可编程微波光子芯片研究现状及发展趋势①

刘高见，谭庆贵，于洪喜

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

微波光子技术将微波技术和光电子技术联系起来，利用光子学大带宽、低损耗等优势，可以克服传统微波技术在处理速度和传输带宽等方面的电子瓶颈，大幅度提高微波系统工作性能[1，2]。早期微波光子系统多使用分立器件，受到了成本高、体积大、系统复杂度高、功耗大，易受环境影响的制约，大规模应用受到了限制。

近些年随着集成光子技术的飞速发展，微波光子技术也在向着集成化、芯片化的方向发展，极大地降低了系统的体积、功耗和重量[3-5]。目前，集成微波光子技术的研究主要集中于专用光子集成电路(Application Specific Photonic Integrated Circuits，ASPICs)，即一个芯片实现一个特定的微波光子信号处理功能，如滤波器[6，7]、延迟线[8]、光电振荡器[9]等。ASPICs灵活性较差，若想改变相应的信号处理功能就需要重新进行设计，耗时长，成本大。受到数字信号处理芯片(Digital Signal Processors, DSPs)和可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrays, FPGAs)的启发，近几年许多学者开始关注可编程微波光子芯片的设计。它基于可重构的集成光波导网络，通过适当的编程控制可以实现多种信号处理功能[10-14]。这种可编程芯片相比于ASPICs可以极大地降低硬件生产的成本，并且具有更好的灵活性。

目前通信、雷达系统在向着大带宽、高频、多频段的方向发展，对射频前端提出了更高的要求。在射频前端中使用可编程微波光子芯片，可以软件定义出工作在不同频段的滤波器组，同时滤波器组的中心频率和带宽均可以根据接收信号的变化动态调节。若在接收信号附近出现了强干扰信号，还可以软件定义陷波或带阻滤波器，抑制相应干扰。同时还可以软件定义光路，将携带射频信号的信号光与不同频率的本振光合路，经光电探测后实现不同频段下变频，或变频转发功能。这些不同的信号处理功能均可在同一块可编程芯片的不同部分实现，并用路由波导连接起来，构成射频前端。使用可编程微波光子芯片设计的射频前端，可以根据实际电磁环境进行重构，增加或改变特定功能模块，具有很强的灵活性。而使用ASPICs设计的射频前端一旦系统架构确定，难以再增加或改变特定功能模块。因此，可编程微波光子芯片可广泛用于通信、雷达等光电子系统中以增加系统灵活性，适应动态变化的电磁环境。

文章介绍了可编程微波光子芯片的光路拓扑和主要功能，随后介绍了其关键技术——可调节单元和控制方法的发展，最后对可能的发展方向进行了总结。

1 可编程光波导网格

可编程微波光子信号处理的概念最早是由瓦伦西亚理工大学团队提出的[10，15]，它的可重构光学信号处理核心是由光学路由和开关元件连接的环形谐振器(Ring Resonator，RR)、马赫-曾德尔干涉结构(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)、光栅或延迟线等光学器件组成的，通过外加控制信号改变内部光学器件的连接状态可以实现不同的信号处理功能。

为了进一步增加可重构功能的灵活性，近年来大量学者选择使用波导网格作为通用基本单元，通过可调耦合器改变波导网格的连通方式，实现不同路径的选择，并构成不同尺寸的RR，MZI等基本光学器件以实现特定的信号处理功能。常用的波导网格拓扑如图1所示。

(a)六边形 (b)三角形 (c)正方形

2015年莫纳什大学Leimeng Zhuang首次提出了将MZI器件排布成正方形网格形状的可编程微波光子信号处理芯片，如图2所示[12]。该芯片使用Si3N4材料加工，主要由两个正方形网格单元组成，基本单元长度为3450μm，群折射率1.72，其自由频谱范围(free spectrum range，FSR)为14GHz。通过适当的调节可调耦合器的相位，波导网格可以配置为上下路微环结构或全通微环结构，可以实现中心频率1.6GHz-6GHz连续可调，带宽1.6GHz范围内可重构，带外抑制25dB的带通滤波器。通过改变波导网络的连接方式，该芯片还可以实现抑制比达55dB的陷波滤波器、希尔伯特变换器、可调延迟线功能。

(a)

(b)

(a) (b)

2016年瓦伦西亚理工José Capmany团队提出了六边形和三角形两种拓扑结构，并与正方形网格结构的性能进行了全面的对比。最终认为六边形网格结构最适合用来设计通用可编程微波光子信号处理芯片[16]。在此基础上2017年该团队设计、加工了一款7个六边形网格构成的可编程信号处理芯片[17]。通过改变波导的连通关系实现了20余种光路拓扑结构。其中包括单输入单输出的FIR滤波器、环形谐振器、耦合波导谐振器(coupled resonator waveguide，CROWs)、侧向耦合环形谐振器间隔序列(side-coupled integrated spaced sequences of optical resonators，SCISSORs)、加载环形谐振器的MZI、多输入多输出的线性光矩阵变换等。芯片结构如图3所示。2018年José Capmany团队又利用该六边形网格芯片实现了离散型和连续可调型延迟线[18]。

