微波光子集成芯片技术

微波光子集成芯片技术是微波光子雷达的重要支撑技术,不仅可以实现器件的多功能化,缩小微波光子雷达的体积,还可以大大提升微波光子雷达的稳定性与可靠性。该文介绍了目前常用的InP基、Si基和铌酸锂基等材料体系及其异质异构集成的光子集成芯片技术和可用于微波光子混合集成的光电集成芯片技术,并展望了未来发展趋势。      

小型化高集成宽带光收发组件

当前分立光子器件的体积和成本严重制约着微波光子技术在雷达系统中的应用。受限于当前的集成能力和材料体系,微波光子单片集成芯片短时间内难以实现工程应用。为满足雷达等应用场景对高集成微波光子器件的迫切需要,研制了一种新型小型化高集成光收发组件。该组件采用光电异构集成封装技术,将MZM调制器芯片、微波芯片、探测器芯片以及光环形器、波分复用器进行高度集成,单模块体积仅为85 mm×35 mm×10 mm,与传统MZM调制器体积相当。实验结果表明,其性能可与传统分立元器件相媲美。在6~18 GHz范围内,组件能够实现±1.5 dB的平坦度,上行能够实现18 dB以上的增益,下行能够实现?1 dB以上的增益,且链路噪声系数小于30 dB,平面化、小型化设计使其能够应用于相控阵雷达、电子战等多种应用场景,具有广阔的应用前景。     

异质集成微波光子器件发展现状

微波光子学利用光子技术实现微波信号的产生、传输、处理及控制,可突破传统微波技术在带宽、传输损耗和抗电磁干扰等方面的瓶颈,提升雷达、电子战等信息系统的综合性能.激光器、电光调制器和光电探测器是微波光子技术中的三种核心光电子器件,其性能对微波光子链路的噪声和动态等指标具有决定性的影响,但基于分立器件的微波光子系统体积、重量较大,难以满足雷达、电子战等系统的阵列化需求,硅基异质集成技术以及高密度低损耗片上光传输互连技术是解决有源器件集成和无源器件集成的关键技术.文章介绍了用于微波光子的硅基激光器、电光调制器、光电探测器和波导的异质集成技术的发展现状,并探讨了集成微波光子技术的发展趋势.     

硅基异质集成化合物半导体技术新进展

随着摩尔定律即将走向尽头,以及军民电子信息系统对多功能集成、高密度集成、小体积重量、低功耗、大带宽、低延迟等性能的持续追求,将多种化合物半导体材料体系(如GaN、InP、SiC等)的功能器件、芯片,与CMOS集成电路的芯片进行异质集成的技术正在拉开序幕,将在微电子、光电子等领域带来一场新的革命,硅基异质集成也被认为是发展下一代集成微系统的技术平台。本文梳理了射频微电子学与硅光子学领域中以化合物半导体为主的材料(或芯片)与硅半导体材料(或芯片)异质集成的最新进展,以期国内相关领域研究人员对国外的进展有一个比较全面的了解。     

前言北大核心

随着光子技术在光纤通信、微波光子学、激光雷达、量子信息处理等领域的广泛应用,光子和光电子集成的重要性日益突显,成为解决相关应用面临的体积、功耗和成本瓶颈的关键。实际上,早在20世纪60年代就提出了集成光学的概念。受到集成电路(IC)技术的启发,提出了光子集成回路(PIC)和光电集成电路(OEIC)的概念,期望通过集成技术来增强光电子器件的性能,减小体积和功耗,并提高可靠性。然而,相比于集成电路芯片的迅猛发展,光子和光电子集成由于面临材料和工艺等一系列挑战,直到近十余年才实现突破。目前,大规模光子集成技术正在逐渐走向实用化。     

射频三维微纳集成技术

后摩尔时代，半导体技术的发展主要有延续摩尔（More Moore）和超越摩尔（More than Moore）两条路径，延续摩尔通过新材料新范式，沿着摩尔定律进一步将线宽逐渐微缩至3 nm甚至进入埃（?）量级，超越摩尔则是采用异质异构三维微纳集成的途径来满足下一代电子高速低功耗高性能的需求。异质异构集成可以充分利用不同材料的半导体特性使得系统性能最优化。射频三维微纳集成技术推动高频微电子从平面二维向三维技术突破，成为后摩尔时代高频微电子发展的重要途经。射频三维微纳异质异构集成技术利用硅基加工精度高、批次一致性好、可以多层立体堆叠等特点，不断推动无源器件微型化、射频模组芯片化、射频系统微型化技术发展。本文介绍了射频三维微纳技术发展趋势，并给出了国内外采用该技术开拓RF MEMS器件、RF MEMS模组以及三维射频微系统技术发展和应用案例。     

