隨著無線網絡和移動通信對數據容量需求的不斷增長，它們正向更高的載波頻率和更寬的調制帶寬發展。不幸的是，電子器件的性能會隨著頻率和調制帶寬的增加而下降，這限制了傳統微波架構的應用，尤其是在毫米波（mmW）和太赫茲（THz）頻段。相比之下，微波光子系統通過提供具有極高工作帶寬的器件和系統性能來應對這些挑戰。然而，難點在于能否將電子器件和光子器件單片集成到可在毫米波和太赫茲頻段實現超寬帶（UWB）性能的功能組件中。特別是，由于集成光路（PIC）常用材料平臺（例如硅、磷化銦和鈮酸鋰）具有較高的介電常數，這種集成仍然是一項重大的技術挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，近期，美國特拉華大學（University of Delaware）和Phase Sensitive Innovations（PSI）公司的研究人員組成的團隊提出了一種光子接收器，其由寬帶天線和低驅動電壓調制器構成，并基于石英上薄膜鈮酸鋰（TFLN-on-Quartz）材料平臺實現單片集成。研究團隊演示了一個自由空間數據鏈路，使用正交幅度調制實現了高達2.7 Gbps的數據速率，誤差向量幅度低至3%。這項工作展示了薄膜鈮酸鋰在高頻單片集成射頻（RF）和光子器件中的潛力，可實現超寬帶毫米波至太赫茲通信系統。上述研究成果以“Monolithically integrated ultra-wideband photonic receiver on thin film lithium niobate”為題發表于Communications Engineering期刊。
圖1a展示了超寬帶光子接收器的整體示意圖：左側邊緣為輸入和輸出光波導，中間是由光波導兩側分段式射頻電極組成的電光調制器（EOM）作用區；其后是從電光調制器到天線的射頻過渡部分，包括波導過渡段和巴倫（平衡—不平衡變換器，Balun）；最右側是超寬帶天線。圖1還包含以下插圖：（b）帶有模擬光模式的薄膜鈮酸鋰脊形波導橫截面；（c）T形分段電極的光學顯微照片，其中T頂之間的間隙為5 μm；（d）包含徑向短截線的Balun和過渡部分的光學顯微照片；（e）帶有材料層和尺寸標注的器件結構橫截面。
圖1 基于薄膜鈮酸鋰的超寬帶天線耦合光子接收器
為了實現從27 GHz到200 GHz的超寬帶天線，研究人員設計了一種雙橢圓漸變槽天線，其內輻射體采用兩個橢圓漸開曲線，外輻射體則采用兩個橢圓形結構。
天線的結構和尺寸如圖2a所示，電場約束的仿真結果如圖2b所示。圖2c給出了28 GHz、40 GHz和200 GHz的仿真增益。圖2d展示了天線在10 MHz–110 GHz和140–200 GHz兩個頻段內的實測回波損耗，以及10 MHz–200 GHz范圍內的仿真結果。結果表明，整個頻率范圍內實測與仿真回波損耗的差異均在可接受范圍內。
圖2 超寬帶天線
研究人員設計了一種帶有槽線徑向短截線（stub）的共面帶狀線—共面波導Balun（圖3a），用于在饋入天線的平衡共面帶狀線與驅動電光調制器電極的不平衡共面波導之間實現過渡。這種特定類型的過渡結構采用了寬帶槽線徑向短截線來終止共面波導中的一根接地電極，且設計緊湊，可在單個器件中集成多種功能。
在Balun與電光調制器作用區之間，研究人員還設計了一個最終過渡段，將信號電極寬度從50 μm擴展到100 μm，并在保持50 Ω阻抗的情況下，將信號引入分段式電極中。如果封裝后的Balun能夠如圖3所示仿真結果那樣工作，那么接收到的射頻信號就可以直接饋入電光調制器，無需額外反射補償。這樣，共封裝天線對電光調制器性能的影響將降到最低。圖3b展示了所制備器件中該區域的顯微細節圖。圖3c給出了Balun兩端的仿真阻抗結果。
圖3 Balun及其至分段電極的過渡結構
超寬帶光子接收器基于晶正電子（NanoLN）提供的商業化500 μm厚石英晶圓制備，晶圓頂部覆蓋2 μm厚SiO?層，其上為600 nm厚X-cut鈮酸鋰薄膜。文中詳細描述了該器件的制備工藝。
為了驗證超寬帶光子接收器的實際應用及其在射頻前端的性能，研究人員首先測量了器件從接收到的自由空間射頻信號中產生的光邊帶。使用性能信號發生器通過一只增益為17 dBi的喇叭天線，在距離樣品12厘米的自由空間中發射27 GHz到50 GHz的連續波信號。圖4展示了（a）測試設置的框圖；（b）直接從樣品測得的原始光學光譜（未歸一化電纜損耗及發射功率變化）。
圖4 超寬帶光子接收器的光學響應
接下來，研究人員搭建了圖5所示的實驗設置進行測試，其中使用了波長為λ? = 1550 nm（Agilent 8306b）的激光信號，其相對強度噪聲為145 dBm/Hz，輸出功率為15 mW。石英上的折疊薄膜鈮酸鋰相位調制器具有1 cm的作用區，測得的半波電壓為4.2 V，光纖間插入損耗約為30 dB，測得3 dB帶寬接近110 GHz。
射頻輸入信號為正交幅度調制（QAM）波形，由矢量信號發生器（Keysight VXG M9484C）生成，并通過射頻電纜和同軸連接器連接到放置在樣品12厘米處的17 dBi喇叭天線，將信號發射到自由空間中。研究人員測試了多種QAM調制波形，調制階數分別為16、64和128，信息帶寬從100到450 MHz之間變化。利用這些波形，實現了最高2.7 Gbps的數據傳輸速率，誤差矢量幅度（EVM）約為3%。此外，研究人員還使用了27 GHz到40 GHz的中心頻率，以展示該單片集成器件的寬工作帶寬。鏈路中使用的光電探測器（PD）響應在35 GHz開始下降，這使測試頻率上限為40 GHz。
圖5 射頻光子鏈路測試設置
綜上所述，這項研究展示了基于TFLN-on-Quartz材料平臺的單片集成射頻光子接收器的設計、制造與測試。這種芯片級集成方式可顯著降低射頻信號分布損耗，并顯著提升電磁波毫米波頻段的無線通信性能。集成天線的超寬帶特性利用了近期超寬帶薄膜鈮酸鋰電光調制器的研究成果。由于行波電極具有更低的半波電壓和更高的場重疊系數，該研究還證明了該器件可有效實現微波到光的直接轉換，并驗證了其在毫米波頻段實現高階調制波形的可行性，數據速率可達2.7 Gbps，誤差矢量幅度接近3%。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44172-025-00393-7
