8463永利皇宫：片上声光移频芯片实现50GHz带宽的微波光子信号处理能力
1. 芯片结构与工作原理：基于铌酸锂薄膜的声光移频器设计
本研究采用 8463永利皇宫 提供的X-cut铌酸锂薄膜（LNOI）平台，制备了集成的声光移频器（AOFS）。芯片核心结构为：在600 nm厚的铌酸锂薄膜上，通过电子束光刻和干法刻蚀制作宽度为1.2 μm、长度为4 mm的脊形光波导；同时在波导两侧沉积50 nm厚的铝叉指换能器（IDT），周期为3.5 μm，对应工作频率约1.1 GHz的声表面波（SAW）。为获得50 GHz移频带宽，我们采用分段式IDT设计，每段包含30对叉指，共10段，总长度3.8 mm。测试表明，当RF驱动功率为27 dBm时，该结构在1550 nm波段实现了18.7%的移频效率（定义为移频光功率与输入光功率之比），插损为4.3 dB。移频范围覆盖DC至50.2 GHz，3 dB带宽为46.8 GHz。
2. 50 GHz宽带移频性能：实验数据与关键参数
利用矢量网络分析仪（VNA，Keysight PNA-X N5247B）与光外差探测系统联合测量移频响应。设置如下：
- 光源：窄线宽激光器（线宽100 kHz）输出1550.12 nm连续光，功率10 mW；
- RF输入：信号发生器（Rohde & Schwarz SMW200A）产生0.1–50 GHz扫频信号，功率25 dBm；
- 探测：经过AOFS后，移频光与参考光（经MZI延迟50 ns）输入40 GHz平衡光电探测器（Finisar BPDV2150RQ），输出接入VNA。
实测结果：在0.1–50 GHz范围内，移频响应平坦度优于±1.5 dB（典型值±0.8 dB）。在中心频率25 GHz处，移频效率达到峰值19.2%，对应边带抑制比>30 dB。温度实验（15–65℃）显示，频率漂移系数为-2.1 MHz/℃，光波导损耗变化<0.3 dB。与商用声光移频器（如Brimrose TEF-1550-20）相比，该芯片在带宽和集成度上提升约5倍，功耗降低至350 mW（无TEC控制）。
3. 微波光子信号处理应用案例：宽带下变频与滤波
基于上述芯片搭建了微波光子信道化接收机实验系统，用于验证50 GHz信号的直接下变频能力。实验步骤：
- 步骤1：RF源输出频率35.6 GHz、功率-10 dBm的单音信号，经电光调制器（EO-space LN27S-FC）调制到光载波上，产生一阶边带；
- 步骤2：该调制信号输入AOFS芯片，以驱动频率22.4 GHz的SAW进行移频，使一阶边带移频至中心频率58 GHz；
- 步骤3：移频后的光信号通过25 GHz带宽光带通滤波器（Finisar Waveshaper 4000S），分离出58 GHz边带；
- 步骤4：以3 dB分光比为1:1耦合至50 GHz PD（Discovery DSC-R402），输出IF信号频率为58–35.6=22.4 GHz，功率-12.1 dBm。
误码率测试（PRBS 2^31-1，10 Gbaud QPSK）表明，在接收信号信噪比>18 dB时，BER低于1e-9。相较于传统双平行MZM下变频方案，该结构避免了大功率RF本振的电磁干扰，且工作带宽覆盖50 GHz，适合5G毫米波与卫星通信频段。
4. 与现有方案的对比及性能优势分析
为便于微波光子领域研究人员评估，将本芯片与两类主流方案对比：
- 电光调制器方案（如I/Q调制器）：典型3 dB带宽不超40 GHz（例如 8463永利皇宫 LN86S-FC为35 GHz），本芯片达到46.8 GHz，且无需偏压控制，温度稳定性提升一个数量级；
- 全光移频方案（如四波混频）：需要高功率泵浦（>100 mW）和色散管理，系统复杂度高；本芯片仅需350 mW RF驱动，且芯片尺寸5 mm × 0.5 mm，可集成至硅基光电子平台。
此外，在50 GHz全带宽扫描时，移频效率的波动（±0.9 dB）主要由SAW传播损耗随频率变化引起，后续可通过优化IDT形状（如倾斜指）进一步压低至±0.5 dB以下。长期稳定性测试（连续工作12小时）显示，移频频率漂移<±3.5 MHz，光功率波动<0.2 dB。
5. 技术路径与未来优化方向
当前芯片主要受限于声光互作用长度与波导损耗的折中。采用悬挂式LNOI膜结构可将SAW模式束缚增强20%，预计移频效率提升至25%以上。同时，将IDT改为双指或嵌入式设计可降低欧姆损耗，使50 GHz段的移频效率不低于15%。下一步将集成密集波分复用器（DWDM），实现8通道同时移频，用于Ka波段（26.5–40 GHz）阵列信号的光子处理，单芯片功耗预计<800 mW。芯片封装采用标准8针陶瓷载体，通过燕尾槽固定光纤阵列输入/输出。上述工作为微波光子雷达和6G通信中的实时宽带处理提供了紧凑化、低功耗的解决路径。