高集成度双模态微波光子频率测量系统

供稿人|董建绩

精准探测和识别微波信号的频率在无线通信、雷达、电子对抗等众多军事和民用应用中至关重要。光子辅助微波频率测量技术具有大带宽、低功耗、抗电磁干扰等优势，因此得到了广泛的关注。现有的光学微波频率测量方案按原理主要分为频率-功率映射方案和频率-时间映射方案，分别可以实现对单一频率的瞬时测量或对多频信号的统计学探测，然而在实际应用中，能否同时识别多频信号并捕获频率的瞬时变化，仍是一个亟待解决的难题。此外，实际应用还要求系统的稳定性和紧凑性。

近日，来自华中科技大学的张新亮教授和董建绩教授团队提出了一种基于双模态系统实现微波频率测量的新方案，在绝缘体上硅（SOI）实现片上系统的高度集成，实验成功演示了对多种微波信号的识别和瞬时测量能力，相关工作以“Highly integrated dual-modality microwave frequency identification system”为题，于7月19日在线发表在《Laser & Photonics Reviews》。

图1.双模态微波频率测量芯片

为了解决上述问题，如图1所示，本研究提出的新型频率测量系统具有两种模态，模态1工作在频率—时间映射模式，可以识别不同类型的微波信号，包括单频、多频、线性调频和跳频信号，模态2工作在频率—功率映射模式，可以动态探测瞬时频率变化，为系统提供了迄今为止最全面、最强大的功能。同时，基于硅平台实现了整个系统的高度集成（包括调制器、扫频滤波器、信道滤波器、幅度比较函数和探测器等），我们的芯片集成了微波频率测量系统的关键部件，具有体积小（3.8 mm×2.2 mm）、重量轻（6g）、功耗低（3.52 W）的特点。该系统的成功演示对进一步开发通用的集成微波光子系统具有重要意义。

图2.模态一：啁啾信号和跳频信号测量结果

图3.模态二：啁啾信号和跳频信号测量结果

本工作基于双模态方案展现了系统同时具有多频信号和瞬时频率测量的能力，具备高集成度、高实时性、体积小、重量轻、多功能一体的优势，有望应用于多功能、小型化的微波光子系统中，并获得国家授权发明专利1项（ZL201911085935.3）。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和湖北光谷实验室创新科研项目的资助。华中科技大学的董建绩教授为论文的通讯作者，博士研究生姚雨含为论文的第一作者。微波频率测量是课题组一直专注的研究领域之一，近年来提出过基于半导体光放大器和基于硅基微环的多种解决方案，相关研究成果先后发表在Chinese Optics Letters 9, 051202 (2011) 、IEEE Photonics Journal 10, 5500807 (2018) 、Photonics Research 7, 172-181 (2019) 、Laser & Photonics Reviews 2200006 (2022).

论文信息

Y. Yao, Y. Zhao, Y. Wei, F. Zhou, D. Chen, Y. Zhang, X. Xiao, M. Li, J. Dong, S. Yu, and X. Zhang, "Highly Integrated Dual-Modality Microwave Frequency Identification System," Laser & Photonics Reviews 2200006 (2022).

论文链接：

https://doi.org/10.1002/lpor.202200006