低损耗氮化硅延迟线芯片及组件验证

刘大鹏， 冯 靖， 廖海军， 杨忠华， 崇毓华， 崔乃迪， 冯俊波， 郭 进

(1. 联合微电子中心有限责任公司， 重庆 404100； 2. 中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引 言

光控波束形成技术有望解决传统相控阵雷达中电相移器带来的波束倾斜和波形展宽问题，突破相控阵天线的“孔径效应”，进而实现轻量化、大瞬时带宽、宽扫描角度、波束无倾斜、低传输损耗、抗电磁干扰的相控阵系统，并提高雷达距离分辨率、抗干扰能力和波束指向性，因此受到了广泛的研究。

光控相控阵技术于20世纪80年代中期提出至今，逐渐从光纤延迟线系统、自由空间光系统过渡到光子集成芯片系统，不断地在体积、重量、功耗、规模上取得突破。1995年，美国休斯公司在DARPA的资助下研制出L 波段系统，采用了5 bit的光控真延时单元(Optical True Time Delay, OTTD)，实现了最大±60°扫描角度，验证了光控相控阵技术可以实现雷达的宽带与大角度扫描。1998年，MIT基于光纤Rotman透镜架构实现了4通道的光控接收预警天线系统样机，次年规模扩大到8通道，实现了最大±52.5°扫描角度。随着集成光电子技术的飞速发展，2000年以后光控相控阵系统的研究朝着集成化、多通道、多波束等方向发展。2007年，IBM在Nature上发表了多个微环谐振器级联的SOI延时芯片，通过改变群折射率来控制延时量。2011年，以色列Bar-Ilan大学采用空间Rotman透镜实现了多波束光控波束形成系统。2014年，欧盟PHODIR项目进行外场实验，实现了大带宽、多频段应用、软件定义功能的光子雷达系统，成果发表在Nature上。2015年，南京航空航天大学潘时龙教授团队提出了一种基于光频梳和色散介质波束形成系统，步进69 ps，最大延时1.4 ns。2017年，上海交通大学陈建平教授团队在Optica上发表了基于微环谐振器和MZI级联结合的硅基连续可调光延迟芯片，采用了自主研发的低损耗波导工艺。同年，中科院电子所研制的微波光子雷达，进行场外测试，获得了高图像分辨率。2018年，华中科技大学董建绩教授团队实现了一种基于反射布拉格光栅的可调延时光子集成芯片，实现了12 nm波长范围内50 ps的延时量。2019年，华中科技大学张新亮教授团队实现了8通道可重构的光延迟线阵列芯片，延时精度与功耗一致性较高。同年，中科院半导体研究所李明研究员团队基于仕佳光子公司的二氧化硅平台实现了100 ns的大延时光子集成芯片，损耗低至1.08 dB/m。东南大学崔一平教授团队提出了一种基于AWG实现的具有波长选择性的光真延时芯片，可实现步进5.7 ps，最大278 ps 的延时。中国电子科技集团公司第三十八研究所团队利用硅基光子集成技术实现光控波束形成网络组件的芯片化，突破传统电域解决方案在性能和集成度上面临的问题，工作频段12～18 GHz，最大延时量210 ps，延时抖动<3 ps，单路功耗150 mW。重庆声光电利用氮化硅波导光子集成技术实现了约50 ps的多通道光延时芯片，采用4吋、0.5 μm的硅基工艺线进行流片，单通道损耗约8 dB。2021年，浙江大学章献民教授团队提出了一种用于二维相控阵雷达的光子集成波束形成芯片，芯片功耗4.32 W，精度0.55 ps，指向角误差0.5°。

光子集成延迟线芯片的关键是通过改变光程实现片上真延时切换，而光程由群折射率和路径长度共同决定。因此，从物理内涵上可以将光真延时技术分为两类：调控群折射率与改变路径长度。MZI光开关切换方案结构简单，延时量大，但面临光路损耗大、控制电路复杂等缺点，因此设计开发低损耗的集成光波导与光开关有望进一步推动MZI光开关切换型的延迟线芯片实用化。本文基于联合微电子中心有限责任公司(简称CUMEC)的自主SiN工艺平台研究制备了低损耗MZI步进型延迟线芯片，实现了芯片的模块化封装，并完成了八阵元光控波束形成网络样机研制与功能演示验证。

