基于微波光子技术的构架和路线探讨 （六）
3.4 微波光子相控阵的研究技术路线
前已述及，从面向工程应用角度考虑，一个性能更强大和使微波光子技术更接近实际应用的技术手段应当是光电混合集成。通过集成，长光纤引起的环境因素相关的系统不稳定性被显著消除；平台载荷受限的压力得到显著缓解；同时，通过集成实现批量生产，才可显著降低光学器件的成本。
微波光子技术在相控阵中的工程应用研究，要以有源相控阵雷达的需求为牵引，以已有成熟的微波光子技术为切入点，紧跟国内外微波光子学的研究动态，立足现有的研发条件，联合业内优势单位，建立合作机制并牵引应用开发，通过循序渐进、轻重有序的投入，最终将其应用于军事电子装备中。图 4 示意了后续应开展的研究的路线图，就 3 个重点方面进行工程应用首先开展攻关：
图 4 基于微波光子技术的新型相控阵雷达技术研究及工程应用路线图
(1) 高集成光电收发模块。对于微波光子相控阵采用的光电子阵列芯片这种宽带电子器件，其内部芯片特征尺寸不断减小、通道数量不断增多、线性范围不断扩大，且其外部封装还需要承担一部分系统集成的工作，因此封装接口更加复杂。封装过程中因光电器件的工艺、材料、结构不同导致的组装工序繁多、工艺难度增大、阻抗模场失配以及热量损耗严重等问题，极大地限制了器件性能，使得高性能的高集成光电收发模块的设计及实现面临重大挑战。因此，需要研究模块化封装中阻抗严重失配和由尺寸差异引起的模场失配对 ROF 光电子芯片性能的影响；搭建小信号模型分析寄生参数对光电子芯片高频特性的影响规律；研究利用电设计、热管理和可靠性分析 3 维一体的软硬件协同设计方法，解决信号、电源完整性问题，降低封装热阻；研究系统封装中信号回路的电流分布及趋势对整体结构的功耗和温度分布的影响规律，实现宽频带光电收发模块的高效微波封装和系统封装。通过开展光电链路设计、器件封装、工艺集成等技术攻关，对现有的宽带 T/R 组件进行功能扩展，满足未来宽带、分布式射频光拉远的需求；
(2) 射频与数字同传。目前微波光子传输系统的研究工作更多针对的是频率信号的传输，虽然通过较高频率信号的周期和相位也可以精细地划分时间，不过很多实际的应用场合还是需要时间信号。所以对于微波光子相控阵应用来说，其传输系统应当考虑同时传输时钟定时以及频率信号。对于时钟定时信号来说，需要注意的是相控阵不同组件之间的定时切换信号的相对延时必须严格加以控制，也即数字光传输系统在设计时需要对延时控制和抖动抑制进行合理优化。同时，未来相控阵系统波形产生快，切换时间短，还要求定时信号的传输通道必须采用高速设计。对于射频传输来说，上行信号传输多为定功率传输，此时没有动态范围的要求，需要关注的重点与定时信号的数字光传输类似，一方面是微波光子链路需保持极低的相位噪声特性；另一方面需要严格降低信号传输过程中的相位变化量，特别地，对于稳相传输技术来说，需对射频相位的更大范围、更高速度调节以及更高精度的补偿展开持续攻关。下行信号的传输链路除稳相要求外，对灵敏度和动态范围均提出了很高的要求，如何设计传输链路能够兼顾系统复杂度、成本及链路性能指标是其最终走向工程化应用的关键。最后，开展基于波分复用的模拟、数字同传技术攻关，提高单纤信道容量，减少光纤传输通道也是微波光子相控阵传输系统设计必须考虑的问题；
(3) 集成的光延时网络。此部分涉及到的关键单元技术主要有：超低损耗、低非线性、高耐受光功率、强限制无源波导材料与工艺；低调制电压、高频线性调制特性、高耐受光功率电光调制材料与工艺；高量子效率、大带宽、高线性、高饱和功率光电探测芯片以及高增益有源材料及低噪声光源、高线性光放大芯片。目前，实现上述关键单元技术的主要材料包括有磷化铟、硅及氮化硅等。但需要注意的是，目前没有一种材料能够实现全部光延时网络的功能，也就是说不同材料的混合集成才是其唯一出路。对于工艺实现来说，需要攻关的不但包括基本的硅基波导工艺加工，还需要对一系列新的工艺展开攻关，诸如超低损耗氮化硅波导沉积工艺、深度刻蚀工艺；三五族半导体材料、铌酸锂材料的键合及器件加工工艺；器件层面的二次混合集成加工工艺以及整体光延时网络的最终混合集成和封装工艺等。立足现状，通过一系列的技术攻关，最终满足未来相控阵雷达大带宽、大阵列、大角度扫描的需求。
在前期研究基础上，突破光子 T/R 组件和集成光波束形成模块两项关键技术，后续系统性地进行光控天线阵面性能验证，并同步开展微波光子信号产生与处理、集成光电子技术研究，最终将相关技术应用于相控阵雷达系统。
4 趋势与展望
微波光子技术走过了近 30 年的发展历程，其在信号的产生、传输和处理等领域针对不同需求都有较为丰富的解决办法。然而，从当前技术的发展形势及未来电子信息系统需求的发展来看，开展微波光子技术在相控阵中的应用研究，特别是优先开展高性能微波光子链路、光子波束合成以及光电混合集成的核心微波光子元器件的研究，既是大势所趋，同时也迫在眉睫。
从技术的发展趋势来看，微波光子技术在相控阵雷达中的应用前景十分广阔，所产生的经济效益和军事价值也将不可估量。其工程化应用将开启探测感知技术发展史上新的一页，也有望为未来的相控阵雷达系统架构带来根本性的变革。结合本文提出的技术路线，不断取得技术突破，将逐步实现微波光子技术在相控阵雷达中的工程应用，从而为我国新体制、新功能的相控阵雷达的可持续发展做出积极贡献。
