電光功能在單硅芯片上的無縫集成仍是研究熱點，這主要得益于其廣泛的潛在應用和硅基技術的顯著優勢。為實現這一目標，比利時根特大學和 imec（全球領先的研究與創新中心）的研究團隊聯合展示了一款全集成微波光子系統 —— 它在單硅芯片上實現了模擬光學與微波信號處理的結合。

這款硅光子引擎芯片集成了高速調制器、光學濾波器、光電探測器以及轉移印刷激光器，成為高頻信號處理的緊湊、獨立且可編程解決方案。該系統的核心創新是將可重構調制器與可編程光學濾波器相結合，既能高效調制和濾波微波信號，又能顯著降低信號損耗。

微波光子系統的柔性引擎

最終成品具備現場可編程陣列的特性，可作為柔性引擎構建不同的微波光子系統。內部信號流的完全可編程性，意味著該芯片可適配光學與微波輸入輸出信號的任意組合，如下圖，既能實現兩種域間信號轉換，也能對信號進行處理。

研究人員表示，這是首個全黑箱式微波 / 光子處理引擎的演示成果。

為實現光學與微波信號的靈活使用，他們在系統中與光纖對接的各個模塊之間設置了光開關。由此，用戶可在信號流的每個階段注入或提取光信號，甚至構建基于光纖的反饋環路。

配備光學連接和配套設備后，這款光子芯片可實現多種用途：既能承擔可調光源、光電探測器等簡單功能，也能作為高速發射器 / 接收器、可調光學 / 微波濾波器、頻率轉換器，或可調光電振蕩器（OEO）。

芯片的可編程性保證了其穩健的性能，以及整個芯片的控制和校準，都可以通過在芯片內戰略性布置的光學監視器，完全在電氣領域實現。

制造與重構細節

這款單芯片信號處理引擎的尺寸僅為 5×1.3 毫米（不含光柵耦合器陣列），可對光學和射頻（RF）信號提供完全可編程的濾波響應，并能生成和檢測電信號與光信號。它基于 imec 的標準硅光子平臺制造，該平臺包含低損耗波導和無源元件、高速調制器和探測器，以及用于調諧光學響應的熱光移相器。

為集成光源，研究人員利用根特大學開發的微轉移印刷技術，在芯片上集成了磷化銦（InP）光放大器，并通過該技術將兩個可調激光器整合到光子引擎中。

這些可調激光器的波長范圍為 1507 至 1575 納米，最大輸出功率為 - 3 dBm（在輸出光纖處測量），本征線寬為 45 千赫茲。結合片上可調濾波器電路，該光放大器可作為寬調諧激光器使用，進一步提升了系統的多功能性。

如硅光子芯片及其對應的框圖所示，信號流水線從可調諧激光器經過調制器（射頻信號進入處），經過濾波器組，再到光電探測器，再到射頻輸出鍵墊。

芯片上的所有元件都可以通過片上的熱光學相位移器實現完全可調。為了實現光和微波信號的任意使用，他們引入了系統中各個模塊之間的光學開關，這些開關與光纖接口。因此，用戶可以在流動的每個階段注入或提取光，甚至創建基于光纖的反饋回路。

為了測試該設備并評估其性能，他們測量了最高至26 GHz的多種配置性能，包括：

• 光學線性濾波器

• 電光（E/O）濾波器

• 光電（O/E）濾波器

• 電 - 電（E/E）濾波器

• 射頻倍頻器與二倍頻器

• 射頻信號生成

• 光電振蕩器

• 基于雙邊帶調制的微波光子濾波

他們在 Nature Communications 發表的論文 “Single-chip silicon photonic engine for analog optical and microwave signals processing“中詳細且易讀，內容涵蓋了原理、制造、設計、測試及結果的見解，并附有頻率倍增圖。論文也坦誠指出了不可避免的不足。

例如，研究人員提到，光子引擎的射頻封裝串擾相對較高，約為 - 60 dB；光路反射導致的光學串擾也是潛在問題，但系統的可調性使其能夠補償大部分此類干擾。此外，論文還討論了功耗、熱學考量、熱串擾、封裝等項目相關的多個方面。