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太赫兹通信新时代降临！超宽带光子接收器突破为6G网络部署铺平道路
随着无线网络和移动通信对数据容量的需求不断增长，它们正朝着更高的载波频率和更宽的调制带宽发展。不幸的是，电子设备性能会随着频率和调制带宽的增加而降低，这阻碍了传统微波架构的应用。虽然微波光子系统可以通过提供具有极高工作带宽的设备和系统性能来应对这些挑战。但是能否将电子和光子器件单片集成到功能组件中，以提供毫米波和太赫兹区域的超宽带性能是一个巨大挑战。近日，以美国特拉华大学为第一单位的研究团队近日集成微波光子学研究取得重大突破，相关成果以“Monolithically integrated ultra-wideband photonic receiver on thin film lithium niobate”为题发表于《Communications Engineering》上。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s44172-025-00393-7
随着无线网络和移动通信领域已成为人类体验几乎所有方面的重要组成部分，需要在技术和拓扑层面取得进展，以维持和扩大其影响。因此，新兴的无线生态系统以及新的网络拓扑正在解决对增加数据容量的不断需求，同时确保以极低的延迟实现普遍接入。应对这些挑战的一个共同主题是使用更高密度的基站、使用分布式天线系统以及联合通信和传感网络的出现。然而，这些发展的共同点是使用电磁波谱的更高区域，更具体地说是毫米波（mmW）和太赫兹（THz）区域，在这些区域，操作可以利用大量的可用带宽（BW）。但与此同时，也带来了许多新的技术挑战，例如简单电缆/波导的高损耗、更高的自由空间路径损耗（FSPL）、设备级性能下降、对结构的渗透性差以及站点线和非站点线之间的严重不平衡。
为了应对其中一些挑战，该团队提出了一种单片集成光子射频（RF）前端的开发，该前端专门设计用于在电磁频谱的毫米波和太赫兹区域运行。然而，在组件的组装中，仍然可能遭受接口和设备损失，这就是推动单片集成需求的原因。在该文章中，研究人员通过将天线和光子器件单片结合，提出了组件级集成的挑战。
在同一电光调制器（EOM）设备上集成天线和电极的概念起源于20世纪90年代，当时提出了许多天线耦合EOM的设计和架构。虽然宽带“体”铌酸锂电光调制器（EOM）已被证明高达110 GHz，但“薄膜铌酸锂”（TFLN）的建议已导致EOM的工作带宽远超过300 GHz。此外，石英材料上的TFLN是一种新的材料平台，特别适合RF光子集成。
因此，该团队提出了直接耦合到石英材料平台TFLN上的电光相位调制器的UWB天线的芯片级单片集成，用于从27 GHz到200 GHz的高效直接mmW到光学转换。研究人员还在整个相互作用区域使用了折射率匹配的行波电极，从而提高了器件的调制效率。而且，由于天线直接耦合到EOM，接收到的信号可以从天线辐射方向图内的任何方向入射，因此不需要特定的角度进行相位匹配，从而使其在广泛的实际应用中非常有用。此外，集成设备能够通过光纤将光子接收器模块与后端处理器远程连接，后端处理器可以放置光电探测器（PD）和射频调制解调器。
图1为片上单片集成射频光子接收器示意图。图1a显示了该设备的总体示意图，左边缘为输入和输出光波导，EOM相互作用区域包括中间光波导两侧的分段RF电极，然后是从EOM到天线的RF过渡，包括波导过渡和巴伦，最后是右边缘的UWB天线。
图 1 TFLN上的超宽带天线耦合光子接收机。b脊蚀刻TFLN波导内的模拟光学模式。c制造装置的显微镜图像，显示了分段电极和T之间5-μm间隙中的脊蚀刻波导。d带有短截线的平衡-不平衡转换器的显微镜图像、信号电极宽度过渡和分段电极的过渡。e具有石英（Qz）、二氧化硅（SiO2）、铌酸锂（LN）和金（Au）的器件的横截面图。
