簡介
本文為大家介紹麻省理工學院的Microphotonics Center (MphC)與PhotonDelta 在2024年三月底聯合發布的 Integrated Photonic System Roadmap-International (IPSR-I)當中的RF Photonics篇，射頻（RF）和光子是分別與無線和有線傳輸介質相關的兩種關鍵通信技術。光纖鏈路的損耗非常低，在 1500 nm 波長時約為 0.2 dB/km，而微波范圍（3-30 GHz）內的射頻無線鏈路的大氣衰減低于 0.1 dB/km。這些技術是當前移動網絡實現用戶移動性的基石。
為了滿足埃德霍姆定律所預測的移動數據傳輸速率的指數級增長，無線運營商正在探索毫米波（30-300 GHz）和太赫茲（0.3-3 THz）等更高的頻段。然而，由于要實現強大的信號源和高效的接收器，在太赫茲間隙生成和檢測信號一直是個難題。射頻光子技術采用光子技術生成、處理和控制 100 GHz 以上的射頻信號，被視為前景廣闊的解決方案。
無線標準的演變 歷代無線標準不斷改進數據速率、帶寬、延遲和可靠性等關鍵性能指標（表 1）。6G 的愿景要求接入更高的毫米波和 subTHz 頻段，以推動自動駕駛、擴展現實和大規模人工智能集成等創新的連接邊界。
表 1：各代無線技術的關鍵性能演進
太赫茲頻率的挑戰
訪問 100 GHz 以上的頻率面臨著被稱為 "太赫茲鴻溝 "的幾個障礙，包括：
缺乏強大的信號源
缺乏高效接收器 缺乏高頻互聯 缺乏高于 220 GHz 的測量系統
射頻光子學旨在通過光子學、電子學和射頻工程的混合集成來克服這些挑戰。然而，關鍵問題依然存在，如缺乏高頻互連和測試/測量設備。
射頻光子學構件 射頻光子學的主要模塊是利用光子學產生射頻載波的發射器和利用光子學下變頻調制射頻載波的接收器。其主要構件包括：
光信號發生器（激光器） 用于電光轉換的光調制器 光放大器 光信號處理 光電轉換器和射頻放大器
用于光電下變頻的光電導天線或光電二極管 光調制器 光信號處理
關鍵參數包括光信號發生器的功率、線寬和可調諧性，以及光電轉換器的帶寬、響應度和輸出功率。
太赫茲光信號發生器
基于光信號發生器的光子太赫茲系統有兩種類型：
光異頻法在帶寬、最大頻率和頻率調諧范圍方面具有優勢。它使用兩個波長分別為 λ1 和 λ2 的激光器，混合在高速光電混合器上，以 fbeat = c|λ1 - λ2|/(λ1λ2) 的頻率產生電信號。
與自由運行的激光器相比，集成半導體激光器可提高頻率穩定性。兩個 DFB 激光器的單片 InP 集成實現了小于 300 kHz 的線寬和小于 1 MHz 的射頻節拍（2.5-20 GHz）。DFB 激光器陣列將這種調諧擴展到 2 THz 以上。
進一步的穩定性可通過以下方式實現：
光電轉換器
光電轉換器主要有光電二極管和光電導體兩種。
光電二極管： 基于硅基 Ge 或 InP/InGaAs 的 PIN 光電二極管可實現大于 30 GHz 的帶寬和 1 A/W 的響應率，但需要在帶寬和最大射頻功率之間做出權衡。單程載波光電二極管（UTC-PD）克服了這一問題，可提供 240 GHz 的帶寬和 0.6 dBm 的輸出功率，但單片集成仍具有挑戰性。 光電導體： 太赫茲接收器采用垂直照射的光電導天線（PCA），可使用光子本地振蕩器將 W/D/THz 波段直接下變頻到基帶/IF。它們具有低噪聲（188 千兆赫時 NEP = 1.8 fW/Hz）和高動態范圍（4 太赫茲帶寬上 117 dB），但轉換增益和中頻帶寬有限。
平面天線和陣列
為了將半導體連接到自由空間，光電轉換器與平面天線（弓形天線、貼片天線、槽形天線）和透鏡集成在一起。天線陣列利用低損耗光學分配信號的能力，實現空間功率組合，從而提高增益和發射功率。
然而，由于光柵葉問題，介質透鏡不能用于陣列。介質桿波導天線（DRWA）是一種很有前途的解決方案，不過要在 240 GHz 的 10 公里鏈路上達到 50 dBi 的增益，需要非常大的陣列尺寸（1000-10000 個元件）（表 2）。以低于 100 μm 的間距組裝和封裝此類陣列是一項重大挑戰（表 3）。
表 2. 增益與陣列中介質棒波導天線元件數量的關系。
表 3. 單個天線元件的尺寸隨頻率的減小而減小。
測試、組裝和封裝挑戰
6G 射頻光子元件的測試、組裝和封裝面臨若干挑戰：
應對這些挑戰對于采用射頻光子技術的 6G 無線收發器很重要。
圖 3. 不同同軸和矩形波導連接器標準的頻率范圍
結論
射頻光子技術集成了尖端的光子和電子技術，以克服阻礙強大信號源和高效接收器的 “太赫茲鴻溝”。雖然已經取得了重大進展，但在組件集成、封裝和測試/測量能力方面仍存在關鍵瓶頸。繼續研究解決這些問題對于釋放 6G 及其他技術的全部潛力相當重要。
參考文獻
[1] G. Carpintero et al., "RF Photonics," in 2024 Integrated Photonic Systems Roadmap - International (IPSR-I), March 2024.
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