1 芯片设计制备

本文所设计的MZI步进型延迟线单通道链路示意图与芯片版图如图1所示，延时位数5 bit，延时步进6.4 ps，最大延时量为198.4 ps。

(a) 延迟线芯片单通道链路示意图

(b) 延迟线芯片版图图1 延迟线芯片单通道链路示意图与芯片版图

延迟线芯片主要由低损耗SiN波导、光开关、小模场端面耦合器组成。其中，不同长度的SiN波导提供不同的光程差实现不同延时量单元，光开关用于切换光路实现芯片不同延时单元的组合状态，小模场端面耦合器实现芯片与小模场光纤的低损耗耦合。延迟线芯片版图如图1(b)所示。芯片基于联合微电子中心有限责任公司的CSiN300 PDK设计制备完成，所采用的波导尺寸为0.3 μm×1 μm，波导群折射率1.92，波导传输损耗<0.1 dB/cm，端面耦合损耗<2 dB/facet，光开关为热光开关，采用TiN加热电极，光开关消光比>30 dB，半波功率约为115 mW，本文制备的芯片如图2所示。

图2 芯片实物照片

2 芯片封装测试

本文所制备的延迟线芯片基于CUMEC标准封装工艺实现模块化封装。如图3所示，光学封装方面，采用UHNF光纤端面耦合封装输入和输出端口。电学封装方面，基于金丝引线键合的方式将延迟线芯片的电极引出到PCB板上，通过多通道DAC控制延迟线芯片上的延时组合，并采用温控电路反馈控制延迟线芯片的工作温度。

图3 延迟线芯片模块

光开关的切换速度决定了延迟线芯片的延时状态切换速度，是延迟线芯片应用的关键参数之一。测试结果如图4所示，白色信号为触发光开关的方波信号，频率设置为1 000 Hz，占空比为50%，低电平设置在0 V，高电平设置在6 V，黄色信号为由光开关输出经光电探测器转换后的电信号，可以看到输出信号的上升沿约为90 μs，下降沿约为60 μs，均低于100 μs，即光开关的切换速度小于100 μs，延迟线芯片的延时状态切换速度小于100 μs。

图4 光开关切换速度测试结果

如图5所示，本文搭建了典型光矢量网络分析链路用于测试制备的延迟线芯片不同延时状态下的幅度和相位响应。电矢量网络分析仪扫频范围1～20 GHz，取样点数为1 601，微波信号通过调制器加载到光上，然后经过延迟线芯片模块延时，注入光电探测器转换为电信号，经过电放大器放大后输入到矢量网络分析仪中，该链路可以实现集成光子器件幅相特性的高精度分析。

图5 延迟线芯片测试链路

基于电源控制切换光开关改变光程实现芯片的32个延时状态，用矢量网络分析仪读取每一个状态下的幅度响应和相位响应，并用光功率计记录分析该状态下芯片的光损耗。

链路所测得的S21曲线如图6所示，图6(a)为可调光延迟芯片32种延时状态下的1～20 GHz工作频率的幅度响应，其幅度一致性±4.5 dB；图6(b)为可调光延迟芯片不同状态下的相位响应，其相位一致性±23°，分析可得到图7中所示不同状态下延迟芯片提供的延时量，经过计算，测试延时量与设计延时量之间的误差范围为-0.6～+2.0 ps。

