微波光子学与硅基光电集成技术融合催生了一个新的领域：硅基微波光子学。《硅基微波光子技术》系作者在硅基微波光子学领域教学、科研成果的总结，同时涵盖了对硅基微波光子学领域重要技术进展的回顾和阐述。《硅基微波光子技术》共8章，包括绪论以及硅基微波光子的无源器件、有源器件、信号产生系统、信号处理系统、信号测量系统、波束成形系统、可编程处理系统。

目录
丛书序
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 微波光子学概述 1
1.1.1 微波光子学的发展 1
1.1.2 微波光子链路与性能参数 2
1.2 集成微波光子学 4
1.2.1 InP集成平台 6
1.2.2 薄膜铌酸锂集成平台 7
1.2.3 Si？N？集成平台 8
1.2.4 SOI集成平台 9
1.3 硅基集成微波光子的研究概述 10
1.3.1 硅基基础单元器件 10
1.3.2 硅基集成的微波信号产生 14
1.3.3 硅基集成的微波信号处理 15
1.3.4 硅基集成的微波信号测量 18
1.3.5 硅基集成的微波波束成形 20
1.3.6 硅基集成的可编程处理系统 21
参考文献 24
第2章 硅基集成微波光子无源器件 32
2.1 硅基低损耗光波导 32
2.1.1 SOI基本波导结构和模式 32
2.1.2 波导损耗简介 34
2.1.3 波导损耗的测试方法 37
2.1.4 低损耗硅波导的设计与分析 39
2.1.5 低损耗硅光波导研究进展 41
2.2 硅基马赫-曾德尔干涉仪 42
2.2.1 2×2马赫-曾德尔干涉仪基本结构 42
2.2.2 MZI传输响应 43
2.2.3 低相位抖动的MZI设计 44
2.3 硅基高品质因子微环 46
2.3.1 微环谐振器的基础理论 46
2.3.2 提升微环Q值的设计方法 51
2.3.3 高Q值微环研究现状和进展 54
2.4 硅基波导布拉格光栅 56
2.4.1 布拉格光栅基本结构、分类与特性分析 57
2.4.2 布拉格光栅慢光效应的分析 66
2.4.3 布拉格光栅在集成微波光子学中的应用 71
参考文献 76
第3章 硅基集成微波光子有源器件 83
3.1 硅基电光调制器 83
3.1.1 硅基电光调制器基本原理 83
3.1.2 宽带硅基电光调制器 89
3.1.3 低驱动电压硅基电光调制器 94
3.1.4 高线性度硅基电光调制器 96
3.2 硅基光电探测器 98
3.2.1 锗硅光电探测器 99
3.2.2 高饱和功率硅基光电探测器 106
3.2.3 高饱和功率的硅基光电探测器研究进展 112
3.3 硅基集成光源 128
3.3.1 混合集成光源 129
3.3.2 异质集成光源 132
3.3.3 铒掺杂光源 137
参考文献 140
第4章 硅基集成微波光子信号产生系统 148
4.1 硅基集成光电振荡器 149
4.1.1 OEO的振荡机理 149
4.1.2 OEO的相位噪声 155
4.1.3 硅基光电振荡器的芯片设计 159
4.1.4 硅基光电振荡器的性能测试 160
4.1.5 面向无线接收机的应用演示 163
4.2 基于微腔光频梳的微波信号产生 166
4.2.1 微腔光频梳的基本原理与进展 166
4.2.2 基于微腔光频梳的微波信号产生系统 171
参考文献 174
第5章 硅基集成微波光子信号处理系统 178
5.1 硅基集成的相干模式微波光子滤波器 178
5.1.1 相干模式微波光子滤波器的基本原理 179
5.1.2 硅基集成的可切换微波光子滤波器 182
5.1.3 面向无线通信的信号滤波应用演示 187
5.2 硅基集成的非相干模式微波光子滤波器 191
5.2.1 非相干模式微波光子滤波的基本原理 191
5.2.2 低功率阈值的铝镓砷微腔光频梳 194
5.2.3 微腔光梳驱动的硅基FIR微波光子滤波器 196
5.3 硅基集成的微波任意波形产生 212
5.3.1 基于光谱整形与频时映射原理的任意波形产生 213
5.3.2 基于时域脉冲整形原理的任意波形产生 217
