劉大鵬， 馮 靖， 廖海軍， 楊忠華， 崇毓華， 崔乃迪， 馮俊波， 郭 進

(1. 聯(lián)合微電子中心有限責任公司， 重慶 404100； 2. 中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引 言

光控波束形成技術有望解決傳統(tǒng)相控陣雷達中電相移器帶來的波束傾斜和波形展寬問題，突破相控陣天線的“孔徑效應”，進而實現(xiàn)輕量化、大瞬時帶寬、寬掃描角度、波束無傾斜、低傳輸損耗、抗電磁干擾的相控陣系統(tǒng)，并提高雷達距離分辨率、抗干擾能力和波束指向性，因此受到了廣泛的研究。

光控相控陣技術于20世紀80年代中期提出至今，逐漸從光纖延遲線系統(tǒng)、自由空間光系統(tǒng)過渡到光子集成芯片系統(tǒng)，不斷地在體積、重量、功耗、規(guī)模上取得突破。1995年，美國休斯公司在DARPA的資助下研制出L 波段系統(tǒng)，采用了5 bit的光控真延時單元(Optical True Time Delay, OTTD)，實現(xiàn)了最大±60°掃描角度，驗證了光控相控陣技術可以實現(xiàn)雷達的寬帶與大角度掃描。1998年，MIT基于光纖Rotman透鏡架構實現(xiàn)了4通道的光控接收預警天線系統(tǒng)樣機，次年規(guī)模擴大到8通道，實現(xiàn)了最大±52.5°掃描角度。隨著集成光電子技術的飛速發(fā)展，2000年以后光控相控陣系統(tǒng)的研究朝著集成化、多通道、多波束等方向發(fā)展。2007年，IBM在Nature上發(fā)表了多個微環(huán)諧振器級聯(lián)的SOI延時芯片，通過改變群折射率來控制延時量。2011年，以色列Bar-Ilan大學采用空間Rotman透鏡實現(xiàn)了多波束光控波束形成系統(tǒng)。2014年，歐盟PHODIR項目進行外場實驗，實現(xiàn)了大帶寬、多頻段應用、軟件定義功能的光子雷達系統(tǒng)，成果發(fā)表在Nature上。2015年，南京航空航天大學潘時龍教授團隊提出了一種基于光頻梳和色散介質波束形成系統(tǒng)，步進69 ps，最大延時1.4 ns。2017年，上海交通大學陳建平教授團隊在Optica上發(fā)表了基于微環(huán)諧振器和MZI級聯(lián)結合的硅基連續(xù)可調光延遲芯片，采用了自主研發(fā)的低損耗波導工藝。同年，中科院電子所研制的微波光子雷達，進行場外測試，獲得了高圖像分辨率。2018年，華中科技大學董建績教授團隊實現(xiàn)了一種基于反射布拉格光柵的可調延時光子集成芯片，實現(xiàn)了12 nm波長范圍內50 ps的延時量。2019年，華中科技大學張新亮教授團隊實現(xiàn)了8通道可重構的光延遲線陣列芯片，延時精度與功耗一致性較高。同年，中科院半導體研究所李明研究員團隊基于仕佳光子公司的二氧化硅平臺實現(xiàn)了100 ns的大延時光子集成芯片，損耗低至1.08 dB/m。東南大學崔一平教授團隊提出了一種基于AWG實現(xiàn)的具有波長選擇性的光真延時芯片，可實現(xiàn)步進5.7 ps，最大278 ps 的延時。中國電子科技集團公司第三十八研究所團隊利用硅基光子集成技術實現(xiàn)光控波束形成網絡組件的芯片化，突破傳統(tǒng)電域解決方案在性能和集成度上面臨的問題，工作頻段12～18 GHz，最大延時量210 ps，延時抖動<3 ps，單路功耗150 mW。重慶聲光電利用氮化硅波導光子集成技術實現(xiàn)了約50 ps的多通道光延時芯片，采用4吋、0.5 μm的硅基工藝線進行流片，單通道損耗約8 dB。2021年，浙江大學章獻民教授團隊提出了一種用于二維相控陣雷達的光子集成波束形成芯片，芯片功耗4.32 W，精度0.55 ps，指向角誤差0.5°。

