集成射频光子前端实现同时级联功能的新架构

hdy

引言

射频（RF）前端是无线通信系统中不可或缺的模块，负责接收和处理电磁信号。传统射频前端面临高传播损耗、高频带宽受限以及电磁干扰等问题。这些局限性驱使研究人员探索能够克服这些根本性限制的替代技术。

集成射频光子技术的最新进展为这些挑战提供了解决方案。通过利用光信号的固有优势——包括大带宽、对电磁干扰的免疫性和低传播损耗——射频光子前端代表了信号处理方法的范式转变。这项技术能够在单个集成平台内实现同时级联功能，与传统的单一功能执行方式形成鲜明对比[1]。

1

射频前端架构的演进

传统射频前端以链式方式工作，多个功能按顺序执行。典型系统包括通过天线接收无线信号、滤除强干扰、放大感兴趣信号、应用相移或时延、与本地振荡器混频，最后将信号数字化以供进一步处理。这种传统方法虽然有效，但随着通信系统对更高频率和更宽带宽的需求增加，面临越来越多的限制。

设想的集成射频光子前端保持了这种链式架构，但将操作转移到光域。如图1a所示，系统从电光调制器开始，将接收到的射频信号转换到光域。调制后的光信号随后经历各种处理功能，包括滤波、相移和真时延，所有这些都在光域中执行，最后通过光电二极管转换回电域。

图1：集成射频光子前端。（a）设想的射频光子前端链路示意图。与传统射频前端类似，预期以链式方式执行多个功能。天线接收的射频信号被上转换到光域，实现低损耗和大带宽传输。在将信号转换回电域进行进一步处理之前，强干扰被滤除，相移或时延被应用到感兴趣的信号上。（b）传统单功能芯片专用于特定应用，例如滤波或真时延。（c）现代多功能可编程芯片可重新配置以执行不同功能，但每次只能执行一个功能。（d）本工作提出的可编程电路可同时处理级联功能，实现带真时延的陷波滤波和线性化，或带相移的陷波滤波。

从传统单功能芯片（图1b）到现代多功能可编程芯片（图1c）的演进代表了重要进展。然而，这些设计仍然受限于每次只能执行一个功能。本工作展示的突破（图1d）演示了能够同时处理级联功能的可编程电路，实现并行而非顺序的多重操作。

2

同时多功能性：打破单一功能范式

关键创新在于同时执行多个功能的能力。所提出的集成射频光子前端在商用低损耗氮化硅平台上实现，传播损耗为0.1 dB/cm，耦合损耗为1.1 dB/facet。设计采用环辅助非平衡马赫-曾德尔干涉仪作为片上解复用器，以及级联可调全通环形谐振器用于频谱整形。

通过精确操纵级联环形谐振器的谐振频率和耦合条件实现同时多功能性。对于陷波滤波功能，两个环分别位于调制信号的下边带和上边带，每个环与光载波具有相同的偏移频率。这些环分别调谐到欠耦合和过耦合状态，在各自的谐振频率保持相同的抑制比。这种配置使干扰信号在光电二极管上拍频时产生相消干涉，有效地将其消除。

3

演示级联功能：陷波滤波与真时延

系统执行同时陷波滤波与真时延的能力得到严格表征。图2a演示了在14.3到15.7 GHz范围内保持500 ps稳定时延的同时，将陷波滤波器的中心频率从1调谐到5 GHz。陷波滤波器实现了约300 MHz的平均3-dB带宽，抑制比超过65 dB。值得注意的是，在整个调谐范围内，延迟波动保持在65 ps以下。

图2：同时陷波滤波与真时延。（a）将陷波滤波器的中心频率从1调谐到5 GHz，同时在14.3到15.7 GHz保持500 ps的真时延。（b）将陷波滤波的中心频率保持在3 GHz，同时将15 GHz的时延从100调谐到500 ps。（c）调制器输入端的射频信号频谱。干扰出现在3 GHz，而感兴趣的时延信号在14、15和16 GHz。插图：3 GHz的干扰被滤除，抑制达46 dB。（d）输入信号和延迟信号（500 ps）的示波器记录波形。信号经处理后包络未失真。

