3.4 微波光子相控陣的研究技術路線
前已述及，從面向工程應用角度考慮，一個性能更強大和使微波光子技術更接近實際應用的技術手段應當是光電混合集成。通過集成，長光纖引起的環境因素相關的系統不穩定性被顯著消除；平臺載荷受限的壓力得到顯著緩解；同時，通過集成實現批量生產，才可顯著降低光學器件的成本。
微波光子技術在相控陣中的工程應用研究，要以有源相控陣雷達的需求為牽引，以已有成熟的微波光子技術為切入點，緊跟國內外微波光子學的研究動態，立足現有的研發條件，聯合業內優勢單位，建立合作機制并牽引應用開發，通過循序漸進、輕重有序的投入，最終將其應用于軍事電子裝備中。圖 4 示意了后續應開展的研究的路線圖，就 3 個重點方面進行工程應用首先開展攻關：
圖 4 基于微波光子技術的新型相控陣雷達技術研究及工程應用路線圖
(1) 高集成光電收發模塊。對于微波光子相控陣采用的光電子陣列芯片這種寬帶電子器件，其內部芯片特征尺寸不斷減小、通道數量不斷增多、線性范圍不斷擴大，且其外部封裝還需要承擔一部分系統集成的工作，因此封裝接口更加復雜。封裝過程中因光電器件的工藝、材料、結構不同導致的組裝工序繁多、工藝難度增大、阻抗模場失配以及熱量損耗嚴重等問題，極大地限制了器件性能，使得高性能的高集成光電收發模塊的設計及實現面臨重大挑戰。因此，需要研究模塊化封裝中阻抗嚴重失配和由尺寸差異引起的模場失配對 ROF 光電子芯片性能的影響；搭建小信號模型分析寄生參數對光電子芯片高頻特性的影響規律；研究利用電設計、熱管理和可靠性分析 3 維一體的軟硬件協同設計方法，解決信號、電源完整性問題，降低封裝熱阻；研究系統封裝中信號回路的電流分布及趨勢對整體結構的功耗和溫度分布的影響規律，實現寬頻帶光電收發模塊的高效微波封裝和系統封裝。通過開展光電鏈路設計、器件封裝、工藝集成等技術攻關，對現有的寬帶 T/R 組件進行功能擴展，滿足未來寬帶、分布式射頻光拉遠的需求；
(2) 射頻與數字同傳。目前微波光子傳輸系統的研究工作更多針對的是頻率信號的傳輸，雖然通過較高頻率信號的周期和相位也可以精細地劃分時間，不過很多實際的應用場合還是需要時間信號。所以對于微波光子相控陣應用來說，其傳輸系統應當考慮同時傳輸時鐘定時以及頻率信號。對于時鐘定時信號來說，需要注意的是相控陣不同組件之間的定時切換信號的相對延時必須嚴格加以控制，也即數字光傳輸系統在設計時需要對延時控制和抖動抑制進行合理優化。同時，未來相控陣系統波形產生快，切換時間短，還要求定時信號的傳輸通道必須采用高速設計。對于射頻傳輸來說，上行信號傳輸多為定功率傳輸，此時沒有動態范圍的要求，需要關注的重點與定時信號的數字光傳輸類似，一方面是微波光子鏈路需保持極低的相位噪聲特性；另一方面需要嚴格降低信號傳輸過程中的相位變化量，特別地，對于穩相傳輸技術來說，需對射頻相位的更大范圍、更高速度調節以及更高精度的補償展開持續攻關。下行信號的傳輸鏈路除穩相要求外，對靈敏度和動態范圍均提出了很高的要求，如何設計傳輸鏈路能夠兼顧系統復雜度、成本及鏈路性能指標是其最終走向工程化應用的關鍵。最后，開展基于波分復用的模擬、數字同傳技術攻關，提高單纖信道容量，減少光纖傳輸通道也是微波光子相控陣傳輸系統設計必須考慮的問題；
(3) 集成的光延時網絡。此部分涉及到的關鍵單元技術主要有：超低損耗、低非線性、高耐受光功率、強限制無源波導材料與工藝；低調制電壓、高頻線性調制特性、高耐受光功率電光調制材料與工藝；高量子效率、大帶寬、高線性、高飽和功率光電探測芯片以及高增益有源材料及低噪聲光源、高線性光放大芯片。目前，實現上述關鍵單元技術的主要材料包括有磷化銦、硅及氮化硅等。但需要注意的是，目前沒有一種材料能夠實現全部光延時網絡的功能，也就是說不同材料的混合集成才是其唯一出路。對于工藝實現來說，需要攻關的不但包括基本的硅基波導工藝加工，還需要對一系列新的工藝展開攻關，諸如超低損耗氮化硅波導沉積工藝、深度刻蝕工藝；三五族半導體材料、鈮酸鋰材料的鍵合及器件加工工藝；器件層面的二次混合集成加工工藝以及整體光延時網絡的最終混合集成和封裝工藝等。立足現狀，通過一系列的技術攻關，最終滿足未來相控陣雷達大帶寬、大陣列、大角度掃描的需求。
在前期研究基礎上，突破光子 T/R 組件和集成光波束形成模塊兩項關鍵技術，后續系統性地進行光控天線陣面性能驗證，并同步開展微波光子信號產生與處理、集成光電子技術研究，最終將相關技術應用于相控陣雷達系統。
4 趨勢與展望
微波光子技術走過了近 30 年的發展歷程，其在信號的產生、傳輸和處理等領域針對不同需求都有較為豐富的解決辦法。然而，從當前技術的發展形勢及未來電子信息系統需求的發展來看，開展微波光子技術在相控陣中的應用研究，特別是優先開展高性能微波光子鏈路、光子波束合成以及光電混合集成的核心微波光子元器件的研究，既是大勢所趨，同時也迫在眉睫。
從技術的發展趨勢來看，微波光子技術在相控陣雷達中的應用前景十分廣闊，所產生的經濟效益和軍事價值也將不可估量。其工程化應用將開啟探測感知技術發展史上新的一頁，也有望為未來的相控陣雷達系統架構帶來根本性的變革。結合本文提出的技術路線，不斷取得技術突破，將逐步實現微波光子技術在相控陣雷達中的工程應用，從而為我國新體制、新功能的相控陣雷達的可持續發展做出積極貢獻。