基于薄膜铌酸锂的单片集成超宽带光子接收器
2025-08-15 22:07:25   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着无线网络和移动通信对数据容量需求的不断增长，它们正向更高的载波频率和更宽的调制带宽发展。不幸的是，电子器件的性能会随着频率和调制带宽的增加而下降，这限制了传统微波架构的应用，尤其是在毫米波（mmW）和太赫兹（THz）频段。相比之下，微波光子系统通过提供具有极高工作带宽的器件和系统性能来应对这些挑战。然而，难点在于能否将电子器件和光子器件单片集成到可在毫米波和太赫兹频段实现超宽带（UWB）性能的功能组件中。特别是，由于集成光路（PIC）常用材料平台（例如硅、磷化铟和铌酸锂）具有较高的介电常数，这种集成仍然是一项重大的技术挑战。

据麦姆斯咨询报道，近期，美国特拉华大学（University of Delaware）和Phase Sensitive Innovations（PSI）公司的研究人员组成的团队提出了一种光子接收器，其由宽带天线和低驱动电压调制器构成，并基于石英上薄膜铌酸锂（TFLN-on-Quartz）材料平台实现单片集成。研究团队演示了一个自由空间数据链路，使用正交幅度调制实现了高达2.7 Gbps的数据速率，误差向量幅度低至3%。这项工作展示了薄膜铌酸锂在高频单片集成射频（RF）和光子器件中的潜力，可实现超宽带毫米波至太赫兹通信系统。上述研究成果以“Monolithically integrated ultra-wideband photonic receiver on thin film lithium niobate”为题发表于Communications Engineering期刊。

图1a展示了超宽带光子接收器的整体示意图：左侧边缘为输入和输出光波导，中间是由光波导两侧分段式射频电极组成的电光调制器（EOM）作用区；其后是从电光调制器到天线的射频过渡部分，包括波导过渡段和巴伦（平衡—不平衡变换器，Balun）；最右侧是超宽带天线。图1还包含以下插图：（b）带有模拟光模式的薄膜铌酸锂脊形波导横截面；（c）T形分段电极的光学显微照片，其中T顶之间的间隙为5 μm；（d）包含径向短截线的Balun和过渡部分的光学显微照片；（e）带有材料层和尺寸标注的器件结构横截面。

图1 基于薄膜铌酸锂的超宽带天线耦合光子接收器

为了实现从27 GHz到200 GHz的超宽带天线，研究人员设计了一种双椭圆渐变槽天线，其内辐射体采用两个椭圆渐开曲线，外辐射体则采用两个椭圆形结构。

天线的结构和尺寸如图2a所示，电场约束的仿真结果如图2b所示。图2c给出了28 GHz、40 GHz和200 GHz的仿真增益。图2d展示了天线在10 MHz–110 GHz和140–200 GHz两个频段内的实测回波损耗，以及10 MHz–200 GHz范围内的仿真结果。结果表明，整个频率范围内实测与仿真回波损耗的差异均在可接受范围内。

图2 超宽带天线

研究人员设计了一种带有槽线径向短截线（stub）的共面带状线—共面波导Balun（图3a），用于在馈入天线的平衡共面带状线与驱动电光调制器电极的不平衡共面波导之间实现过渡。这种特定类型的过渡结构采用了宽带槽线径向短截线来终止共面波导中的一根接地电极，且设计紧凑，可在单个器件中集成多种功能。

在Balun与电光调制器作用区之间，研究人员还设计了一个最终过渡段，将信号电极宽度从50 μm扩展到100 μm，并在保持50 Ω阻抗的情况下，将信号引入分段式电极中。如果封装后的Balun能够如图3所示仿真结果那样工作，那么接收到的射频信号就可以直接馈入电光调制器，无需额外反射补偿。这样，共封装天线对电光调制器性能的影响将降到最低。图3b展示了所制备器件中该区域的显微细节图。图3c给出了Balun两端的仿真阻抗结果。

图3 Balun及其至分段电极的过渡结构

超宽带光子接收器基于晶正电子（NanoLN）提供的商业化500 μm厚石英晶圆制备，晶圆顶部覆盖2 μm厚SiO₂层，其上为600 nm厚X-cut铌酸锂薄膜。文中详细描述了该器件的制备工艺。

为了验证超宽带光子接收器的实际应用及其在射频前端的性能，研究人员首先测量了器件从接收到的自由空间射频信号中产生的光边带。使用性能信号发生器通过一只增益为17 dBi的喇叭天线，在距离样品12厘米的自由空间中发射27 GHz到50 GHz的连续波信号。图4展示了（a）测试设置的框图；（b）直接从样品测得的原始光学光谱（未归一化电缆损耗及发射功率变化）。

图4 超宽带光子接收器的光学响应

接下来，研究人员搭建了图5所示的实验设置进行测试，其中使用了波长为λ₀ = 1550 nm（Agilent 8306b）的激光信号，其相对强度噪声为145 dBm/Hz，输出功率为15 mW。石英上的折叠薄膜铌酸锂相位调制器具有1 cm的作用区，测得的半波电压为4.2 V，光纤间插入损耗约为30 dB，测得3 dB带宽接近110 GHz。

射频输入信号为正交幅度调制（QAM）波形，由矢量信号发生器（Keysight VXG M9484C）生成，并通过射频电缆和同轴连接器连接到放置在样品12厘米处的17 dBi喇叭天线，将信号发射到自由空间中。研究人员测试了多种QAM调制波形，调制阶数分别为16、64和128，信息带宽从100到450 MHz之间变化。利用这些波形，实现了最高2.7 Gbps的数据传输速率，误差矢量幅度（EVM）约为3%。此外，研究人员还使用了27 GHz到40 GHz的中心频率，以展示该单片集成器件的宽工作带宽。链路中使用的光电探测器（PD）响应在35 GHz开始下降，这使测试频率上限为40 GHz。

图5 射频光子链路测试设置

综上所述，这项研究展示了基于TFLN-on-Quartz材料平台的单片集成射频光子接收器的设计、制造与测试。这种芯片级集成方式可显著降低射频信号分布损耗，并显著提升电磁波毫米波频段的无线通信性能。集成天线的超宽带特性利用了近期超宽带薄膜铌酸锂电光调制器的研究成果。由于行波电极具有更低的半波电压和更高的场重叠系数，该研究还证明了该器件可有效实现微波到光的直接转换，并验证了其在毫米波频段实现高阶调制波形的可行性，数据速率可达2.7 Gbps，误差矢量幅度接近3%。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s44172-025-00393-7

延伸阅读：

《硅光子及集成光路（PIC）技术及市场-2025版》