光子集成延遲線芯片的關鍵是通過改變光程實現(xiàn)片上真延時切換，而光程由群折射率和路徑長度共同決定。因此，從物理內涵上可以將光真延時技術分為兩類：調控群折射率與改變路徑長度。MZI光開關切換方案結構簡單，延時量大，但面臨光路損耗大、控制電路復雜等缺點，因此設計開發(fā)低損耗的集成光波導與光開關有望進一步推動MZI光開關切換型的延遲線芯片實用化。本文基于聯(lián)合微電子中心有限責任公司(簡稱CUMEC)的自主SiN工藝平臺研究制備了低損耗MZI步進型延遲線芯片，實現(xiàn)了芯片的模塊化封裝，并完成了八陣元光控波束形成網絡樣機研制與功能演示驗證。

1 芯片設計制備

本文所設計的MZI步進型延遲線單通道鏈路示意圖與芯片版圖如圖1所示，延時位數(shù)5 bit，延時步進6.4 ps，最大延時量為198.4 ps。

(a) 延遲線芯片單通道鏈路示意圖

(b) 延遲線芯片版圖圖1 延遲線芯片單通道鏈路示意圖與芯片版圖

延遲線芯片主要由低損耗SiN波導、光開關、小模場端面耦合器組成。其中，不同長度的SiN波導提供不同的光程差實現(xiàn)不同延時量單元，光開關用于切換光路實現(xiàn)芯片不同延時單元的組合狀態(tài)，小模場端面耦合器實現(xiàn)芯片與小模場光纖的低損耗耦合。延遲線芯片版圖如圖1(b)所示。芯片基于聯(lián)合微電子中心有限責任公司的CSiN300 PDK設計制備完成，所采用的波導尺寸為0.3 μm×1 μm，波導群折射率1.92，波導傳輸損耗<0.1 dB/cm，端面耦合損耗<2 dB/facet，光開關為熱光開關，采用TiN加熱電極，光開關消光比>30 dB，半波功率約為115 mW，本文制備的芯片如圖2所示。

圖2 芯片實物照片

2 芯片封裝測試

本文所制備的延遲線芯片基于CUMEC標準封裝工藝實現(xiàn)模塊化封裝。如圖3所示，光學封裝方面，采用UHNF光纖端面耦合封裝輸入和輸出端口。電學封裝方面，基于金絲引線鍵合的方式將延遲線芯片的電極引出到PCB板上，通過多通道DAC控制延遲線芯片上的延時組合，并采用溫控電路反饋控制延遲線芯片的工作溫度。

圖3 延遲線芯片模塊

光開關的切換速度決定了延遲線芯片的延時狀態(tài)切換速度，是延遲線芯片應用的關鍵參數(shù)之一。測試結果如圖4所示，白色信號為觸發(fā)光開關的方波信號，頻率設置為1 000 Hz，占空比為50%，低電平設置在0 V，高電平設置在6 V，黃色信號為由光開關輸出經光電探測器轉換后的電信號，可以看到輸出信號的上升沿約為90 μs，下降沿約為60 μs，均低于100 μs，即光開關的切換速度小于100 μs，延遲線芯片的延時狀態(tài)切換速度小于100 μs。

圖4 光開關切換速度測試結果

如圖5所示，本文搭建了典型光矢量網絡分析鏈路用于測試制備的延遲線芯片不同延時狀態(tài)下的幅度和相位響應。電矢量網絡分析儀掃頻范圍1～20 GHz，取樣點數(shù)為1 601，微波信號通過調制器加載到光上，然后經過延遲線芯片模塊延時，注入光電探測器轉換為電信號，經過電放大器放大后輸入到矢量網絡分析儀中，該鏈路可以實現(xiàn)集成光子器件幅相特性的高精度分析。

圖5 延遲線芯片測試鏈路

基于電源控制切換光開關改變光程實現(xiàn)芯片的32個延時狀態(tài)，用矢量網絡分析儀讀取每一個狀態(tài)下的幅度響應和相位響應，并用光功率計記錄分析該狀態(tài)下芯片的光損耗。

鏈路所測得的S21曲線如圖6所示，圖6(a)為可調光延遲芯片32種延時狀態(tài)下的1～20 GHz工作頻率的幅度響應，其幅度一致性±4.5 dB；圖6(b)為可調光延遲芯片不同狀態(tài)下的相位響應，其相位一致性±23°，分析可得到圖7中所示不同狀態(tài)下延遲芯片提供的延時量，經過計算，測試延時量與設計延時量之間的誤差范圍為-0.6～+2.0 ps。