图4所示为综合出的滤波器和波束形成网络的实例。图4(a)为一个CROW带通滤波器(输入IN，输出OUT2)，调节其中一个微环的移相器，可以调节两微环谐振器谐振峰的相对位置，从而展宽通带带宽。图4(b)为双环加载MZI滤波器，该结构可以用于实现巴特沃斯或切比雪夫滤波器[19]。图4(c)利用不同长度延迟线构成的波束形成网络。图中相邻路径的长度差为3个基本调谐单元，延时差为40.5ps[13]。

(a)微环耦合型滤波器

(b)MZI加载微环滤波器

(c)波束形成网络CS交叉状态，BS直通状态，AV可使用，TC可调耦合器，k耦合系数

经典的六边形、正方形、三角形拓扑中，可调耦合器有不同的放置方向，这会对加工的一致性有一定影响，同时网格中央有未利用的空余空间，面积利用率较低。为了解决这一问题，2020年瓦伦西亚理工大学Daniel Pérez López对波导网格的排布方式进行了优化，将所有可调耦合器单元均水平放置，如图5所示。这可以提高加工可调节耦合器的一致性，同时提高芯片面积的利用率，降低芯片加工成本[20]。

(a) (b)

图5 (a)原六边形网格(b)调节单元水平放置的六边形网格[20]

Fig.5 (a)hexagonal pattern and(b)the longitudinally-parallel mesh topology[20]

经典的正方形拓扑中光信号不能直接通过交叉节点，必须转弯90°绕行，进行拓扑重构时灵活性较差。2020年渥太华大学姚建平团队报道了一款可编程微盘阵列(field-programmable disk array，FPDA)微波光子芯片，在每个交叉节点，光信号可以在直行、左转、右转三个方向间任意选择[21]。如图6所示，该芯片由8条波导交叉排布构成方形网格，每个波导交叉处为一个1×1多模干涉器以使光波低损耗、低串扰的通过。每个交叉点处设计有两个相同的上下路型微盘谐振器，可以实现波导网格路径选择，同时它本身作为谐振器可以实现光信号处理。在谐振频率处微盘谐振器的直通端响应为一陷波器，同时具有较大的群时延，而下路端响应为一带通滤波器。基于此，通过调节各微盘谐振器谐振频率该可编程芯片可以实现带宽可调节带通或带阻滤波器，波分复用解复用器，微波延迟线和波束形成网络。另外通过微盘谐振器对光脉冲进行频谱整形，再经过色散光纤实现波长到时间映射(Wavelength to time，WTT)，利用该可编程芯片还可以实现任意波形产生的功能。

表1 可编程光波导网格对比

注：a21种功能包括FIR滤波器、环形谐振器、CROWs、SCISSORs、加载环形谐振器的MZI滤波器、多输入多输出的线性光矩阵变换等

以上是可编程微波光子芯片拓扑结构和实现功能的发展现状。表1对几种可编程光波导网格实例进行了总结。可编程波导网格可以实现丰富的信号处理功能，但是其性能还有待提升。为了提高信号处理的性能需要增大芯片规模，以实现更高阶数的滤波器或更大的延时调节范围。随着芯片规模的增加，需要的可调节单元数量会大大增加，这会引入大量的损耗和功耗，同时芯片控制的复杂度也极大增加。因此，对可调节单元的优化设计和可编程芯片的控制方法成为了高性能可编程微波光子信号处理芯片的关键技术，也成为近几年的研究热点。

图6 可编程微盘阵列芯片示意图[21]

2 关键技术

2.1 低插损、小尺寸、低功耗调节单元

可调耦合器是可编程微波光子芯片的基本调节单元(tunable basic unit, TBU)，是实现芯片功能重构的关键部件，同时它也是影响芯片损耗和功耗主要因素。它的插损将逐级积累，这限制了芯片中可使用的可调耦合器的数量，进而限制了可编程芯片所实现光学结构的复杂性和信号处理的性能。目前大量使用的可调耦合器是利用宽带3dB平衡式MZI结构实现的，由两个固定3dB耦合器和相位调节单元构成，如图7(a)所示[18]。

