基于薄膜铌酸锂的可编程多功能集成微波光子电路：突破高性能信号处理新范式

《Nature Communications》编辑推荐：针对传统射频滤波技术带宽窄、不可编程等瓶颈，荷兰特文特大学David Marpaung团队创新性地在薄膜铌酸锂（TFLN）平台上集成强度调制器与级联微环谐振器，实现了兼具80 dB超高抑制比、110 dB·Hz2/3无杂散动态范围（SFDR）和56 dB干扰抑制能力的多功能微波光子（MWP）滤波器。这项研究为下一代无线通信和雷达系统提供了芯片级高性能信号处理解决方案。

　　在无线通信和雷达系统飞速发展的今天，传统射频滤波技术正面临前所未有的挑战。随着6G时代的临近，通信系统对信号处理带宽、可重构性和功耗提出了更高要求。然而，现有基于分立器件的方案难以同时满足这些需求——商业铌酸锂调制器体积庞大，而硅基集成方案又受限于低电光转换效率。更棘手的是，当信号与干扰频率仅相距5 MHz时，现有技术几乎束手无策。这些瓶颈严重制约了微波光子技术在实际系统中的应用。

荷兰特文特大学和香港城市大学的研究团队另辟蹊径，将目光投向了兼具强电光效应和低损耗特性的薄膜铌酸锂（TFLN）平台。他们创新性地在单个芯片上集成了1 cm长槽型电极调制器（V_π=3.5 V@5 GHz）与四个马赫-曾德尔干涉仪（MZI）辅助的可编程微环，通过精确控制光学边带相位与幅度，实现了三项突破性功能：频率1.5-21.5 GHz可调的陷波滤波器、双频段滤波（60 dB抑制比），以及34 dB三阶交调失真（IMD3）抑制能力。这项里程碑式的研究发表于《Nature Communications》，为高性能集成微波光子系统树立了新标杆。

研究团队采用多项关键技术：1）基于等离子体刻蚀的250 nm薄膜铌酸锂波导制备工艺；2）多步光刻实现微波电极与热调相器的异质集成；3）通过光学载波整形实现IMD3抑制的创新方法；4）采用矢量网络分析仪（VNA）和射频信号分析仪（RFSA）进行系统级表征。

研究结果部分首先展示了"可调谐陷波滤波器"的卓越性能。通过将两个微环共振峰对称设置在光载波两侧（分别处于过耦合与欠耦合状态），实现了80 dB的创纪录抑制比，3 dB带宽达1.3 GHz。当调制器工作在零点时，系统可切换为双频模式，在f₁和f₂两处频率同时形成60 dB抑制深度的滤波窗口。

在"高动态范围线性化"实验中，研究人员利用第三个微环对光载波进行整形，使IMD3降低34 dB，将SFDR提升至110 dB·Hz^2/3。这种创新方法突破了传统系统受非线性失真限制的瓶颈，为高保真信号传输奠定了基础。

最令人印象深刻的是"大干扰信号抑制"功能。当23 dBm的干扰信号与-24 dBm的有用信号仅相隔5 MHz时，系统通过高阶边带处理实现了56 dB的干扰抑制，而有用信号几乎不受影响。这种"外科手术式"的滤波能力在雷达抗干扰等场景具有重要价值。

讨论部分通过对比表格凸显了本工作的突破性：相比硅基（Si/Si₃N₄）和受激布里渊散射（SBS）方案，TFLN平台首次在同一芯片上实现了高性能调制器与可编程滤波器的集成。尽管目前14 dB的耦合损耗限制了噪声系数（34.7 dB），但通过设计锥形波导结构和集成铒掺杂放大器（EDFA），性能仍有提升空间。

这项研究标志着集成微波光子学迈入新纪元。薄膜铌酸锂平台展现出的强大电光调控能力与多功能集成潜力，为未来太赫兹通信、电子战系统和认知雷达提供了全新的技术路径。正如作者所展望的，这种"光电融合"的设计理念或将重新定义下一代无线系统的架构标准。