面向下一代载荷系统应用的光子集成芯片探索①

梁 栋，谭庆贵，蒋 炜，张 武，王 迪，龚静文

(中国空间技术研究院西安分院，空间微波技术国家级重点实验室，西安 710000)

0 引言

随着通信卫星技术的发展，各国相继发射大容量、高速率的通信卫星，以满足不断增长的卫星宽带通信与中继一体化应用需求。通过多波束及频率复用，使每颗卫星能得到同等轨道频谱的常规卫星数倍或数十倍的可用频率资源，可大大降低宽带成本，在宽带接入、数据中继、基站回传、航空舰船娱乐、政府与企业服务等方面得到了广泛应用。目前国际上对大容量宽带卫星通信的研究和应用越来越广泛，国外已出现了波束数量超过100、总容量超100Gbps，可支撑250万用户的宽带通信卫星系统。未来几年，将发展总容量达250Gbps的超大容量系统。目前国内宽带通信卫星通信最大容量仅20Gbps左右，随着国内大容量卫星平台技术(东五)的逐步成熟，构建容量超过100Gbps的大容量宽带卫星成为可能。但大容量宽带卫星载荷的研制仍面临不少技术挑战。

硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容。因此，将光子集成技术和微电子技术集合起来，发展光电子集成科学和技术意义重大[1]。世界各发达国家都把光子集成作为长远发展目标。典型代表为高速数字光收发片上系统的研制，Intel公司于2019年开发完成了400Gbps硅光子收发器芯片与集成封装原型、IBM公司开发研制的高速光子连接器已实现商用。随着商业需求不断扩大，集成相关的设计、研制、封装与测试的标准化与自动化生产正在逐步建立，美国、日本、欧洲等具有先进封装与测试技术的公司,例如美国Newport、日本SURUGA、欧洲Tyndall等公司或研究机构，已实现了互联损耗≤0.3dB、耦合步进精度5nm的光电子多芯片一体化封装，具备100通道的大规模测试能力。

1 光子集成载荷应用面临的挑战

相比主要针对电信业务的数字信号收发，如大容量光通信、光互联，超大规模数据中心等需要在单一芯片上实现高速的片上通信、多功能光子元件的数字收发和处理。然而，对于空间载荷应用，主要针对的是宽带多波束的模拟信号处理，现有的硅基/磷化铟基光子集成平台均缺乏有针对性的模拟信号处理环境，需要在现有数字收发工艺基础上重新进行架构设计[2,3]。对于模拟信号的片上处理，相比离散的微波光子信号处理模式，其发展仍面临不少技术挑战：

主要挑战之一：片上非理想的模拟调制环境，难以直接复制离散微波光子系统框架。受限于现有集成工艺误差，无法保证稳定的分支波导长度及热控相位控制，调制输出消光比在5dB以下，相比离散系统使用的25dB以上铌酸锂晶体调制器性能，难以实现复杂的模拟调制功能。

主要挑战之二：片上增益能力有限，热控影响更敏感。片上激光激励部件对波长的线宽、波长稳定性、增益和噪声控制能力有限，需要探索片上波长不敏感、功率利用率更高的信号处理框架，且高集成度的片上环境对热控影响更为敏感。

主要挑战之三：片上频谱调控及幅相控制精度有限。片上系统"设计-版图-流片-测试"的实现流程决定了其在测试阶段只能进行有限的反馈补偿，大部分的反馈优化节点需要在设计阶段提前布局，性能冗余度较低。

利用迅速发展的光子集成技术结合成熟的微电子集成，同时借助于微波光子大宽带、低损耗、高传输效率、高通量等优势，开展多功能的光子集成载荷应用研究，其潜在优势如下：

1)跨频段信号处理能力：核心处理部件工作频段范围覆盖C频段-Ka频段，满足未来宽带载荷应用需求。

2)高瞬时带宽的波束处理能力：对标未来高通量馈电链路需求，采用片上光信号处理，单端口最大瞬时处理带宽4GHz以上，支持任意频段的实时接收；

3)模拟-数字处理一跳对接：大瞬时带宽的片上光信号处理能够支持宽带射频前端与数字信号处理的一跳连接，兼容软件无线电载荷发展轨迹。

4)重量和体积降低50%以上：采用光子集成技术，可以有效降低卫星载荷的体积和重量。

5)无扰全光处理：核心功能如透明交换、上下变频、信号馈送均在全光域环境完成，解决载荷规模扩展引起的电磁干扰难题；

随着光子技术在光通信、高带宽计算、传输与存储等方面的成功应用，低成本、批量化、高集成度的PIC(集成光子芯片)与IC(集成电子芯片)多芯片混合封装与大规模测试必然是其商业应用以及军事推广的发展趋势。借助于光子大宽带、低损耗、高传输效率、高通量等优势，光子集成技术在空间载荷领域具有非常大的应用潜力。

2 光子集成芯片在载荷系统中的典型应用

在光子集成芯片的研究中，除了针对单个光学元器件的深度性能挖掘，现在越来越多的研究课题开始瞄向未来多功能宽带信号处理系统或者以星上应用为背景的载荷系统，开展片上系统功能研制。本小节从单片集成光子芯片的拓展出发，通过分析几款具有典型功能的片上光子系统，进一步梳理光子集成芯片在未来载荷应用的发展脉络。

