Miniaturized and highly integrated broadband optical transceiver assembly

微波光子学是微波技术和光子技术相互融合的交叉学科，它重点研究微波和光子在机理上的相互作用，目标是用光子技术解决微波瓶颈问题，其研究主要集中在光载微波信号的产生、传输、控制处理、接收以及相应的系统集成^[1-2]。虽然微波光子学直到20世纪80年代末才在国际范围内得到认可^[3]，但由于其工作频带宽、传输损耗低、相位线性度高、系统重量轻、接入灵活等优点，微波光子技术已在雷达、电子战、宽带无线接入网等诸多领域进行了大量的应用，展现了非凡的潜力^[4-8]。2013年意大利国家光子网络实验室完成的全球首个光子雷达收发机，掀起了全球研究微波光子雷达的热潮^[9]。美国海军实验室更以“光子照亮雷达的未来”为题，将该技术在雷达应用中提到了极为重要的高度。

目前，微波光子链路的工程化应用主要基于分立器件，受制于分立元件微波光子链路体积大、一致性差、功耗高、价格昂贵等固有不足，高性能、高可靠性的微波光子集成器件是光子技术在雷达应用中的关键。现今，国内外关于微波光子集成技术的研究主要聚焦于光子集成芯片技术的研究，并取得了大量的成果^[10-12]。但当前这些芯片，大都功能单一，且只能在良好的实验室条件下应用^[12]。由于光子集成技术需要将大量有源、无源光子器件以及射频元件进行集成，这些属于不同材料体系的器件集成需要完成多材料平台融合。该融合技术难度较大，成本较高，且受限于目前芯片的加工能力，微波光子混合集成芯片的实际应用，还需较长时间^[2]。

针对雷达等应用对高集成微波光子器件的迫切需求，文中提出了一种基于光电异构集成封装的新型小型化光收发组件，该组件运用成熟光电芯片、微波芯片以及无源光器件实现三维异构集成封装。采用该种方式，既能实现良好的可靠性，又能在低成本下实现高集成度，是现阶段微波光子链路在雷达等工程应用中较为理想的集成方式。通过该方式实现的组件，单模块体积与传统MZM调制器体积相当，仅为85 mm×35 mm×10 mm，可实现6~18 GHz微波信号收/发的光纤拉远，平面化、小型化设计使该组件可以同超宽带TR进一步集成。

组件主要由集成化光收发前端模块（A模块）和集成化光收发后端模块（B模块）组成，其工作原理如图1所示。

Figure 1.  System architecture of components

A模块位于天线阵面端，B模块位于雷达后端，通过光纤进行信息传输，实现射频信号的拉远。当组件处于上行状态时，微波信号通过B模块完成射频预处理和电光转换后通过光纤传输至A模块，A模块将信号还原为微波信号，并将信号放大后送至天线端。当组件处于下行状态时，A模块将天线接收的微波信号进行放大和电光转换，然后通过光纤将接收号传输至B模块，B模块完成信号的光电转换后将其输出至后端信号处理单元。

模块原理架构如图2所示，A模块靠近天线阵面端，主要完成天线端与后端信号的电光和光电转换。B模块位于后端，主要完成天线端与后端信号的光电和电光转换。模块主要由射频部分、光电转换部分以及集成化光波分环形器组成。其中射频部分主要包括低噪声放大器（LNA）、射频开关、均衡器等，光电转换部分主要由MZM调制器、宽带探测器以及调制器控制电路等组成。

Figure 2.  Module principle architecture

由于后端空间相较阵面端更充裕，所以外调制需要的大功率激光源也位于射频后端，B模块和大功率激光器直接相连，A模块所需连续光通过波分环形器解复用后传入A模块MZM调制器芯片输入端。