系统的灵活性在图2b中得到进一步证明，陷波滤波器保持在3 GHz固定，而时延从100调谐到500 ps。这种调谐能力伴随着运行带宽和时延幅度之间的固有权衡。测得的500、400、300、200和100 ps时延分别对应1.4、1.9、2.3、3.4和6.2 GHz的带宽，同时保持陷波滤波器消光比超过65 dB。

使用包含3 GHz强干扰和14至16 GHz宽带感兴趣信号的实际信号场景进行系统级验证。如图2c所示，干扰被抑制46 dB，而感兴趣信号经历程序设定的时延。通过示波器测量（图2d）确认信号完整性得以保留，显示处理后包络未失真。

4

增强性能的高级线性化技术

除了基本的滤波和延迟功能外，系统还集成了高级线性化技术以增强射频性能。图3演示了陷波滤波、真时延和片上线性化的同时实现。光载波附近的两个可调环形谐振器能够抑制由强度调制器非线性产生的三阶互调失真（IMD3）。

图3：同时陷波滤波、真时延和线性化。（a）调制器输入端的射频信号频谱。干扰出现在3 GHz，而感兴趣的时延信号在14、15和16 GHz。插图：3 GHz的干扰被滤除，抑制达38 dB。（b）输入信号和延迟信号（500 ps）的示波器记录波形。由于热串扰和温度波动，延迟信号出现失真。（c）线性化表征的双音测试。使用线性化技术后，信号与三阶失真比从36.3 dB提高到55.3 dB。（d）无杂散动态范围（SFDR）表征。使用线性化技术后，SFDR从101.9 dB·Hz²/³提高到112.7 dB·Hz⁴/⁵。

通过双音测试量化线性化技术的有效性。两个4.00和4.01 GHz的射频信号，每个具有8 dBm平均功率，同时注入系统。线性化技术将基波与IMD3比从36.3改善到55.3 dB。进一步表征显示，无杂散动态范围（SFDR）从101.9 dB·Hz²/³增加到112.7 dB·Hz⁴/⁵，代表系统线性度的显著提升。

5

相移能力和低偏置优化

集成射频光子前端还演示了同时陷波滤波与相移的能力。图4a显示陷波位置从4连续调谐到8 GHz，消光比超过65 dB，同时在11-19 GHz范围内保持相移波动低于6°。或者，陷波滤波器可固定在6 GHz，而相移可从0°调谐到360°（图4b）。

图4：同时陷波滤波与相移。（a）将陷波滤波器的中心频率从4调谐到8 GHz，同时11到19 GHz的相位波动小于6°。（b）陷波滤波器的中心频率保持在6 GHz，而11到19 GHz的相移覆盖从-180°到180°。（c）输入射频信号的频谱。干扰出现在6 GHz，而相移的感兴趣信号出现在12 GHz。插图：干扰被滤除43 dB。（d）输入信号和相移后12 GHz信号的示波器记录波形。

通过低偏置技术进一步增强系统的射频性能。通过将强度调制器的直流偏置电压从正交点（2.9 V）调整到优化点（1.2 V），同时增加光输入功率，链路增益从-22 dB改善到+3 dB。这种优化还将噪声系数从35减少到24 dB，显著提高了整体灵敏度和信噪比。

图5：集成射频光子前端的射频性能。（a）噪声系数和（b）前端在不同强度调制器偏置电压下的链路增益。（c）射频光子前端的SFDR表征。

6

未来展望和集成机遇

集成射频光子前端设计的这一突破为高级信号处理应用提供了新的可能。所演示的同时执行级联功能的能力代表了相对于传统单功能操作方法的重要进展。该架构可在各种集成光子技术平台上实现，包括硅基光电子和薄膜铌酸锂，其中高速调制器可共同集成到单一芯片上。

未来的发展可能包括集成额外功能，如片上调制器、光放大器、射频本地振荡器、光模拟数字转换器和片上光电二极管。这些增强功能将在紧凑的集成射频光子前端内实现完全光学处理，有望改变无线通信系统和雷达应用。

在集成射频光子前端中成功演示同时级联功能标志着该领域的关键进展。通过克服传统单功能方法的限制，这项技术为更复杂、高效和紧凑的射频系统创造了条件，能够满足下一代无线通信和传感应用的严苛要求。