使用創新的光子學拓撲，研究人員開發了一種具有超寬動態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境。但事實并非如此，許多光子器件正在微波 RF 應用中發揮作用。

微波光子學 (MWP) 是一個跨學科研究領域，它開發使用光學元件生成、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。他們創建了具有創紀錄的低噪聲系數的可重構濾波器功能和具有超高動態范圍的 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，從而實現超高動態范圍。（SFDR：無寄生動態范圍）

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

為了克服這一挑戰并創建具有窄帶寬的 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范圍問題是微波光子學中最艱巨的挑戰之一。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