在对称MZI两臂加载加热电极，可以调节波导等效折射率，从而分别在上臂和下臂产生Φupper和Φlower的相移。可调耦合器的传递函数如下：

其中θ=(ΦUpper-ΦLower)/2，Δ=(ΦUpper-ΦLower)/2。耦合系数K=cos2(θ)，γ为损耗项。通过控制加热元件产生的相移使得0≤sinθ、cosθ≤1，可调耦合器工作在可调功分器状态，sinθ=0且cosθ=1时工作在交叉状态，sinθ=1且cosθ=0时工作在直通状态，如图7(c)所示。这种可调耦合器使用了两个3dB耦合器，尺寸和插损都比较大。

图7 (a)基于MZI的可调耦合器(b)可调定耦合器(c)信号流向图[18]

为了减小插损，瓦伦西亚理工团队设计了一款可调定向耦合器[18]，如图7(b)所示。通过改变耦合区域两波导臂的折射率，可以调节耦合系数，实现直通、交叉和可调功分器状态的切换。可调定向耦合器的插损约为一个3dB耦合器的插损，相比于采用两个3dB耦合器的传统定向耦合器其插损减小至约1/2，长度减小到约1/3。但是可调定向耦合器实现耦合系数0到1的变化需要的功耗较大，约为460mW，远大于基于MZI结构的270mW。

基于热光效应设计的可调耦合器通常需要加热电极持续工作以维持固定的相移，产生π的光相移通常需要200mW～300mW的功耗(氮化硅)。当可编程光子芯片规模扩大时，需要的可调耦合器数量也相应增加，芯片的功耗也会急剧增加。为了降低调节元件的功耗，Jörn P.Epping等人利用外加压力改变材料折射率的性质，在氮化硅波导上添加压电材料(PZT)，设计出了压光移相器[22，23]。该移相器产生π相移需要30～40V电压，静态泄漏电流小于0.1μA，静态功耗在微瓦量级，驱动压光执行器的动态功耗小于4mW，远小于基于热光效应的调节单元。该压光移相器可以用于设计低功耗的可调耦合器。

(a) (b)

根特大学Wim Bogaerts团队提出了基于硅光微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)器件的可编程光子芯片[24]。在静电场驱动下移动波导使其靠近或远离相邻的波导可以产生较强的相移，并改变相邻波导间的耦合强度[25]。图9(a)所示为一个MEMS光移相器[26]，通过在梳状驱动器上施加静态电压可以推动薄膜靠近或远离波导，从而改变波导的有效折射率进而产生相位变化。图9(b)为MEMS光开关[25]，在静电场驱动下，中央波导可以向1号或2号波导弯曲，从而改变中央波导与1、2号波导之间的耦合实现单刀双掷开关的功能，该光开关可以改变可编程光子芯片的路径选择。MEMS调节单元具有低功耗、低损耗的特点，适合在可编程芯片中大量应用。

(a) (b)

表2对上述可调节单元的特性进行了总结和对比。目前可调节单元大多基于热光效应，因为热光效应引入的插损较小。然而，相比于利用压光效应和MEMS设计的可调节单元，热光调节单元功耗较大，热串扰比较严重，这使其在大规模可编程光子芯片的应用中受到了一定限制。平衡式MZI可调耦合器采用了两个3dB耦合器，所以插损和尺寸要大于单个可调定向耦合器，但其功耗较小。基于PZT和MEMS的可调节单元功耗很小，但基于PZT的调节单元尺寸较大。MEMS调节单元具有最小的尺寸和功耗，目前单个MEMS移相器的插损约为0.2dB，随着工艺的进步插损还可以进一步减小[24]。因此，基于MEMS的可调节单元在大规模可编程光子芯片中有较好的应用前景。

表2 可调节单元特性总结

2.2 综合控制方法

通过改变可编程微波光子芯片波导网格的连通方式可以实现路径切换，构成不同长度的延时单元，微环谐振器和MZI结构，从而实现不同的微波光子信号处理功能。目前可编程微波光子芯片的功能重构主要通过人工调节，芯片使用者基于特定的信号处理功能，设计好波导网格的连通方式，再通过调节加热单元的电压或电流实现特定的连通方式。随着可编程芯片网格规模的扩大，人工寻找特定连通方式并优化各调节单元耦合系数的难度极大增加，高效的综合控制方法对于大规模可编程光子芯片的实际应用具有重要的意义。

目前实现对可编程微波光子芯片的控制主要借用了图论中路径搜索算法。将芯片网络映射为一个图网络，其中每个光端口是图中的一个节点，每个端口之间的连接是图中的一个边，每条边有不同的权重，这个权重代表了插损、功率消耗等参数。得到代表光子芯片网络的图网络之后，就可以用图论中的算法来实现对光子芯片连通路径的控制，实现不同的功能。