当组件上行时，B模块处于接收状态，A模块处于发射状态，其链路构成如图3（a）所示。

Figure 3.  (a) Uplink diagram; (b) Downlink diagram

构成上行链路的主要器件及参数如表1和表2所示。

根据上诉参数，设探测器芯片耦合后响应度为80%，上行时波分探测器的损耗为1 dB，可以对上行链路的增益进行估算：

式中： G_f为前级射频链路的增益即前级放大器增益减去开关插损G_f=18.5 dB；G_b为后级射频链路的增益即后放大器增益减去开关插损G_b=33.5 dB；G_opt为光链路的射频增益，其可由下式进行计算：

式中：Z_in、Z_out为输入、输出阻抗；V_π为调制器芯片半波电压；I_dc为探测器芯片输出光电流。

式中：R_pd为探测器芯片耦合后的响应度；P_laser为激光器输出功率，为50 mW；L_M为调制器芯片光插损；L_OPT为光链路的插损，是波分环形器的插损、2 km光纤的插损以及光纤弯曲造成的插损之和，约为4 dB。

将公式（3）代入公式（2）可得：

代入器件参数可得G_opt=−30 dB，则上行链路总增益G_up=22 dB。

当组件下行时，A模块处于发射状态，B模块处于接收状态，其链路构成与上行链路相似，主要区别在于下行时位于天线端的A模块调制器芯片所需连续光需通过波分环形器传递，调制后的光信号也需通过波分环形器传递至后端B模块的光电探测芯片处。该过程由于需要通过四次波分环形器，会造成7 dB的光插损。构成下行链路的主要元器件与上行相同，主要区别为后级放大芯片仅有IPA-0200-22一级，各器件主要指标如前所述，此处不做赘述。运用公式（1），对下行链路进行估算，可得G_down=1 dB。

该组件需要将光、微波、控制电路等进行混合集成，因为光电芯片的工艺、材料、结构与微波芯片区别较大，所以合理的封装设计对性能的实现以及可靠性有举足轻重的作用。同时，由于芯片均采用裸片的形式，需要用金丝对各芯片进行连接。这种情况下，光芯片自带的尾纤若随意摆放容易打断金丝，影响器件可靠性。最后，由于腔体内部复杂，空间紧凑，很容易形成高频谐振，如何在有限的体积内形成有利于高频信号传输的腔体也是结构设计的难点。对于该组件，笔者等运用多种仿真工具，通过多轮实验和修改，最终设计了图4所示的腔体结构。采用该结构能够得到独立的射频传输空间，平整的光纤盘纤空间，能够有效保证该组件的可靠性和性能实现。

Figure 4.  Schematic diagram of component packaging

从图4可以看到该组件主要由调制器芯片及控制板、电源及控制板、探测器模组、微波部分以及集成波分环形器构成。其中，调制器芯片安装在独立的腔室内，其下部垫有专用的玻璃片以保证膨胀系数的匹配，防止芯片在高低温时因膨胀系数的失配发生断裂；电源及控制板除了完成相应功能外，还作为调制器芯片控制板的安装结构件，支撑调制器芯片控制板；射频隔离板和腔体结构配合能够形成独立的射频腔体以保证射频性能的实现，而且该结构在形成独立射频腔体的同时也为调制器芯片提供保护，并将电路部分与射频区域均物理隔离，能够有效防止串扰；射频隔离板下部腔体专门设计的光纤通道能够保证光纤安全转移到平整的顶层护板上进行盘纤处理；波分环形器在盘纤隔离护板上的位置经过拟真分析，能够保证光纤以最大的转弯半径进行固定，减小弯曲插损。

光电探测器主要完成调制光信号的光电转换，为了保证组件的宽带特性，该组件采用本所自行研发的20 GHz光电探测器芯片，该芯片在DC-20 GHz性能优异，其归一化幅频响应如图5所示。

Figure 5.  Normalized amplitude frequency response of PD

对于探测器芯片的耦合，现有模拟产品一般采用金属化光纤直接耦合的方式。但是该耦合方式，需要支撑结构焊接固定金属化光纤，且光芯片需要立装，无法应用在该组件中。为了减小组件体积，提高集成度，该组件创新性地将数字光模块的45°光纤^[13]工艺引入到了模拟光传输模块中，如图6所示。

