光子集成技术新进展与应用

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集成微波光子学基于光子集成工艺的微波光子器件与子系统,探索新的物理现象、结构设计与材料体系。具体方向包括微腔非线性动力学、片上光学频率梳、集成光控波束形成网络、硅基光电子集成等。下文将介绍集成微波光子的现状、核心技术及未来展望。

集成微波光子的最新进展

近年来,光子集成技术的突飞猛进将微波光子学技术推向了一个新的高度。将不同材料混合来增强光与物质相互作用已经应用在光电调制器/低噪声频率合成器和芯片级信号处理器上。同时,大体积半导体处理技术的成熟最终使得光源、调制器和探测器在单个微波光子学处理芯片上的集成成为可能。

微波光子学,即使用光学装置和技术来产生、操纵、传输和测量高速射频信号,已经成为近年来学术研究的热点。将射频信号上转换到光频段的丰富处理带宽的诱人前景,将低损耗光纤作为传输介质的可行性,以及将在数十年来无法通过传统射频系统调控的频段通过射频响应操控的灵活性,是这项技术早期发展的核心驱动力。其中有代表性的进展和突破包括:超宽带信号的产生,光纤中射频信号的分配和传输,可编程的微波光子学滤波器,和光子增强雷达系统。这些进展持续不断地将微波光子学发展成为一个解决通信领域挑战的主要技术方案。因为只要器件的尺寸、可靠性和成本这些问题解决了以后,微波光子学就可以解决包括通信系统和物联网中的带宽瓶颈。然而上述的这些进展都是在三维块状系统中实现的,这些系统有很贵的独立光纤光学元件,而且这些元件对于外部的扰动(比如说机械震动和温度变化)都很敏感。

值得庆幸的是,微波光子学技术的崛起是和光子集成技术的迅速发展同步的。这两个领域的结合产生了深刻的影响,诞生了集成微波光子学。利用光子集成技术使得在保持微波光子系统相当高复杂度的同时极大地减小了系统的尺寸大小,这使得微波光子系统与射频电路更有比较优势。微波光子系统中的光学损耗是很重要的,因为损耗的增大会转化为射频电路中极大的射频损耗。由于这些原因,集成微波光子学发展早期的研究重点是减少片上损耗,在单个芯片上集成尽可能多的器件和优化装置的空间构型。

但是集成光子学提供了除了尺寸和复杂性以外更多的优势:

例如,将光束缚在很小的体积内从而增强与物质的相互作用,大多数时候是通过非线性光学过程实现的。利用这种过程人们制造了集成微波光子学的新工具,例如可用作光梳的克尔微谐振腔,混合的有机等离激元调制器和片上受激拉曼散射。这些工具与全新的概念相结合,例如制造一个通用的可重构处理器,可以极大地提升微波光子系统在调制宽度,频谱分辨率,噪声和可重构性方面的性能。

另一方面,使用单种材料或者多种材料(混合或者异质结)使得将所有微波光子元件集成在单个芯片上成为可能。提高集成度,拓展新功能和提升器件性能间的协同效应已经成为近些年来这个领域内的研究热点。

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图1. 集成微波光子学最新进展和技术总览

混合集成和新兴材料

材料平台是集成微波光子学的核心。材料的选择会决定功能的范围,性能和装置与系统的大小。在微波光子学诞生之初,人们选择的材料主要在砷化镓,铌酸锂和掺杂硅等范围内。但是在过去的十年中,大多数集成微波光子学电路主要是基于单一集成的三个核心平台:磷化铟,绝缘体上硅(SOI)和氮化硅。这个方向的两大驱动是这些材料制作工艺的成熟和通过成分分摊计划可以极大地减少制造成本。每种材料的优点和缺点总结如下。

微波光子学的基础架构总结如下。一个标准的微波光子系统是由一个光源、一个光调制器、一个光学信号处理器和一个光探测器组成的。一个从天线或者射频信号源产生的频率为fRF的入射射频信号调制一个光源的输出来将它的频率上转换到可见光频段。这通常是由一对频率为υ±fRF的伴带组成的,υ是光源的中心频率。组成的光学信号紧接着是由一个有诸多光学装置组成的光学信号处理系统所加工,从而修改伴带的频谱特性。最终,一个光学探测器被用来将处理的伴带通过光学载波拍频下转换从而射频信号被恢复。