(a) 幅度响应

(b) 相位响应图6 基于光矢网不同延时状态的幅度相位响应

图7 不同延时状态下的设计与测试延时量

同时通过光功率计读取各个延时状态下的光功率数值，一共32个延时状态，对应延时量从0 ps按步进6.4 ps递增至198.4 ps，其中损耗最大的状态编号为9，此时的延时量设计值为51.2 ps，测试值为50.9 ps，损耗-9.20 dB。损耗最小的状态编号为1，此时的延时量设计值为0 ps，测试值为0 ps，损耗-6.27 dB，光功率一致性为<±1.5 dB。芯片工作在最大延时量198.4 ps状态下时损耗为8.74 dB，小于部分中间延时状态的损耗值，由此分析导致芯片±1.5 dB功率一致性的主要原因是光开关的消光比不足带来的路径串扰以及多级干涉导致，后续可通过优化光开关设计、链路结构与制备工艺改善。

3 样机演示验证

本文基于所制备封装的低损耗延迟线芯片模块，研制了8通道的波束形成样机，样机一共2层，每层4通道，其单层链路示意图和实物如图8所示。从激光器发射的光被加载到调制器上的微波信号调制后，经过1分4光耦合器，分别进入4个偏振控制器中调整偏振态，然后输入到所研制的延迟线芯片模块中经过不同的延时后注入探测器中完成光电转换，产生的电信号经由电放大器放大后经电缆馈入到发射天线中发射。

图8 八阵元光控波束形成网络样机单层链路示意与实物图

样机实物尺寸为450 mm×400 mm×200 mm，其8个通道工作在1～20 GHz时的幅度一致性±4.5 dB以内，相位一致性±23°以内。其电幅度一致性大于理论上±1.5 dB光功率对应的电幅度一致性，分析是因为样机中调制器与探测器工作在1～20 GHz时的幅度响应不平坦造成的，后续可通过优化器件选型或设计改善。样机中内置的芯片通过开发的电路板加电控制，可以实现波束状态的切换以及单个延迟线的延时状态切换。基于上述研制的波束形成样机，本文进行了暗室测量。如图9所示，测试环境为4 m×6 m大小的暗室，发射天线到接收天线的距离约为3 m。矢量网络分析仪发射的微波信号接入到八阵元波束形成系统样机的输入端口中，经过样机中的系统链路转为8个微波输出端口，将这8个微波输出端口按顺序依次接到发射天线的各个阵元微波接口上，另将接收天线的微波接口通过10 m长的微波电缆接到矢量网络分析仪的输入端口。发射天线和波束形成系统样机安装在转台上，控制转台实现从-100°到+100°的角度扫描，接收天线接收到不同角度时发射天线发出的信号，从而得到不同指向角度下的信号信息，形成方向图。

图9 暗室测试方向图

在上述的暗室测试中，八阵元波束形成系统样机共实现了6～18 GHz工作频段下7种不同的波束指向状态，其中工作在17.5 GHz时的方向图仿真与测试结果如图10所示，该样机实现了从-35°到+35°的波束控制和扫描，且与仿真结果一致。但由于测试过程中偏振态的改变和相位抖动造成了波形的劣化以及指向角的偏差，后续实验可采用保偏封装保证模块与系统的稳定性，提高波束形成质量。

图10 工作在17.5 GHz频点的仿真与测试方向图

4 结束语

光控波束形成技术相比于传统相控阵技术有着大瞬时带宽、无波束倾斜、抗电磁干扰等优势。本文基于联合微电子中心有限责任公司的自主SiN工艺平台研究制备了低损耗MZI步进型延迟线芯片，延时步进6.4 ps，位数5 bit，最大延时量198.4 ps，波导损耗<0.1 dB/cm。完成了芯片的模块化封装，延时状态切换速度优于100 μs，微波信号1～20 GHz范围内，其电幅度一致性±4.5 dB，相位一致性±23°，光功率一致性±1.5 dB，最小损耗-6.27 dB，其测试延时量误差为-0.6 ～+2.0 ps。本文基于制备的延迟线芯片模块，完成了八阵元光控波束形成网络样机研制，验证了从-35°到+35°的波束扫描。本文研究有望通过优化结构设计与制备，进一步推动基于集成光子芯片的光控波束形成技术的应用。