参考文献 220
第6章 硅基集成微波光子信号测量系统 224
6.1 引言 224
6.1.1 微波光子瞬时测频基本原理 224
6.1.2 微波光子瞬时测频的片上集成研究进展 225
6.2 基于频率-功率映射原理的硅基微波瞬时频率测量 226
6.2.1 系统架构与实现原理 226
6.2.2 静态微波频率测量 229
6.2.3 动态微波频率测量 233
6.2.4 分析与总结 236
6.3 基于频率-时间映射原理的硅基微波瞬时频率测量 238
6.3.1 系统架构与实现原理 238
6.3.2 时不变微波频率测量 239
6.3.3 时变微波频率测量 242
6.3.4 分析与讨论 246
参考文献 247
第7章 硅基集成微波光子波束成形系统 250
7.1 基于硅基微波光子移相器的波束成形 250
7.1.1 波束成形原理 250
7.1.2 基于外差混频法的硅基微波光子移相器 252
7.1.3 光学真延迟线的原理 255
7.2 硅基集成的可调谐光延迟线 255
7.2.1 基于马赫-曾德尔光开关多路切换的真延迟线 256
7.2.2 基于级联微环结构的真延迟线 260
7.2.3 基于波长选择型(布拉格光栅)可调光学真延迟线 264
7.2.4 其他硅基可调光延迟线的实现 268
7.3 基于硅基光延迟线的波束成形系统 270
7.3.1 一维微波光子波束成形 270
7.3.2 二维微波光子波束成形 271
7.3.3 微波光子多波束成形 273
7.3.4 集成微波光子波束成形芯片 274
7.3.5 硅基微波光子波束成形的自动化控制 276
参考文献 281
第8章 硅基集成微波光子可编程处理系统 289
8.1 引言 289
8.2 微波光子可编程处理系统的概念与架构 289
8.3 微波光子可编程处理系统的硅基集成实现 298
8.3.1 硅基可编程处理芯片的设计方案 298
8.3.2 硅基可编程处理芯片的功能演示 300
8.3.3 硅基可编程处理芯片的校准控制 311
参考文献 315
索引 318

第1章 绪论
　　1.1 微波光子学概述
　　1.1.1 微波光子学的发展
　　微波是指频率在300MHz至300GHz范围，对应波长为1m至1mm之间的电磁波[1]。微波频谱覆盖无线通信、雷达、卫星导航、传感、射电天文、空间探测等重要基础硬件与设施所使用的主要频段，为推动人类文明进步发挥至关重要的作用[2]。随着信息社会的不断发展，各种基于微波频段的新应用、新终端持续涌现，尤其是对无线通信容量需求呈爆发式增长，使得*佳的中低频(<6 GHz)微波频谱资源变得日益紧缺。因此，拓展与开发利用更高频段的微波频谱资源，成为微波技术未来持续发展的必然选择。
　　在此背景下，新一代的移动通信网络、军用电子信息系统等典型微波系统均在朝着更高载频、更大瞬时带宽、跨频段、快速可重构的方向发展。例如，图1.1所示为第五代移动通信技术(5G)在全球主要国家和地区的微波频谱分配，横跨低频段(<2GHz)、中频段(2～8GHz)与高频段(>24GHz)共几十吉赫兹的频谱范围[3]。其中高频段属于5G新划分的频谱资源，未来计划分配给需要极高数据传输速率的无线接入与热点覆盖等特定应用场景。与此同时，未来的军用电子信息系统也要求具备各类型雷达、通信、感知、导航、电子对抗(electronic countermeasures，ECM)等多功能、多平台一体化集成，这就需要实现微波全频段覆盖，包括C、L、Ku、Ka甚至W等波段[4]。
　　面对上述发展新趋势，传统的电子微波器件已逐渐不能满足系统需求，具体表现在：受限于“电子瓶颈”[5]，电子器件在处理高频段、高速率微波信号的功耗与成本会急剧增加；电子器件在频率调谐范围、调谐速度和可重构性等方面存在严重限制，以滤波器为例，电子滤波器的频率可调谐范围通常仅有几吉赫兹[6]，实现滤波响应的动态调控更是颇具难度；同时，传统微波的传输媒介是空气与同轴电缆，在传输高频微波信号时损耗会显著增大，限制了传输距离且易受电磁干扰影响[7]。为解决这些挑战，研究者们将目光投向光子学领域，寻找处理高频、宽带微波信号的方法，这推动了融合微波与光波的新兴学科——微波光子学(microwave photonics，MWP)的诞生。