(a) 幅度響應

(b) 相位響應圖6 基于光矢網不同延時狀態(tài)的幅度相位響應

圖7 不同延時狀態(tài)下的設計與測試延時量

同時通過光功率計讀取各個延時狀態(tài)下的光功率數(shù)值，一共32個延時狀態(tài)，對應延時量從0 ps按步進6.4 ps遞增至198.4 ps，其中損耗最大的狀態(tài)編號為9，此時的延時量設計值為51.2 ps，測試值為50.9 ps，損耗-9.20 dB。損耗最小的狀態(tài)編號為1，此時的延時量設計值為0 ps，測試值為0 ps，損耗-6.27 dB，光功率一致性為<±1.5 dB。芯片工作在最大延時量198.4 ps狀態(tài)下時損耗為8.74 dB，小于部分中間延時狀態(tài)的損耗值，由此分析導致芯片±1.5 dB功率一致性的主要原因是光開關的消光比不足帶來的路徑串擾以及多級干涉導致，后續(xù)可通過優(yōu)化光開關設計、鏈路結構與制備工藝改善。

3 樣機演示驗證

本文基于所制備封裝的低損耗延遲線芯片模塊，研制了8通道的波束形成樣機，樣機一共2層，每層4通道，其單層鏈路示意圖和實物如圖8所示。從激光器發(fā)射的光被加載到調制器上的微波信號調制后，經過1分4光耦合器，分別進入4個偏振控制器中調整偏振態(tài)，然后輸入到所研制的延遲線芯片模塊中經過不同的延時后注入探測器中完成光電轉換，產生的電信號經由電放大器放大后經電纜饋入到發(fā)射天線中發(fā)射。

圖8 八陣元光控波束形成網絡樣機單層鏈路示意與實物圖

樣機實物尺寸為450 mm×400 mm×200 mm，其8個通道工作在1～20 GHz時的幅度一致性±4.5 dB以內，相位一致性±23°以內。其電幅度一致性大于理論上±1.5 dB光功率對應的電幅度一致性，分析是因為樣機中調制器與探測器工作在1～20 GHz時的幅度響應不平坦造成的，后續(xù)可通過優(yōu)化器件選型或設計改善。樣機中內置的芯片通過開發(fā)的電路板加電控制，可以實現(xiàn)波束狀態(tài)的切換以及單個延遲線的延時狀態(tài)切換?；谏鲜鲅兄频牟ㄊ纬蓸訖C，本文進行了暗室測量。如圖9所示，測試環(huán)境為4 m×6 m大小的暗室，發(fā)射天線到接收天線的距離約為3 m。矢量網絡分析儀發(fā)射的微波信號接入到八陣元波束形成系統(tǒng)樣機的輸入端口中，經過樣機中的系統(tǒng)鏈路轉為8個微波輸出端口，將這8個微波輸出端口按順序依次接到發(fā)射天線的各個陣元微波接口上，另將接收天線的微波接口通過10 m長的微波電纜接到矢量網絡分析儀的輸入端口。發(fā)射天線和波束形成系統(tǒng)樣機安裝在轉臺上，控制轉臺實現(xiàn)從-100°到+100°的角度掃描，接收天線接收到不同角度時發(fā)射天線發(fā)出的信號，從而得到不同指向角度下的信號信息，形成方向圖。

圖9 暗室測試方向圖

在上述的暗室測試中，八陣元波束形成系統(tǒng)樣機共實現(xiàn)了6～18 GHz工作頻段下7種不同的波束指向狀態(tài)，其中工作在17.5 GHz時的方向圖仿真與測試結果如圖10所示，該樣機實現(xiàn)了從-35°到+35°的波束控制和掃描，且與仿真結果一致。但由于測試過程中偏振態(tài)的改變和相位抖動造成了波形的劣化以及指向角的偏差，后續(xù)實驗可采用保偏封裝保證模塊與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高波束形成質量。

圖10 工作在17.5 GHz頻點的仿真與測試方向圖

4 結束語

光控波束形成技術相比于傳統(tǒng)相控陣技術有著大瞬時帶寬、無波束傾斜、抗電磁干擾等優(yōu)勢。本文基于聯(lián)合微電子中心有限責任公司的自主SiN工藝平臺研究制備了低損耗MZI步進型延遲線芯片，延時步進6.4 ps，位數(shù)5 bit，最大延時量198.4 ps，波導損耗<0.1 dB/cm。完成了芯片的模塊化封裝，延時狀態(tài)切換速度優(yōu)于100 μs，微波信號1～20 GHz范圍內，其電幅度一致性±4.5 dB，相位一致性±23°，光功率一致性±1.5 dB，最小損耗-6.27 dB，其測試延時量誤差為-0.6 ～+2.0 ps。本文基于制備的延遲線芯片模塊，完成了八陣元光控波束形成網絡樣機研制，驗證了從-35°到+35°的波束掃描。本文研究有望通過優(yōu)化結構設計與制備，進一步推動基于集成光子芯片的光控波束形成技術的應用。