为了实现从27 GHz到200 GHz的UWB天线工作，研究人员设计了一种双椭圆锥形缝隙天线，该天线使用两个椭圆弯曲的曲率作为内辐射器，两个椭圆形状作为外辐射器。所提出的天线提供了一种在天线平面内极化E场的操作。这意味着辐射波的电场在一个平面内振荡，与天线槽的方向对齐。同样，当用作接收器时，天线仅有效地捕获该平面中入射E场的分量，然后将其转换为模块上的共面波导模式。天线结构和尺寸如图2a所示，电场约束的仿真如图2b所示。在天线底部，信号被限制在6μm的间隙中，并由共面带状线引导。模拟所示，这个小的电极间隙会在间隙上产生一个强电场。图2d描绘了天线在10 MHz–110 GHz和140–200 GHz两个频段上的测量回波损耗及其在10 MHz至200 GHz范围内的模拟结果。可以看出，在整个频率范围内，测量和模拟回波损耗之间的差异在可接受的范围内。此外，在25 GHz以上，测量和模拟结果均低于-10 dB，这意味着只有不到10%的RF信号功率被反射回来，而90%以上的功率通过天线辐射出去。
图2 UWB天线。用于超宽带操作的双椭圆锥形缝隙天线的设计。b天线上的电场（E）曲线以伏特/米（V/m）为单位，显示了朝向间隙的能量限制。c 28 GHz（蓝线）、40 GHz（红线）和200 GHz（黄线）的模拟天线增益。d天线在10 MHz至110 GHz（蓝色）和140 GHz至200 GHz（红色）的测量回波损耗，以及10 MHz至200 GHz的模拟结果（黄色）。
团队成员设计了一种共面带状线到共面波导平衡-不平衡转换器，带有槽线径向结构（图3a），用于在馈送天线的平衡共面带状线和将信号驱动到EOM电极的不平衡共面波导之间进行转换。这种特殊的过渡使用宽带槽线径向短截线来终止共面波导的一个接地电极，并且具有紧凑的设计，可以在单个组件中集成多种功能。这种平衡-不平衡转换器的典型插入损耗约为1dB。如封装的平衡-不平衡转换器表现如图3所示的仿真，则接收到的RF信号可以直接馈送到EO调制器，而无需额外的反射。图3b显示了所制造器件的该区域的详细显微镜图像。图3c显示了两个侧面的模拟阻抗。
图3 平衡和过渡到分段电极。a宽带槽线短截线型平衡-不平衡转换器的设计，在天线和调制器之间进行阻抗匹配。b所制造器件的细节，其中折叠波导从金下方进入相互作用区域。c来自向天线馈电的平衡侧（红色）和向调制器馈电的不平衡侧（蓝色）的模拟阻抗值。
对于EOM，使用折叠相位调制器设计，使用样品的同一面发射和接收激光。天线侧必须保持畅通，以便自由空间操作。波导在600nm TFLN上进行脊蚀刻，脊高度为300nm，侧壁角度为70°。为了实现单模操作，TFLN波导的脊宽被设计为1μm。该设计允许波导在TFLN层内具有89%的模约束。使用与所报告的器件一起在同一样品上制造的微环测试结构获得了测量的0.74-dB/cm损耗。为了减少波导上的金属吸收损失，研究人员添加了一层200 nm厚的二氧化硅（SiO2）。金电极沉积在SiO2的顶部。此外，为了在调制器的相互作用区域内执行RF和光学模式之间的折射率匹配，在石英上使用了分段电极。
研究人员还进行了一项EVM研究，比较了使用单片集成器件的光子链路和使用喇叭天线的标准RF链路。图4中突出显示了结果。同样，使用UWB天线耦合光子接收器的EVM比使用标准喇叭天线的直接RF到RF链路高出约2%。然而，光子链路配置可以通过光纤将光子接收器模块与PD和矢量信号分析仪远程连接，而不会限制其操作距离。此外，样本的EVM响应与带宽有关，这意味着对于更高的带宽，它趋于保持不变。
这项工作展示了利用石英材料平台上的TFLN的单片集成RF光子接收器的设计、制造和测试。这种芯片级的集成水平可以显著降低RF信号分布损耗，并显著提高电磁频谱mmW区域的无线通信性能。在不使用局部电源的情况下移除设备的能力可以支持分布式天线的开发，用于无蜂窝MIMO中新兴拓扑的集成传感和通信应用。集成天线的UWB性能利用了UWB TFLN电光调制器的最新发展。由于行波电极的Vπ较低，重叠率较高，该器件对直接微波到光转换是有效的，其在毫米波区域可实现高阶调制波形，数据速率高达2.7 Gbps，EVM接近3%。
