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2025

Nature Communications | 基于薄膜铌酸锂的可编程多功能集成微波光子芯片

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导读

新一代无线通信和雷达系统对射频信号处理的带宽、功能和可重构性的需求持续增长。基于电子器件和芯片的传统射频系统面临严峻挑战，难以满足未来要求。微波光子技术凭借其超大带宽和灵活可调谐性，在高频信号处理领域展现出巨大潜力。

然而，实现真正可应用的集成微波光子系统，需要在光子芯片上同时兼顾高性能电光调制和可编程信号处理网络，并兼具出色的射频性能，包括高链路增益、高动态范围和低噪声系数等。目前，硅基和氮化硅平台虽已取得进展，但仍难以在集成度与射频性能间取得平衡。

薄膜铌酸锂（TFLN）凭借其卓越的电光特性，正在改变集成光子学的格局，为电光调制器与信号处理器等关键元件在单个芯片上的无缝集成提供了可能，显著提升了系统的紧凑性、效率和性能。基于这一优势，特文特大学与香港城市大学的研究人员，合作设计了一种高集成度的TFLN微波光子芯片，为突破当前集成微波光子系统的瓶颈提供了新的思路。

该成果以“Programmable multifunctional integrated microwave photonic circuit on thin-film lithium niobate”为题发表在Nature Communications上。特文特大学博士研究生未创创和香港城市大学冯寒珂博士为论文共同第一作者，特文特大学David Marpaung教授和香港城市大学王骋教授为文章的通讯作者。

实验原理和结果

该团队设计的TFLN芯片结构如图1所示，该芯片由一个TFLN强度调制器和四个级联的可编程微环组成。强度调制器将射频信号转换为光信号，而调制产生的边带则由马赫-曾德干涉仪辅助微环进行处理，其耦合系数和谐振波长可通过热相移器进行调节，这一设计构成了芯片多功能特性的基础。

图1：集成TFLN微波光子芯片的结构示意图

图源：Nature Communications

图2展示了显微镜下的芯片图像以及实验布置图。该芯片采用边缘耦合结构，通过透镜光纤实现光的输入和输出。射频信号通过GSG结构的射频探针加载到调制器电极上，同时利用26通道直流探针阵列控制级联微环的工作状态。

图2：芯片的显微镜图像和对应的实验布置图

图源：课题组

微波光子链路的示意图如图3a所示。研究人员通过调控两个具有不同耦合状态的微环谐振器，对调制边带的相位和幅度进行整形，从而实现超高抑制比的微波光子带阻滤波器。该滤波器的关键在于使两个微环的共振位置相对于光载波对称，其中一个处于过耦合状态，另一个处于欠耦合状态，并且两者的抑制深度相同。在光探测后，这些共振中心的信号频率发生相消干涉，从而产生超高的滤波抑制比。

图3b显示了链路中不同节点的光谱。在光载波通过强度调制器后，生成两个同相的调制边带（节点II）。经过两个微环处理后的光谱如节点III所示，可以观察到两个微环的共振位置相对于光载波对称，且抑制比相同。区别在于，一个微环处于欠耦合状态，具有0相移，而另一个微环处于过耦合状态，具有π相移。这种配置满足相消干涉的条件，从而实现超高的抑制比。同时，未经过微环处理的调制边带部分仍然可以相干叠加，保证系统的高链路增益。

图3c显示了在调制器工作于正交偏置点时，可调带阻滤波器的响应。该滤波器的最大链路增益为-7 dB，抑制比最高可达 80 dB，可调范围为1.5 GHz至21.5 GHz。此外，当调制器工作在零点，并开启另外两个微环时，输出光谱如节点 V 所示。基于相同的工作原理，可以实现一种可调双频带阻滤波器，最大链路增益可达0 dB，抑制比最高可达60 dB（图3d）。

图3：可调谐的微波光子带阻滤波器

图源：Nature Communications

当两个不同频率的射频信号输入到微波光子系统时，会产生交调失真，从而限制系统的动态范围。该研究团队利用微环的响应来调控光载波，从而成功抑制了三阶交调失真（IMD3）（图4c）并提高了无杂散动态范围（SFDR）（图4d，图4e）。图4a显示了实现超高动态范围带阻滤波器（图4b）时，光载波与微环谐振峰之间的相对位置。

图4：超高动态范围的带阻滤波器

图源：Nature Communications

在实际应用中，射频接收前端可能会受到高功率信号的干扰。当目标信号与干扰信号的频率极为接近时，需要超高分辨率的滤波器来消除干扰。然而，实现超高分辨率的微波光子滤波器是一个重大挑战。该团队基于TFLN芯片提出了一种高功率干扰信号抑制方法，实验链路图5a所示。

图5b显示了链路中不同节点射频谱和光谱。当高功率射频信号输入时，会产生高阶调制边带（节点 II ）。研究人员用微环的响应来处理高阶边带（节点III），可以在特定条件下抑制高功率干扰信号。而低功率目标信号由于不会产生高阶调制边带，因此不受影响。图5c是未经抑制时的射频输出，而图5d为抑制后的射频输出。可以看到，仅高功率信号被抑制，抑制比达到了56 dB。

图5：高功率干扰信号的抑制

图源：Nature Communications

基于现有成果，该研究团队将在下一阶段进一步提高系统集成度，同时持续优化波导耦合结构以进一步降低耦合损耗，并研究基于掺铒或其他增益介质的波导光放大器，实现更高链路增益和更优噪声系数等关键性能指标。此外，团队还将积极拓展应用场景，如相干通信、非线性光学以及量子信息处理等，以推动高性能光子与微波信号处理技术在更广泛领域的应用。

论文信息

Wei， C.， Feng， H.， Ye， K. 等人。薄膜铌酸锂上的可编程多功能集成微波光子电路。 国家公报 16， 2281 （2025）。

https://doi.org/10.1038/s41467-025-57441-1