近日，中心与北京大学集成电路学院、香港城市大学合作，在国际学术期刊 Optics Express 发表题为“Thin-film lithium niobate based microwave photonic filter with up to 110 GHz tuning range”的研究论文。研究团队在薄膜铌酸锂芯片上单片集成宽带相位调制器和高 Q 微环谐振器，实验实现了从近直流到 110 GHz 连续可调的微波光子带通滤波，同时将 3 dB 滤波带宽保持在 227–331 MHz，为毫米波及亚太赫兹频段的片上射频信号处理提供了新的实现方案。

微波光子滤波器将射频信号转换到光域进行处理，可突破传统电子滤波器在工作频率和带宽方面的限制。不过，现有集成方案往往难以同时兼顾宽频调谐、精细滤波和单片集成：硅光平台的电光调制带宽受到载流子效应限制，磷化铟平台的波导损耗会制约谐振器品质因数，而氮化硅平台缺少本征电光效应，通常需要外接调制器。薄膜铌酸锂兼具宽带电光调制能力和低损耗光波导，为在同一芯片上实现高速调制与窄带光学滤波提供了条件。

针对上述问题，研究团队采用相位调制到强度调制转换机制构建带通滤波器。射频信号首先驱动片上相位调制器，在光载波两侧产生幅度相同、相位相反的边带；高 Q 微环谐振器再选择性改变其中一个边带的幅度和相位，打破光电探测时原有的相消条件，从而在射频域恢复出窄带通响应。通过调节激光载波与微环谐振峰之间的频率偏移，滤波中心频率可以连续改变。

图 1  薄膜铌酸锂微波光子滤波器工作原理与芯片显微照片

芯片采用长度约 10 mm 的缝隙行波电极相位调制器，并集成自由光谱范围约 222 GHz 的全通型微环谐振器。微环的加载品质因数为 8.26×10⁵，本征品质因数达到 2.62×10⁶；相位调制器插入损耗约为 2.95 dB。微环上方集成的 NiCr 微加热器可调节谐振波长，配合激光波长控制，使系统覆盖从近直流到 V/E 波段的连续调谐范围。

实验表明，该滤波器的中心频率可从近直流连续调谐至 110 GHz，整个调谐范围内的 3 dB 带宽为 227–331 MHz，滤波链路插入损耗为 26.1–28.3 dB。研究团队还在 1、5、10、15 和 20 GHz 五个频点开展双音测试，测得无杂散动态范围为 74.4–83.74 dB·Hz²ᐟ³。为评估长期运行稳定性，团队将芯片温度保持在 23 ℃，分别在约 1、50 和 107 GHz 处连续监测 1 小时；在未采用主动光电闭环反馈的情况下，滤波带宽和中心频率保持稳定。

该工作展示了薄膜铌酸锂平台在宽带调制、低损耗谐振和射频光子处理方面的协同能力，可用于需要宽频覆盖与高频率选择性的毫米波通信、频谱处理和高分辨率雷达。论文同时指出，当前链路损耗主要来自尚未优化的光纤—芯片耦合，后续可通过低损耗边缘耦合和更精确的温度控制进一步提升链路性能与稳定性。

论文作者依次为张婧美、王皓玉、陶源盛、陶子涵、何燕冬、王兴军、王骋、冯寒珂和舒浩文。北京大学集成电路学院张婧美为第一作者，北京大学电子学院陶子涵、香港城市大学冯寒珂和北京大学电子学院舒浩文为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、教育部基础学科与交叉学科突破计划、香港研究资助局及粤港高校“1+1+1”联合资助计划等项目支持。

文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.593090