太赫兹通信新时代降临！超宽带光子接收器突破为6G网络部署铺平道路
随着无线网络和移动通信对数据容量的需求不断增长，它们正朝着更高的载波频率和更宽的调制带宽发展。不幸的是，电子设备性能会随着频率和调制带宽的增加而降低，这阻碍了传统微波架构的应用。虽然微波光子系统可以通过提供具有极高工作带宽的设备和系统性能来应对这些挑战。但是能否将电子和光子器件单片集成到功能组件中，以提供毫米波和太赫兹区域的超宽带性能是一个巨大挑战。近日，以美国特拉华大学为第一单位的研究团队近日集成微波光子学研究取得重大突破，相关成果以“Monolithically integrated ultra-wideband photonic receiver on thin film lithium niobate”为题发表于《Communications Engineering》上。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s44172-025-00393-7
随着无线网络和移动通信领域已成为人类体验几乎所有方面的重要组成部分，需要在技术和拓扑层面取得进展，以维持和扩大其影响。因此，新兴的无线生态系统以及新的网络拓扑正在解决对增加数据容量的不断需求，同时确保以极低的延迟实现普遍接入。应对这些挑战的一个共同主题是使用更高密度的基站、使用分布式天线系统以及联合通信和传感网络的出现。然而，这些发展的共同点是使用电磁波谱的更高区域，更具体地说是毫米波（mmW）和太赫兹（THz）区域，在这些区域，操作可以利用大量的可用带宽（BW）。但与此同时，也带来了许多新的技术挑战，例如简单电缆/波导的高损耗、更高的自由空间路径损耗（FSPL）、设备级性能下降、对结构的渗透性差以及站点线和非站点线之间的严重不平衡。
为了应对其中一些挑战，该团队提出了一种单片集成光子射频（RF）前端的开发，该前端专门设计用于在电磁频谱的毫米波和太赫兹区域运行。然而，在组件的组装中，仍然可能遭受接口和设备损失，这就是推动单片集成需求的原因。在该文章中，研究人员通过将天线和光子器件单片结合，提出了组件级集成的挑战。
在同一电光调制器（EOM）设备上集成天线和电极的概念起源于20世纪90年代，当时提出了许多天线耦合EOM的设计和架构。虽然宽带“体”铌酸锂电光调制器（EOM）已被证明高达110 GHz，但“薄膜铌酸锂”（TFLN）的建议已导致EOM的工作带宽远超过300 GHz。此外，石英材料上的TFLN是一种新的材料平台，特别适合RF光子集成。
因此，该团队提出了直接耦合到石英材料平台TFLN上的电光相位调制器的UWB天线的芯片级单片集成，用于从27 GHz到200 GHz的高效直接mmW到光学转换。研究人员还在整个相互作用区域使用了折射率匹配的行波电极，从而提高了器件的调制效率。而且，由于天线直接耦合到EOM，接收到的信号可以从天线辐射方向图内的任何方向入射，因此不需要特定的角度进行相位匹配，从而使其在广泛的实际应用中非常有用。此外，集成设备能够通过光纤将光子接收器模块与后端处理器远程连接，后端处理器可以放置光电探测器（PD）和射频调制解调器。
图1为片上单片集成射频光子接收器示意图。图1a显示了该设备的总体示意图，左边缘为输入和输出光波导，EOM相互作用区域包括中间光波导两侧的分段RF电极，然后是从EOM到天线的RF过渡，包括波导过渡和巴伦，最后是右边缘的UWB天线。
图 1 TFLN上的超宽带天线耦合光子接收机。b脊蚀刻TFLN波导内的模拟光学模式。c制造装置的显微镜图像，显示了分段电极和T之间5-μm间隙中的脊蚀刻波导。d带有短截线的平衡-不平衡转换器的显微镜图像、信号电极宽度过渡和分段电极的过渡。e具有石英（Qz）、二氧化硅（SiO2）、铌酸锂（LN）和金（Au）的器件的横截面图。