2019年根特大学Xiangfeng Chen使用改进后的Dijkstra算法，实现了波导网格两指定端口间最小插损路径的选择[27]。在经典的Dijkstra算法中当前节点可以访问所有相邻未访问的节点以寻找最短路径，但是现实中光波传播不能自动反向，并且在同一个可调耦合器中不能同时访问直通路径和交叉路径，这使得经典的Dijkstra算法找出的最佳路径在现实中可能不能实现。为了解决这个问题，[27]改进了Dijkstra算法，引入辅助节点进行判决，避免同时使用同一可调耦合器的两个状态，从而实现正确的路由选择，但是这使得网络中出现了永远不可访问的节点。在这基础上2020年该团队进一步扩展了算法，将光子芯片网络映射为一个有向图，将耦合器建模为一个8端口网络，每个端口只可以单向传输。新的算法解决了不可实现路径和不可访问节点的问题，可以实现单输入单输出，单输入多输出和多输入多输出几种情况的综合[28]。

表3 控制方法总结

2020年瓦伦西亚理工大学Aitor López使用改进的树搜索算法分别在7个六边形网格和18个六边形网格两种不同规模的网络中实现了不同延时的光延迟线(即在指定端口间寻找特定长度的路径)，不同尺寸的MZI结构和微环谐振器，验证了该自动搜索路径算法的有效性[29]。该控制方法的不足之处是综合MZI结构和微环谐振器时必须先人工定义MZI用作功分器和合路器的两个TBU的位置，以及微环谐振器与直通波导耦合的TBU的位置，还不能实现全自动综合。

2020年瓦伦西亚理工大学Daniel Pérez López通过构造误差函数，利用梯度下降法和单纯形算法优化各调节单元的耦合和相位，综合出了一个1×8的功率分配器和一个消光比大于25dB的非对称MZI结构[20]。该优化过程预先设置了输入输出端口和其间的连通方式，通过监测各输出端口光功率，实现对误差函数的计算。文章指出误差函数的构建对于综合出的光路性能有较大的影响，后续为了提升光路性能和优化效率，还应改进误差函数，并采用更高效的优化算法。

表3对上述控制方法实例进行了总结。目前对波导网格优化控制的报道，主要是根据基本单元插损、功耗、长度等信息，寻找最佳连通路径，即确定光路拓扑。文献[20]对器件性能进行了优化，但是光路拓扑需要预先设定。可同时实现光路拓扑综合和性能优化的控制方法还有待进一步研究。

3 发展趋势

由以上分析可以看出，许多学者围绕可编程微波光子芯片开展了深入的研究，光路拓扑设计，可调节单元优化和控制方法等方面都取得了大量研究成果。然而，目前可编程微波光子芯片的报道大多处于功能演示的阶段，要将其推向实际应用还需要开展更为深入的研究。其发展趋势总结如下：

(1)大规模集成可编程微波光子芯片。提高可编程微波光子芯片的性能需要增加可调节单元的数量，这必然要求更大的集成规模。光路拓扑和可调节单元的性能是影响集成规模的主要因素。这要求我们寻找可以提高集成密度的光路拓扑，并优化可调节单元的性能，降低其尺寸、插损和功耗。如2.1节所述，优化可调节单元需要在调节机理、调节单元结构和集成工艺等几个方面深入研究。

(2)更加智能的控制方法。随着集成规模的扩大，可调节单元的数量急剧增加，这极大增加了可编程芯片控制的复杂度。如2.2节所总结的，目前的控制方法还不能同时实现拓扑综合和性能优化。因此还需要研究更加智能的控制方法，后续可以引入机器学习算法，对波导网络进行训练，从而快速综合出实现特定信号处理功能的光路拓扑[30]。

(3)有源、无源器件混合集成。目前报道的可编程微波光子芯片中片上部分只有光无源网络。一个完整的微波光子系统还需要电光调制器和光电探测器来加载和恢复微波信号，另外还需要光放大器来补偿链路损耗。在可编程微波光子芯片上集成有源器件将使其成为一个完整微波光子系统，摆脱对片外功能模块的依赖，进一步增强芯片的性能和功能。全集成芯片可能的实现方式是使用硅基全集成或氮化硅和磷化铟的混合集成[5]。要实现高性能的有源、无源器件全集成还需要在光电集成工艺和材料上进一步研究。

4 结束语

本文综述了可编程微波光子芯片的研究现状，介绍了其光路拓扑、主要实验结果，展示了其在微波光子系统中的巨大应用潜力；介绍了其关键技术的发展，并总结了可能的发展方向。若将可编程芯片用于射频收发系统将可以实现可重构射频前端，根据用户需求定义射频前端的功能，增加其通用性。目前，可编程微波光子芯片可以实现多种信号处理功能，但其具体性能还有待进一步提升，还需要在扩大集成规模，智能控制，有源、无源器件混合集成等方面继续深入研究。