Figure 6.  Picture of 45° optical fiber module

这种平面化耦合结构，能够大幅减小探测模块占用体积，仅需5 mm×5 mm的空间就能实现高效光电转换。而且由于采用平面化耦合方案，无需特定的结构支撑，只需一块平整的空间就可以实现探测器耦合，能够将探测模块放置在电路板、壳体等较为平整的地方，应用方便灵活。通过高精度耦合设备和专用的45°光纤，能够实现超过80%的耦合效率，足以满足工程化使用的要求。

波分复用器和环形器市场均已有成熟产品，但这种独立封装的分立器件尺寸太大，不利于组件的小型化。该组件采用自由空间光集成技术，将滤光片和环形器进行集成，其原理如图7所示。采用该结构的小型化波分环形器体积仅为商用波分复用器的一半，典型插损为1.5 dB，隔离度大于38 dB，性能较分立器件更为优异。

Figure 7.  Structure diagram of the circulator with WDM

通过上述关键技术，应用光电混合集成技术最终实现的组件如图8所示，其中A模块的尺寸为85 mm×45 mm×10 mm，B模块的尺寸为85 mm×35 mm×10 mm，实现了高度集成化。

为了对组件进行测试，搭建了如图8所示的由两个50 mW连续光激光器、集成化光收发组件、2 km光纤构成的测试平台。通过该测试平台，可以拟真B模块位于后端，A模块位于约2 km处天线阵面，通过单根光纤实现微波信号上/下行的场景。基于此测试系统，测量了链路的增益、平坦度、噪声系数以及相位线性度。其中，测试仪器采用的是德科技的N5247A微波网络分析仪，该仪器集成了噪声系数，P-1等测量功能，通过该仪器可以直接测量器件的S参数、噪声系数以及相位线性度等指标。测试结果如图9和表3所示。测试结果表明，对于上行链路，在6~18 GHz频带内，该组件实现了超过18 dB的增益，±1.5 dB以内的平坦度以及小于33 dB的噪声系数。对于下行链路，在6~18 GHz频带内，增益大于−1 dB，平坦度在±1.5 dB以内，而且全频带内噪声系数小于30 dB。在雷达重点工作频段8~12 GHz范围内，上行链路与下行链路均实现了小于±5°的相位线性度。对于测试增益和理论计算之间的差异，主要是由于理论计算时未考虑芯片微组装之后的实际增益、各芯片之间的互联的损耗以及对光纤盘绕损耗估算的准确性，总的来说，测试结果和理论计算结果吻合，该组件在高集成度的情况下实现了媲美分立元器件搭建系统的性能。

Figure 8.  Photographs of the component and the test platform. （a) Module A; (b) Module B; (c) Test platform

Figure 9.  Test curve of the link. (a) Uplink S-parameters; ( b) Downlink S-parameters; (c) Phase linearity

文中提出了一种小型化异构集成光收/发组件，该组件运用光电异构集成封装、平面化探测芯片耦合技术、集成化波分环形器等关键技术，将MZM调制器芯片、微波芯片、探测器芯片以及光环形器、波分复用器进行高度集成，实现了光电芯片和微波芯片以及无源光器件的异构集成，得到了良好的宽带性能。在6~18 GHz频率范围内，组件实现了±1.5 dB的平坦度，且上行链路增益大于18 dB，噪声系数小于33 dB，下行链路增益大于−1 dB，噪声系数小于30 dB。组件性能能够和分立元器件搭建系统相媲美。小型化、平面化封装使其应用于雷达、电子战等系统中时，能够有效减小系统体积，提高系统集成度，具有广阔的应用前景。未来，随着铌酸锂薄膜等技术的成熟，该组件的性能和集成度还能进一步提高，以满足其在雷达、电子战等场景大规模应用的需要。