快速準確地評估未知微波信號的頻率在雷達天文學、衛星通訊、6G等應用場景中起著關鍵作用。近年來，面對日趨復雜的電磁環境，人們對寬帶、智能化和低成本要求的不斷提高，傳統的微波瞬時頻率測量（Instantaneous frequency measurement, IFM）技術面臨巨大挑戰。最近，融合了微波技術與光子集成技術的集成微波光子學為實現小型化寬帶IFM系統提供了新的機遇。迄今為止，由于其低成本、大規模制造和功能器件的廣泛可用性，大多數集成IFM系統已經在硅光子學中得到了演示。然而，由于調制機理（等離子色散效應）的限制，硅基片上電光調制器（Electro-optical modulators, EOM）的帶寬有限，導致之前報告的硅基IFM系統的測量頻率范圍較低，不能覆蓋毫米波波段（30 - 300 GHz），限制了這類系統的實際部署，使其難以應用于毫米波領域。
被稱為光學“硅”的鈮酸鋰（Lithium niobate, LN）材料具有優良的線性電光效應（泡克爾斯效應）、寬的光學透明窗口、高二階非線性效應等優點，是集成光子器件的理想材料平臺。近年來，鈮酸鋰以絕緣體上鈮酸鋰（Lithium Niobate on insulator, LNOI）的形式成為極具吸引力的集成光學平臺，使眾多科學演示和商業產品取得突破性進展。薄膜鈮酸鋰（TFLN）的誕生使其在芯片尺度下制造高光學限制波導成為可能，其能夠有效地增強光與電的相互作用，從而增大調制效率，減少調制器的尺寸，提高調制帶寬。同時，可以預見的是，具有在同一個芯片上集成有源和無源光子器件的潛力的LNOI平臺，將會成為未來大帶寬、高性能集成微波光子學器件的重要載體。
蘭州大學田永輝教授課題組與皇家墨爾本理工大學（RMIT）Arnan Mitchell教授課題組合作，在薄膜鈮酸鋰晶圓的表面沉積一層氮化硅薄膜，通過成熟的CMOS兼容工藝刻蝕氮化硅層可以得到氮化硅-鈮酸鋰異質波導，隨后利用電子束蒸發沉積、激光直寫、剝離工藝等技術手段制備了金屬電極。最終，在此平臺上提出并論證了一種動態微波頻率測量系統，實現了對5-65 GHz寬帶微波信號頻率信息的快速、精準測量。該團隊設計的鈮酸鋰微波頻率測量系統示意圖及原理如圖1所示。研究人員在單個薄膜鈮酸鋰芯片上同時集成了電光調制器（用于加載微波信號）、微環諧振器（用于抑制光載波）、模式復用器（用于解復用反射光信號）以及多模布拉格光柵FP腔（可調諧的光學鑒頻器）等器件。該系統的工作原理是用工作在最小工作點的馬增型電光調制器將未知微波信號調制在光波上，通過FP腔上下兩條光路互補的功率響應，產生一個僅與待測微波信號頻率有關的幅度比較函數（Amplitude comparison function, ACF），如下：
利用這個函數可以測量未知頻率的微波信號。
圖1 基于絕緣體上鈮酸鋰平臺的集成動態頻率識別系統。（a）頻率識別芯片的示意圖（b）-（d）馬曾干涉儀型電光調制器、微環諧振器、FP腔和微型加熱器的顯微鏡照片。
關鍵器件的性能指標如圖2所示，電光調制器的電光帶寬達到了90 GHz，微環的FSR、消光比、品質因子分別為70 GHz、11 dB和2.6×104，模式復用器在整個C波段的串擾小于-12.5 dB，FP腔的消光比為19 dB而且單調帶寬（功率單調變化的帶寬）大于65 GHz。值得一提的是，相比于以往采用相移布拉格光柵做光學鑒頻器的方案，該團隊使用的方案引入了模式復用技術和多模波導布拉格光柵，反射的信號可以利用模式復用器下載，從而避免了Y分支的本征3 dB損耗，并且降低了光信號反射回激光器，損壞激光器的風險。同時，與采用微環或非對稱馬增干涉儀的方案相比，該結構擁有超大的FSR（＞700 GHz）的同時，還具備較小的占地面積（約200微米）。
圖2 關鍵器件的性能指標。（a）電光調制器的電光響應。（b）-（d）微環諧振器、模式復用器、FP腔的傳輸曲線。
圖3 （a）用來測量頻率的ACF曲線（b）估計的頻率與相對誤差
為了進一步展示該系統可以用在電子對抗、雷達預警等實際應用場景，該團隊實驗演示了線性啁啾、跳頻、二次啁啾等頻率隨時間變化的動態微波信號，如圖4-6所示。實驗結果表明，所提出的瞬時頻率測量系統可以快速準確的識別C-U波段（8-60 GHz）的頻率隨時間變化的動態微波信號。
圖4 線性啁啾（Linear frequency modulation, LFM）的測試結果
圖5 跳頻（Frequency hopping, FH）的測試結果
圖6 二次啁啾（Secondary frequency modulation, SFM）的測量結果
該工作首次提出并演示了一種基于薄膜鈮酸鋰平臺的超寬帶集成動態微波頻率測量系統，充分利用鈮酸鋰材料優異的電光特性，首次將測頻范圍擴大至65 GHz，且均方根誤差控制在在321 MHz。作為應用實例，利用提出的系統進行了三種典型微波信號的頻率識別測試，實驗結果表明，該系統能夠準確地實現動態頻率識別。此系統為在薄膜鈮酸鋰平臺實現，電子對抗、雷達、衛星通訊和6G等領域所需的各種高性能微波光子器件鋪平了道路。在未來，將低噪聲激光源、光放大器、高功率處理光電探測器、微電子集成電路與微波射頻放大器通過異構集成的方案組裝在一起，可以進一步提升該系統的能力，推動其在實際應用中的部署。
該成果以“Integrated Ultra-Wideband Dynamic Microwave Frequency Identification System in Lithium Niobate on Insulator”為題發表在Laser ＆ Photonics Reviews期刊。蘭州大學田永輝教授，皇家墨爾本理工大學任光輝研究院為論文共同通訊作者，碩士研究生汪勵恒為論文第一作者，論文合作者還包括蘭州大學青年研究員肖恢芙、蘭州大學萃英博士后蔣永恒、阿德萊德大學Andreas Boes教授，中科院半導體所李明研究院，皇家墨爾本理工大學Arnan Mitchell教授等。
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400332