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图2. 一个标准的微波光子系统

可以使用微波光子学系统实现的功能包括天线遥感,射频光子滤波,实际时间延迟,相位转换,光学波束形成,任意波前产生,频率上转换和下转换,微波信号产生和频率测量。这些功能的质量和范围通常是由光学信号产生器来决定的。

一个微波光子系统的性能通常由三个核心参数表征,即连接增益,噪声图和SFDR。连接增益是测量系统中射频到射频过程中产生的损耗,噪声图描述的是系统的信噪比。SFDR描述的是系统中的射频非线性性,测量系统在足够信噪比和可忽略的模块间扰动可以容纳的射频功率的范围。这些参数主要是由输出功率,激光光源的强度噪声,插入损耗,半波电压,光学调制器的线性性,光探测器的功率处理和响应能力所影响的。

人们已经认识到这些上述材料都不能提供集成微波光子学所需的全部性能。最近报道的一些积极结果是在一个单一平台(比如磷化铟)创造一个全集成的微波光子学芯片来实现可调滤波器和干涉相消电路,但是随之而来的问题是由于片上放大器产生的波导损耗和提升的噪声限制了这种电路的性能表现。因此,研究人员转向了另外一种方法,即混合或者异质结集成,来将不同的材料组合起来利用他们各自的优势。对此,研究人员已经提出了不同的方法,即通过垂直或者边缘耦合实现的芯片间混合集成,或者通过晶圆键合或者直接外延生长实现的更适宜大规模量产的晶圆集成技术。

最快速的进展出现自三五族化合物与硅或者氮化硅的结合领域。这些电路被设计来提供光源和调制器(三五族半导体材料),低损耗电路(氮化硅)或者电子集成潜力的通用平台(比如硅)。混合装置被用来实现基础的和先进的功能,比如混合金属氧化物马赫增德尔(Mach–Zehnder)调制器,高增益、高饱和度的半导体光学放大器,以及集成光源和射频源。多种材料的集成最近用来尝试实现一个高精度的光频合成器。尽管微波光子学已经有了这些进展,但是人们仍然对于哪种材料是最佳材料没有达成共识,因为我们需要同时考虑到光波、射频和金属氧化物的电子兼容性。

除了上面讨论的主要材料平台,人们也考虑了其他的材料体系来实现微波光子学应用。这些材料主要集中在更小的规模和体积上,人们主要关心这些材料的非线性光学,光力学和等离子体学等光与物质相互作用的问题上。过渡金属剥离是一种有很低双光子吸收的高度非线性材料,被用来实现基于布里渊散射的非线性光-声过程。新出现的材料有五氧化二钽,氮化铝等。进一步地,绝缘体上铌酸锂平台的成熟也激发了研究人员利用铌酸锂电路来实现超低损耗波导和紧凑型调制器的兴趣。最后,二维材料,尤其是石墨烯,与绝缘体上硅的结合最近被提出来实现高速调制器,相位转换,真正时间延迟单元和可调滤波器等。

未来展望

上面所讲到的这些技术工具不仅使微波光子系统有了先进的功能,同时也极大地拓展了这个领域,从而使得这个领域与其他领域的交叉结合从而产生新的概念和范式成为了可能。

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图3. 集成微波光子学的未来机遇

在集成装置中操纵声子和高频声波可以高效的在射频光子处理和腔光力学中建立起一个连接的桥梁,从而在方向传感到量子信息学等诸多领域都有潜在的应用价值。操纵光学产生的声子和通过射频场传导的架构对于增强信号处理有很大的前景。例如,声子-光子发射接收和在两个光力腔中的声子传导被用来实现极窄亚兆赫兹带宽射频光子滤波。

通用集成可重构处理器的应用可以使得多路输入/多路输出(MIMO)微波光子学成为可能,同时为并行线性处理和分路倍增打开大门。

进一步的,模拟光子学与单位变换相结合的方法已经被研究小组提出作为实现类神经光子系统,深度学习和类脑处理的核心技术。

与此同时,激光光学中用来实现单模激射的宇称-时间对称概念最近被应用于微波光子系统中来实现单频微波产生。这个概念克服了长期以来模式竞争和模式选择的问题。

总结

随着人们对装置物理理解的加深和集成光子学的飞速发展,微波光子学的发展已经进入了一个超出通讯领域应用的新阶段。这样的探索会在持续不断地发展这个领域同时为我们的未来提供新的机遇和可能。

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