为了实现从27 GHz到200 GHz的UWB天线工作，研究人员设计了一种双椭圆锥形缝隙天线，该天线使用两个椭圆弯曲的曲率作为内辐射器，两个椭圆形状作为外辐射器。所提出的天线提供了一种在天线平面内极化E场的操作。这意味着辐射波的电场在一个平面内振荡，与天线槽的方向对齐。同样，当用作接收器时，天线仅有效地捕获该平面中入射E场的分量，然后将其转换为模块上的共面波导模式。天线结构和尺寸如图2a所示，电场约束的仿真如图2b所示。在天线底部，信号被限制在6μm的间隙中，并由共面带状线引导。模拟所示，这个小的电极间隙会在间隙上产生一个强电场。图2d描绘了天线在10 MHz–110 GHz和140–200 GHz两个频段上的测量回波损耗及其在10 MHz至200 GHz范围内的模拟结果。可以看出，在整个频率范围内，测量和模拟回波损耗之间的差异在可接受的范围内。此外，在25 GHz以上，测量和模拟结果均低于-10 dB，这意味着只有不到10%的RF信号功率被反射回来，而90%以上的功率通过天线辐射出去。
图2 UWB天线。用于超宽带操作的双椭圆锥形缝隙天线的设计。b天线上的电场（E）曲线以伏特/米（V/m）为单位，显示了朝向间隙的能量限制。c 28 GHz（蓝线）、40 GHz（红线）和200 GHz（黄线）的模拟天线增益。d天线在10 MHz至110 GHz（蓝色）和140 GHz至200 GHz（红色）的测量回波损耗，以及10 MHz至200 GHz的模拟结果（黄色）。
团队成员设计了一种共面带状线到共面波导平衡-不平衡转换器，带有槽线径向结构（图3a），用于在馈送天线的平衡共面带状线和将信号驱动到EOM电极的不平衡共面波导之间进行转换。这种特殊的过渡使用宽带槽线径向短截线来终止共面波导的一个接地电极，并且具有紧凑的设计，可以在单个组件中集成多种功能。这种平衡-不平衡转换器的典型插入损耗约为1dB。如封装的平衡-不平衡转换器表现如图3所示的仿真，则接收到的RF信号可以直接馈送到EO调制器，而无需额外的反射。图3b显示了所制造器件的该区域的详细显微镜图像。图3c显示了两个侧面的模拟阻抗。
图3 平衡和过渡到分段电极。a宽带槽线短截线型平衡-不平衡转换器的设计，在天线和调制器之间进行阻抗匹配。b所制造器件的细节，其中折叠波导从金下方进入相互作用区域。c来自向天线馈电的平衡侧（红色）和向调制器馈电的不平衡侧（蓝色）的模拟阻抗值。
对于EOM，使用折叠相位调制器设计，使用样品的同一面发射和接收激光。天线侧必须保持畅通，以便自由空间操作。波导在600nm TFLN上进行脊蚀刻，脊高度为300nm，侧壁角度为70°。为了实现单模操作，TFLN波导的脊宽被设计为1μm。该设计允许波导在TFLN层内具有89%的模约束。使用与所报告的器件一起在同一样品上制造的微环测试结构获得了测量的0.74-dB/cm损耗。为了减少波导上的金属吸收损失，研究人员添加了一层200 nm厚的二氧化硅（SiO2）。金电极沉积在SiO2的顶部。此外，为了在调制器的相互作用区域内执行RF和光学模式之间的折射率匹配，在石英上使用了分段电极。
研究人员还进行了一项EVM研究，比较了使用单片集成器件的光子链路和使用喇叭天线的标准RF链路。图4中突出显示了结果。同样，使用UWB天线耦合光子接收器的EVM比使用标准喇叭天线的直接RF到RF链路高出约2%。然而，光子链路配置可以通过光纤将光子接收器模块与PD和矢量信号分析仪远程连接，而不会限制其操作距离。此外，样本的EVM响应与带宽有关，这意味着对于更高的带宽，它趋于保持不变。
这项工作展示了利用石英材料平台上的TFLN的单片集成RF光子接收器的设计、制造和测试。这种芯片级的集成水平可以显著降低RF信号分布损耗，并显著提高电磁频谱mmW区域的无线通信性能。在不使用局部电源的情况下移除设备的能力可以支持分布式天线的开发，用于无蜂窝MIMO中新兴拓扑的集成传感和通信应用。集成天线的UWB性能利用了UWB TFLN电光调制器的最新发展。由于行波电极的Vπ较低，重叠率较高，该器件对直接微波到光转换是有效的，其在毫米波区域可实现高阶调制波形，数据速率高达2.7 Gbps，EVM接近3%。