法国空客 ：光子馈电链路及光子集成波束形成模组搭载验证

Airbus 计划2023年依靠OPTIMA Horizon2020项目搭载验证V频段至Ka/Ku频段的光子馈电链路以及基于光子集成的波束形成模组。验证内容包含阵列式电光调制/光电解调、上下变频、光交换以及片上波束形成网络等内容[4-6]。该载荷系统由Airbus抓总，西班牙DAS Photonics公司、法国 Sodern公司、德国IHP研究所以及荷兰LioniX公司等多家团队联合完成。

(a)

(b)

其中，射频前端的光波束形成模块拟基于硅基或氮化硅基光子集成芯片方案构建。下图所示为基于氮化硅材料实现的单波束下16*1的光子波束形成网络芯片方案。芯片研制单位为荷兰LioniX公司。

(a)

(b) (c)

除此之外，西班牙DAS公司的8*8 & 64路可重构Butler Matrix光延迟阵列芯片也为该载荷射频前端研制提供技术支撑，如图2所示，可用于完成多波束直接辐射阵列天线功能[7,8]。相比传统波束成形模块，其波束耦合单元数量由8064个降至192个。

图3 可重构Butler Matrix光延迟阵列芯片

该系统将光子部分载荷技术成熟度提升至6级，预计2023年进行轨道验证，其设计预计能够支撑至少15年的同步轨道星载服役寿命。相比传统射频载荷，光载荷整体功耗降低15%，传输及交换部分减重45%，整个载荷减重24%。

表1 光子载荷与传统射频载荷SWaP对比

空客面向光子馈电链路以及光子集成波束形成网络芯片的搭载计划，直观的验证了光子技术在载荷系统射频前端的应用优势。限于目前光子研制工艺，仅有变频后端的光波束形成网络模组实现了芯片化，其余无源以及有源部分仍以离散光元件为主。随着芯片研制工艺的进一步提升，我们有理由相信光子芯片在未来载荷系统优势中的优势将会更加凸显。

3 全芯片化光子处理转发载荷设想

结合光子集成技术优势，在现有光子射频前端探索验证基础上，针对未来卫星宽带通信与中继一体化应用需求我们提出了一种全芯片架构的光子处理转发载荷系统框架，如图4所示。除收发天线及微波T/R组件外，其余信号处理功能均由片上光载荷处理模块完成。能够实现包括本振馈送、片上阵列混频、波束间交换、片上信道化、信道间交换、片上波束形成等多尺度处理转发功能。构建通用化、小型化、多波束并行的高通量卫星通信载荷系统，能够支持未来跨频段、多格式、多业务的宽带/窄带混合波束的中继服务[9]。

接收天线单元收到来自不同用户或地面站的N个宽带/窄带波束，经微波T/R组件完成滤波及低噪声功率放大各自输入片上电光混频阵列，在片上光源及本振馈送单元驱动下实现对多波束射频信号的电光调制及混频，后经过片上波束交换阵列完成波束间光交换。无需进行片上处理的信号，如用户端窄带通信波束，经波束交换后输入片上光电探测阵列完成光电转换后进行滤波及功率放大输送至发射天线，即在光域完成阵列式微波混频及路由交换功能。需要进行片上处理的信号，如宽带终端或地面站的宽带中继波束，经波束交换路由至片上光学信道化处理单元，实现光域信号窄带化分，之后根据用户需求可分别实现片上信道间交换或片上波束形成。最终经阵列式光电探测后进入下行链路。

图4 全芯片架构的光子处理转发载荷系统

为实现该全芯片架构的光子处理转发载荷系统，目前仍需解决的关键技术：

片上光交换：构建具备快速切换能力的16*16以上光路交换矩阵，需要重点解决大规模交换下光损耗及功耗问题，实现小型化、低损耗、低串扰的片上光交换能力。

片上信道化：构建大瞬时带宽的光学输入多工器，输入波束带宽≥4GHz，输出单信道带宽≤500MHz，需要重点解决矩形系数优化及波长稳定控制问题，开展多材料有源/无源信道化方案研究。

片上波束形成网络:在现有片上研究基础上，开展更大规模、更低功耗的波束形成网络芯片架构研究。

多芯片混合集成：片上光子载荷系统中有源/无源组件交叠，需要进行多次芯片间耦合，需要重点解决不同芯片材料间低损耗阵列式耦合技术研究，实现低损耗的高效芯片耦合。

片上光载荷处理模块内部由光波导实现片内互联，外部通过微带线与微波T/R组件互联，实现光子芯片与微波芯片的光电混合集成与封装，进一步优化载荷系统的SWaP。该架构涉及有源、无源等不同类型芯片结构，也就意味着未来片上光载荷处理转发模块需要综合考虑硅基、磷化铟基、氮化硅基以及二氧化硅等多材料芯片的信号处理特性、稳定性以及空间环境适应性，并重点开展不同材料间的高效耦合技术和工艺探索。

4 结束语

文章分析了光子集成技术在未来卫星宽带通信与中继一体化载荷系统中的应用需求，完成了片上光处理与离散光处理的技术难度梳理及潜在优势分析。以Airbus搭载计划为例，完成了典型光子集成载荷验证应用分析。在此基础上，提出一种全芯片架构的光子处理转发载荷系统架构,并完成相应的功能拆解及业务划分，提出下一步需要重点攻关的关键技术。

随着芯片研制工艺的提升以及光子芯片在空间环境适应性的深入探索，在可预见的未来，构建完全芯片化的片上光子载荷将成为可能，其带来的带宽、体积、重量、功耗优势，也必然会持续引领空间载荷系统朝小型化和智能化的发展变革。