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航天五院西安分院微波光子团队:突破高性能片上集成光子Repeater技术

发布:wyxfjh阅读:1145时间:2024-2-26 17:00:07

       面向星载灵活处理和可重构交换转发等技术发展需求,航天科技集团五院西安分院谭庆贵研究员团队提出了基于InP和Si3N4混合集成的星载微波光子Repeater芯片技术方案,实现多通道光子变频与窄带信道化功能。该技术方案首次实现了包括双增益外腔激光器、阵列MZM调制器、阵列SOA放大器、宽带光滤波及窄带光信道化器的全芯片化集成。基于该技术方案,研究团队设计并完成了星载微波光子Repeater芯片研制,实现了2GHz带宽Ka-K频段下变频和4通道500MHz颗粒度的Flat-top型窄带光信道化滤波,验证了微波光子技术的宽带灵活射频信号处理能力。

       该研究成果以题为“Chip-Based Microwave Photonic Payload Repeater for High Throughput Satellites”发表在国际光学期刊Laser& Photonics Reviews2024年第2期。航天五院西安分院梁栋博士为论文第一作者,李立研究员和谭庆贵研究员为论文通讯作者。

       现行高通量卫星载荷的射频通道处理目标为瞬时带宽不超过5GHz的高频连续信号。为与后续数字信号处理部件和大功率放大器部件相衔接,需要将该宽带信号划分为多个带宽连续的百MHz量级窄带信号。而传统光通信和微波光子技术的信号复用及处理多在亚nm尺度下进行。如常用的1550nm波段DWDM间隔为0.8nm(100GHz),最小的单个WDM滤波带宽为0.4nm(50GHz)。星载射频处理需求与传统光子信号处理能力之间差距巨大。目前传统星载应用仍依靠频率敏感的微波无源多工器实现星上信道划分功能。对于典型载频在193THz附近的微波光子系统,构建滤波带宽接近1GHz的FLat-Top型窄带光滤波器仍是一项不小的挑战。

Figure 1. HTS payload-based global telecommunications network. a) The payloads function for gateways and users. b) The photonic repeater con?guration in multi-beams broadband RF receivers.

       针对该应用需求,谭庆贵团队深入研究并开发了星载微波光子Repeater芯片。利用Si3N4光波导超低损耗特性,构建4级结构的多阶马赫增德尔干涉型光滤波架构,实现500MHz量级的窄带光信道化及通带优化,并同步在Si3N4上实现了宽带射频边带选择、杂散及噪声抑制等功能。结合InP的III-V族半导体材料特性,混合集成实现了输出功率超过19dBm的双增益InP- Si3N4外腔激光器,35GHz以上带宽的阵列MZM调制器,以及20dB增益的阵列SOA放大器功能。整体芯片架构如图2所示。

Figure 2. Schematic of the proposed photonic repeater chip. a) The 3D drawing of the proposed chip。b) The detailed sketch of the proposed chip.

       该光子Repeater在12 mm *18mm的Si3N4芯片上实现了总长超过340cm的超长距离波导结构,对应波长最优处传输损耗≤0.065dB/cm。整体混合集成半封装尺寸达到104 mm *80 mm *20mm。芯片实物如图3所示。

Figure 3. Repeater assembly with the lid opened, where components are highlighted and indicated by letters.

        实验验证结果表明,该方案信道化通带内1dB带宽达到356MHz,3dB带宽达到580MHz,平均带外抑制超过20dB。相比微波无源多工器,光子Repeater对输入射频信号频率不敏感,兼容C-V频段任意射频信号,具有极强的通用性。该光子Repeater 信道化输出通带的20dB矩形系数为1.26,是迄今为止flat-top型窄带光滤波器所展示出的最佳性能。

Figure 4. experimental results of the photonic RF repeater. a) the optical response of the Channelizer. b) In?uence of waveguide loss to the Channelizer. c) the optical response of CH1 to CH4. d) the electrical response of the CH2 and CH3. e) the measured optical spectra before PDs. f) the measured electrical spectra of down-converted signal.

        混合集成微波光子Repeater芯片验证了微波光子芯片技术星载宽带射频信号的宽带灵活处理能力。通过相关产品研发,西安分院谭庆贵团队已掌握InP、Si3N4、SOI以及PLC等多类型光芯片的高效耦合技术,具备复杂多功能微波光子芯片的设计和集成封测能力,以及小型化、集成化微波光子载荷的研制能力。随着灵活可重构转发等载荷技术快速发展,微波光子技术的宽带、多通道灵活射频信号处理能力将发挥重要的技术价值。集成化微波光子载荷技术已进入工程化应用阶段,必将推动卫星载荷技术的跨代发展。

参考链接:

https://doi.org/10.1002/lpor.202200952

https://doi.org/10.1364/OL.438370

 

编辑|徐睿