射频微系统集成技术

射频系统在电子战及5G通讯等方面具有广阔的应用前景,在电子设备小型化趋势推动下,射频系统在不断提升性能的同时逐步缩减体积、降低成本.射频系统与三维集成技术相结合在研制高性能、微型化及低成本射频微系统方面具有巨大潜力.综述了射频微系统集成技术,包括多芯片集成技术、SoC集成技术、单片异质异构集成技术及基于Chiplet的...     

薄膜铌酸锂光电器件与超大规模光子集成（特邀）

近年来,薄膜铌酸锂光子集成技术发展极为迅速,其背后有着深刻的物理、材料、技术原因。单晶薄膜铌酸锂为解决光子集成芯片领域长期存在的低传输损耗、高密度集成以及低调制功耗需求提供了至今为止综合性能最优的解决方案。面向未来的新一代高速光电器件与超大规模光子集成芯片应用,本文回顾了薄膜铌酸锂光子技术的起源及其近期的快速发展,讨论了若干薄膜铌酸锂光子结构的加工技术,并展示了一系列当前性能最优的薄膜铌酸锂光子集成器件与系统,包括超低损耗可调光波导延时线、超高速光调制器、高效率量子光源,以及高功率片上放大器与片上激光器。这些器件以其体积小、质量轻、功耗低、性能好的综合优势,将对整个光电子产业产生难以估量的影响。     

集成微波光子射频前端技术北大核心

微波光子射频前端具有频率覆盖范围大、工作波段和瞬时带宽可灵活重构、抗电磁干扰等优势,在泛在无线通信、软件无线电、雷达和电子战系统中有着广阔的应用前景。为进一步减小系统的尺寸和功耗以满足实际应用的需求,构建基于光子集成芯片技术的微波光子射频前端微系统势在必行。文章分析了集成微波光子射频前端微系统目前在器件层面和系统集成层面面临的挑战,并从高精细、可重构的光滤波器设计、混合集成系统架构设计和系统频率漂移抑制方案三个方面重点介绍了作者所在课题组开展的关于混合集成可重构微波光子射频前端的研究现状。     

毫米波三维异质异构集成技术的进展与应用

三维异质异构集成技术是实现电子信息系统向着微型化、高效能、高整合、低功耗及低成本方向发展的最重要方法,也是决定信息化平台中微电子和微纳系统领域未来发展的一项核心高技术。文章详细介绍了毫米波频段三维异质异构集成技术的优势、近年来的发展趋势以及面临的挑战。利用硅基MEMS 光敏复合薄膜多层布线工艺可实现异质芯片的低损耗互连,同时三维集成高性能封装滤波器、高辐射效率封装天线等无源元件,还能很好地处理布线间的电磁兼容和芯片间的屏蔽问题。最后介绍了一款新型毫米波三维异质异构集成雷达及其在远距离生命体征探测方面的应用。     

面向雷达应用的微波光子处理技术浅析与发展思考

微波光子处理技术是指利用光子学的手段完成微波信号的混频、倍频、滤波、移相、延时和模数转换等操作,是支持下一代雷达系统发展的关键技术之一。文章通过分析微波光子技术在微波信号处理方面的优势,探讨了在雷达系统中应用微波光子处理技术的多种方式,并基于未来雷达系统处理能力的需求,从与光计算相融合的角度展望了微波光子处理技术的未来发展。     

微波光子技术在雷达相控阵中的应用分析与展望

近年来,微波光子技术在雷达、通信和电子对抗中的应用得到了越来越多的关注。本文简单介绍了微波光子技术的发展情况和优势,对微波光子技术在雷达相控阵工程应用中存在的光电/ 电光转换损耗大、集成度低、通道一致性差、成本高昂等问题进行了探讨,给出了微波光子技术在雷达相控阵中三种典型的应用场景,并针对目前存在的问题,提出了促进微波光子雷达相控阵推向工程应用的关键技术,包括高效的电光/ 光电转换、高性能的射频光传输和光电混合集成等。希望通过关键技术的突破,促进微波光子技术在雷达相控阵中实现大规模工程应用。     

