快速准确地评估未知微波信号的频率在雷达天文学、卫星通讯、6G等应用场景中起着关键作用。近年来，面对日趋复杂的电磁环境，人们对宽带、智能化和低成本要求的不断提高，传统的微波瞬时频率测量（Instantaneous frequency measurement, IFM）技术面临巨大挑战。最近，融合了微波技术与光子集成技术的集成微波光子学为实现小型化宽带IFM系统提供了新的机遇。迄今为止，由于其低成本、大规模制造和功能器件的广泛可用性，大多数集成IFM系统已经在硅光子学中得到了演示。然而，由于调制机理（等离子色散效应）的限制，硅基片上电光调制器（Electro-optical modulators, EOM）的带宽有限，导致之前报告的硅基IFM系统的测量频率范围较低，不能覆盖毫米波波段（30 - 300 GHz），限制了这类系统的实际部署，使其难以应用于毫米波领域。
被称为光学“硅”的铌酸锂（Lithium niobate, LN）材料具有优良的线性电光效应（泡克尔斯效应）、宽的光学透明窗口、高二阶非线性效应等优点，是集成光子器件的理想材料平台。近年来，铌酸锂以绝缘体上铌酸锂（Lithium Niobate on insulator, LNOI）的形式成为极具吸引力的集成光学平台，使众多科学演示和商业产品取得突破性进展。薄膜铌酸锂（TFLN）的诞生使其在芯片尺度下制造高光学限制波导成为可能，其能够有效地增强光与电的相互作用，从而增大调制效率，减少调制器的尺寸，提高调制带宽。同时，可以预见的是，具有在同一个芯片上集成有源和无源光子器件的潜力的LNOI平台，将会成为未来大带宽、高性能集成微波光子学器件的重要载体。
兰州大学田永辉教授课题组与皇家墨尔本理工大学（RMIT）Arnan Mitchell教授课题组合作，在薄膜铌酸锂晶圆的表面沉积一层氮化硅薄膜，通过成熟的CMOS兼容工艺刻蚀氮化硅层可以得到氮化硅-铌酸锂异质波导，随后利用电子束蒸发沉积、激光直写、剥离工艺等技术手段制备了金属电极。最终，在此平台上提出并论证了一种动态微波频率测量系统，实现了对5-65 GHz宽带微波信号频率信息的快速、精准测量。该团队设计的铌酸锂微波频率测量系统示意图及原理如图1所示。研究人员在单个薄膜铌酸锂芯片上同时集成了电光调制器（用于加载微波信号）、微环谐振器（用于抑制光载波）、模式复用器（用于解复用反射光信号）以及多模布拉格光栅FP腔（可调谐的光学鉴频器）等器件。该系统的工作原理是用工作在最小工作点的马增型电光调制器将未知微波信号调制在光波上，通过FP腔上下两条光路互补的功率响应，产生一个仅与待测微波信号频率有关的幅度比较函数（Amplitude comparison function, ACF），如下：
利用这个函数可以测量未知频率的微波信号。
图1 基于绝缘体上铌酸锂平台的集成动态频率识别系统。（a）频率识别芯片的示意图（b）-（d）马曾干涉仪型电光调制器、微环谐振器、FP腔和微型加热器的显微镜照片。
关键器件的性能指标如图2所示，电光调制器的电光带宽达到了90 GHz，微环的FSR、消光比、品质因子分别为70 GHz、11 dB和2.6×104，模式复用器在整个C波段的串扰小于-12.5 dB，FP腔的消光比为19 dB而且单调带宽（功率单调变化的带宽）大于65 GHz。值得一提的是，相比于以往采用相移布拉格光栅做光学鉴频器的方案，该团队使用的方案引入了模式复用技术和多模波导布拉格光栅，反射的信号可以利用模式复用器下载，从而避免了Y分支的本征3 dB损耗，并且降低了光信号反射回激光器，损坏激光器的风险。同时，与采用微环或非对称马增干涉仪的方案相比，该结构拥有超大的FSR（＞700 GHz）的同时，还具备较小的占地面积（约200微米）。
图2 关键器件的性能指标。（a）电光调制器的电光响应。（b）-（d）微环谐振器、模式复用器、FP腔的传输曲线。
图3 （a）用来测量频率的ACF曲线（b）估计的频率与相对误差
为了进一步展示该系统可以用在电子对抗、雷达预警等实际应用场景，该团队实验演示了线性啁啾、跳频、二次啁啾等频率随时间变化的动态微波信号，如图4-6所示。实验结果表明，所提出的瞬时频率测量系统可以快速准确的识别C-U波段（8-60 GHz）的频率随时间变化的动态微波信号。
图4 线性啁啾（Linear frequency modulation, LFM）的测试结果
图5 跳频（Frequency hopping, FH）的测试结果
图6 二次啁啾（Secondary frequency modulation, SFM）的测量结果
该工作首次提出并演示了一种基于薄膜铌酸锂平台的超宽带集成动态微波频率测量系统，充分利用铌酸锂材料优异的电光特性，首次将测频范围扩大至65 GHz，且均方根误差控制在在321 MHz。作为应用实例，利用提出的系统进行了三种典型微波信号的频率识别测试，实验结果表明，该系统能够准确地实现动态频率识别。此系统为在薄膜铌酸锂平台实现，电子对抗、雷达、卫星通讯和6G等领域所需的各种高性能微波光子器件铺平了道路。在未来，将低噪声激光源、光放大器、高功率处理光电探测器、微电子集成电路与微波射频放大器通过异构集成的方案组装在一起，可以进一步提升该系统的能力，推动其在实际应用中的部署。
该成果以“Integrated Ultra-Wideband Dynamic Microwave Frequency Identification System in Lithium Niobate on Insulator”为题发表在Laser ＆ Photonics Reviews期刊。兰州大学田永辉教授，皇家墨尔本理工大学任光辉研究院为论文共同通讯作者，硕士研究生汪励恒为论文第一作者，论文合作者还包括兰州大学青年研究员肖恢芙、兰州大学萃英博士后蒋永恒、阿德莱德大学Andreas Boes教授，中科院半导体所李明研究院，皇家墨尔本理工大学Arnan Mitchell教授等。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400332