　　1.1.2 微波光子链路与性能参数
　　微波光子技术的内涵是以光波作为载波，利用光子学的方法来产生、处理、传输和测量微波信号[8]。与传统的微波技术相比，微波光子技术在保留微波技术特点的同时，拥有光子技术所带来的带宽大、损耗低、可调谐、快速可重构、抗电磁干扰等诸多优势。图1.2所示为微波光子系统的基本链路示意图，包括光源(激光器)、调制器、光域处理单元和探测器四个部分。微波输入信号通过电光调制加载至光频域，在光频域上利用光电子器件对调制光信号进行滤波、移相、延时、微分、频率变换等处理操作，然后通过探测器解调还原回电域，*终实现处理后的微波信号输出。基于上述基础原理，通过对微波光子系统的架构进行合理设计，可完成丰富多样的射频(radio frequency，RF)功能，常见的MWP功能系统包括[9，10]：RF任意波形产生、微波光子滤波器(microwave photonic filter，MPF)、瞬时频率测量、光子模数转换、信道接收机、微波光子雷达等。
　　在各类MWP研究中，除了考虑RF功能的正常实现，通常还离不开对整个系统链路的RF性能指标进行综合考虑与优化，其中*为核心的三项MWP链路的性能指标为：链路增益、噪声系数(noise figure，NF)与无杂散动态范围(spurious-free dynamic range，SFDR)[7]。
　　(1)链路增益Glink(dB)。通常表示为微波光子系统输出功率PRF，out与输入功率PRF，in的比值：
　　Glink=10 log10(PRF，out/PRF，in)(1.1)
　　(2)NF。定义为输出端信噪比与输入端信噪比的比值：
　　NF(dB)=PN(dBm/Hz)？(Glink？174dBm/Hz)(1.2)
　　式中，？174 dBm/Hz代表1 Hz带宽内的室温下热噪声功率水平；PN表示链路噪声总功率，通常包括激光器相对强度噪声、探测器散粒噪声、放大器自发辐射噪声等。
　　(3)SFDR。在微波光子系统中，由于调制、探测等过程中引入的非线性，链路整体的响应在通常情况下是非线性的，即将系统的传输方程T表示为输入电压(Vin)的幂级数展开：
　　T(Vin)=a0+a1(Vin？Vb)+a2(Vin？Vb)2+a3(Vin？Vb)3+？ (1.3)
　　式中，Vb表示偏置电压。假设系统输入信号中包含两个不同的频率，即：
　　Vin=Vb+VRF[cos(ω1t)+cos(ω2t)] (1.4)
　　将式(1.4)代入式(1.3)，展开后得到：
　　T=a0+a2VRF2+(a1VRF+3a3VRF3/4)[cos(ω1t)+cos(ω2t)]
　　+a2VRF2/2[cos(2ω1t)+cos(2ω2t)]
　　+a2VRF2[cos(ω1？ω2)t+cos(ω1+ω2)t]
　　+3a3VRF3/4[cos(2ω2？ω1)t+cos(2ω1？ω2)t]+？ (1.5)
　　由式(1.5)可看出，由于传输方程的非线性，输出信号中除基频信号外，还会产生一些新的频率分量，即非线性失真。其中，频率分量2ω1和2ω2为二阶谐波失真(second-order harmonic distortion，HD2)，频率分量(ω1？ω2)和(ω1+ω2)为二阶交调失真(second-order intermodulation distortions，IMD2)，频率分量(2ω2？ω1)和(2ω1？ω2)为三阶交调失真(third-order intermodulation distortions，IMD3)及一些其他非线性失真分量。在一个微波光子系统内，HD2、IMD2及更高阶非线性失真通过低通或高通滤波进行有效抑制，而IMD3由于频率距离基频信号非常近，难以通过电学滤波消除掉，因此是系统*要考虑抑制的非线性失真。