微波光子集成及前沿展望（特邀）

微波光子学是一门融合了微波技术和光子技术的交叉学科,是研究光波和微波在媒质中的相互作用以及在光频域实现微波信号的产生、处理、传输及接收的微波光波融合系统。由于现有的微波光子系统大多由分立器件组成,在体积、功耗、稳定性、成本等方面仍有待提升,因此集成化是微波光子技术发展的必然趋势。文中探讨了微波光子集成技术面临的主要科学与技术问题,总结了该技术的发展现状和前沿研究进展,并对其未来发展前景进行了展望。     

基于光子学的微波信号频率测量研究进展

微波频率测量是电子侦察中的重要内容,随着雷达电子战的发展,微波工作频率不断攀升,电域的测频方案由于测量带宽的限制,无法满足电子侦察的发展需求。利用微波光子技术实现频率测量的系统具有瞬时带宽大、低损耗、抗电磁干扰等特点,能克服电子领域在微波频率测量中所面临的瓶颈问题。根据目前基于光子学的微波信号频率测量方案,从瞬时频率测量、光子辅助微波信道化、多频测量、基于光子模数转换技术、光子压缩感知技术5种不同类型的测频原理展开了介绍和分析,并对基于集成光学的微波信号频率测量技术进行了探讨。在微波信号频率测量技术的发展中,基于光子学的测量方法具有广阔的应用前景。     

微波光子技术的研究进展

微波光子技术是融合微波技术和光子技术的一门新兴前沿技术,它集成了无线通信的灵活性和光通信的大容量特性、低损耗和抗电磁干扰等特性而迅速成为研究热点.介绍了微波光子系统的基本构想和几种关键技术,回顾和展望微波光子技术的应用以及未来的研究动向.     

微波光子网络的可重构与智能化（特邀）

高性能的光子模拟处理芯片是微波光子处理系统的核心部件,文章通过优化光波导网络结构,实现了一种超宽带可重构的光子模拟运算芯片,通过配置拓扑网络结构实现了多种运算功能的任意切换以及同种功能的运算阶数可调谐。同时,研究了具有自配置能力的光学矩阵计算芯片,以及用于图像处理的片上光子卷积加速器。最后,对微波光子系统与人工智能的交叉融合进行了展望。     

硅基光子集成宽带大色散延时芯片（特邀）

集成、宽带、大色散延时的器件在微波光子滤波、真延时相控阵天线等领域有着重要的应用,可以有效地降低系统尺寸和功耗。文中提出并实现了一种基于硅基光子集成的宽带大色散延时芯片,通过采用超低损耗波导结构和侧壁法向量调制结构实现了片上集成大色散波导光栅,色散值超过250 ps/nm, 最大群延时达到2440 ps,带宽大于9.4 nm,该芯片有望用于微波光子学、高速光纤通信系统等领域。     

基于微腔光梳的低相噪微波信号产生(特邀)

低相位噪声微波信号在通信、雷达、时频计量、深空探测等领域中不可或缺,光子学微波信号产生近年来发展快速,有望在载波频率、调谐性、相噪、可集成、功耗等多个方面突破传统电子学微波信号产生瓶颈。早期的光生微波系统复杂,激光器以及相关稳定设备体积庞大,难以在实验室以外的场所应用。近年来,基于微谐振腔的光学频率梳的迅速发展,凭借其低损耗、小体积、强稳定的优势,基于微腔光梳的微波光子学应用吸引了研究者们的广泛关注,其中基于微腔光梳的光生微波系统得到深入研究。文中将综述国内外近10年来基于微腔光梳的低相噪微波信号产生发展状况,并对基于微腔光梳的光生微波系统在未来应用中的主要挑战与发展趋势作以展望。     

硅基微波光子波束形成器研究进展

微波波束形成器是相控阵雷达、5G通信基站等射频发射系统中的核心器件。近年来硅基微波光子波束形成器以其带宽大、尺寸紧凑、重量轻、损耗低、抗电磁干扰等优势成为微波光子学中的研究热点之一。文章从微波光子波束形成的基本原理和性能指标出发,总结了近年来应用于微波光子波束形成器的多种集成可调光学真延迟线结构和波束形成网络架构,并介绍了微波光子波束形成系统集成芯片和自动化控制的最新进展,最后对硅基微波光子波束形成器的未来发展进行了展望。