 GHz到几十吉赫兹的微波信号处理。

微波光子技术是在光域上处理微波信号的前沿光电子技术，它为解决以上技术难题提供了新的思路[1]：首先，常用的1 550 nm光波长处1 nm带宽约125 GHz，已足以覆盖全波段微波波段，从而实现全波段可调谐微波光子信号处理；其次，光波频率比微波频率高3～4量级，利用光生微波技术较容易实现微波与毫米波信号；再次，光域上可以实现超低损耗的超宽带真时延，有利于微波信号的相参处理；最后，微波光子技术其潜在的高线性特征有助于构建大动态范围的微波光子系统。因此，基于微波光子技术，微波光子前端可以在全波段范围内实现宽带、多波段可调谐与可重构信号处理，且具有可预见大动态范围和抗电磁干扰等优势。但是，目前的研究方案多基于分立器件实现，器件尺寸大、鲁棒性差，离实用尚有较大的距离。另一方面，随着光子集成技术的逐步成熟，美国、中国等国的研究者各自在相关科研计划的支持下开始从事微波光子器件与功能模块的集成化研究[2-6]。具有小体积、高可靠性与低成本的微波光子集成微系统是满足微波光子学实际应用的重要手段，体现出微波光子学研究向这一新方向的聚集，并将在未来5G 和下一代移动互联网中扮演重要角色。

1 硅基集成微波光子前端

功能架构

硅基集成的微波光子前端是采用光域多波段、广覆盖的微波模拟信号处理方法并基于硅基光子加工手段构成多波段、高线性与可重构的微波光子前端片上系统。

微波光子前端主要包括光源、电光调制器、高精细度光信号处理器以及光电探测器。其中，除光源提供相干光波外，其他所有功能器件均将集成于绝缘衬底上的硅（SOI）芯片上构成微波光子前端片上系统。我们设计的基于硅基集成的微波光子前端芯片的结构功能框图如图1所示，其中紫色方框内即是项目要实现的硅基集成微波光子处理芯片，它将完成微波光子前端信号处理的所有功能，包括跨波段、可调谐微波光子信号处理，微波光子寬带上下变频，微波光子本振频率综合和相移控制。在图中上半部分为微波光子接收单元，其功能是可调谐接收跨波段的微波信号，并将其下变频为中频信号；下半部分为微波光子发射单元，它将电中频信号上变频为微波信号，作为微波光子前端的射频输出。下面将分别说明2个微波光子集成系统单元。

（1）微波光子信号接收端

输入的微波信号经过高速硅基光子相位调制器后转化为光域微波信号，然后由微环构成的微波光子无限冲激响应IIR处理器进行处理；该路光域微波信号再与另一路光子本振信号共同注入波导型光电锗平衡探测器，实现微波光子信号的下变频，得到的中频信号进入电处理模块进行处理。由图1可知：集成单元包括光束分波、光相位调制、微环可调谐滤波、光束合波单元和平衡探测单元，它们一起构成了可调谐微波光子前端功能单元。利用光域信号处理大带宽的特性，微波光子前端处理跨多个微波波段的微波信号。本项目将实现2～40 GHz微波信号的可调谐光子处理，这就意味着该集成单元可以工作在S、C、X、Ku、K和Ka 6个波段，这是传统的微波前端很难实现的。

（2）微波光子信号发送端

该单元将由电处理模块产生的中频信号通过光相位调制器转换为光域微波信号，然后与另一路光子本振信号同时注入基于波导的波导型锗光电平衡探测器，实现中频信号的上变频，并作为微波光子前端的射频输出。同样，它可以实现S、C、X、Ku、K和Ka 6个波段可调谐微波信号的输出。