　　n阶非线性失真的SFDR指标定义如图1.3所示，使输出基频分量功率等于噪声功率的输入信号功率，与使n阶非线性失真分量功率等于噪声功率的输入信号功率之间的动态范围。在输入小信号条件下，基频分量*线斜率为1，n阶非线性失真*线斜率为n，随着输入信号功率的增大，两条*线将交汇于一点，对应的输入/输出信号功率点定义为n阶输入/输出截断点(n-th order input/output intercept point，IIPn/OIPn)。根据以上定义，n阶SFDR表示为
　　SFDRn=(n？1)/n {OIPn[dBm]？Nout[dBm/Hz]？10 log(B[Hz])} (1.6)
　　式中，Nout为噪声功率谱密度(power spectral density，PSD)；B为工作带宽。为了规范描述，一般需要将SFDR的测试带宽归一化到1 Hz，此时SFDR的单位为dB Hz(n？1)/n。
　　1.2 集成微波光子学
　　早期的微波光子学研究，主要由分立的激光器、调制器、探测器等有源器件与光滤波器、光延迟线等无源器件搭建系统链路，在推动基础理论方法与小规模工程实践方面已取得长足进展[12]。然而，基于分立器件的MWP系统存在着体积大、功耗高、成本昂贵、可靠性差等问题，无法满足实用化与工程化的需求。因此，为推动微波光子技术的进一步发展，利用集成光电子工艺将微波光子系统在芯片平台上集成，实现系统的集成化与小型化，即集成微波光子学(integrated microwave photonics，IMWP)，正成为微波光子学研究领域的新热点与新方向。
　　如图1.4所示，IMWP的研究内容[11，13]主要分为两个部分：一是研究MWP系统链路涵盖的各类型高性能集成光电子单元器件，如激光器、电光调制器、光电探测器、光放大器、光滤波器、光延迟线等，以及配套的集成电子器件包括驱动放大器、跨阻放大器(transimpedance amplifier，TIA)等；二是研究将这些单元器件组合起来在单个或多个基体材料平台上集成，基于特定的系统架构与工作机理，实现微波信号产生、信号传输、信号处理、信号测量或多功能一体化的MWP片上集成系统。
　　近年来，集成微波光子学领域中，单元器件与集成系统两部分的探索研究是同步开展、相互推动的。一方面，微波光子集成系统所遇到的瓶颈问题，如频率范围、增益、动态范围、NF等方面的不足，为单元器件性能的优化指明方向；另一方面，基础单元器件性能提升，推动集成微波光子系统实现更强大的功能。
　　目前，集成微波光子器件与系统实现所采用的基体材料平台有多种，包含InP(磷化铟)[15]、绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator，LNOI)[16]、Si3N4[17]、SOI[18，19]、硫系玻璃[20]、聚合物[21]、二维材料[22]等。这些基体材料各具特点，而这些特点决定了可制备的光电子器件类型和器件性能，进而影响整个微波光子集成系统的功能与集成完整度。其中，前四种基体材料在集成微波光子学中的使用*为广泛，表1.1对这四种基体材料特性进行对比分析。
　　表1.1 集成微波光子的主要基体材料平台的性能对比
　　1.2.1 InP集成平台
　　InP集成平台是研究者们初期实现集成光电子芯片的基体材料，发展起步较早，工艺成熟度高。如图1.5所示，InP集成平台*大的优势在于能够制备光波导、偏振旋转、耦合器等各类无源器件，与激光器、调制器、探测器等有源器件相比，具有完备的光电子器件库。因此，它是目前唯一实现MWP系统单片全集成的基体材料。2017年，世界*款单片集成完整MWP系统的芯片就是利用InP基体平台实现的[23]。
　　然而InP集成平台存在一些不可忽视的缺陷：InP基光波导损耗较大，一般在3dB/cm的水平，这一缺点使高Q值微环、长波导延迟线等器件难以实现，限制了在微波滤波、真延时、光子模数转换等集成微波光子功能系统中的应用。同时，InP材料波导折射率差很小，而器件尺寸通常较大，不利于高密度的片上阵列化集成。此外，InP基晶圆尺寸较小，且加工的工艺成本高昂，难以实现低成本的规模量产。