单片硅光子引擎：实现光-微波混合信号处理的关键突破

研究人员针对现代通信网络中光-微波信号转换与处理的瓶颈问题，开发了一种基于硅光子技术的单片集成引擎。该芯片集成了可调谐激光器、电光调制器、光学滤波器和光电探测器等核心组件，通过微转移印刷技术实现异质集成，支持光域与微波域信号的双向处理与转换。研究展示了其在光/微波滤波、频率倍增和光电振荡器等应用中的卓越性能，为高速无线通信和低成本微波传感提供了紧凑、低功耗的解决方案，成果发表于《Nature Communications》。

　　

研究背景

现代通信网络正面临高速光纤与无线微波信号协同处理的巨大挑战。随着数据流量爆炸式增长，网络节点需要同时处理光信号和微波信号，并在两者之间高效转换。然而，传统微波光子(Microwave Photonics, MWP)系统依赖笨重的光纤设备和分立元件，存在成本高、功耗大、难以扩展等问题。尽管硅光子技术为集成化提供了可能，但此前的研究仅能实现部分功能，仍需依赖外部器件。如何将光-微波混合信号处理的所有关键组件集成到单一芯片上，成为学术界和产业界亟待突破的难题。

研究概述

比利时微电子研究中心(imec)与根特大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性成果。他们利用硅光子平台iSiPP50G，结合微转移印刷技术，成功研制出全球首款全功能单片集成光子引擎。该芯片实现了光域与微波域信号的可编程处理与转换，支持包括滤波、频率倍增和光电振荡等复杂功能，为下一代通信和传感系统提供了紧凑、低功耗的解决方案。

关键技术方法

研究团队采用以下核心技术：

1. 异质集成：通过微转移印刷将InP光学放大器与硅光子芯片集成，实现可调谐激光光源；
2. 可重构调制器：设计Mach-Zehnder调制器(MZM)与载流子耗尽型调制器的混合结构，支持强度/相位调制切换；
3. 环形谐振器阵列：构建四环可调光学滤波器，支持Chebyshev Type II等高阶滤波响应；
4. 片上监测系统：集成52个热光相位调节器和8个光电探测器(PD)，实现全电路校准。

研究结果

光-光(O/O)响应

通过环形谐振器加载的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，芯片实现了灵活的光学滤波功能。实验显示：

• 单通带滤波时，环形谐振器的3 dB带宽为35 pm（临界耦合状态）；
• 设置MZI相位差为π时，可形成Chebyshev Type II滤波器，通带波纹<0.5 dB，阻带抑制达30 dB；
• 四环级联将滚降带宽从226 pm优化至101 pm。

电-光(E/O)转换

可调谐激光器覆盖1508-1598 nm范围，输出功率达-3 dBm。通过重构调制器：

• 强度调制模式实现20 dB消光比；
• 结合滤波均衡，系统3 dB带宽从4.5 GHz提升至26 GHz。

光-电(O/E)转换

片上PD的3 dB带宽达25 GHz，但受限于封装串扰（-60 dB），需外接掺铒光纤放大器(EDFA)提升信噪比。

电-电(E/E)滤波

基于双边带调制方案（非传统单边带SSB），芯片实现了：

• 可调带通/带阻滤波（最小3 dB带宽3 GHz）；
• 系统增益-35 dB，噪声系数53 dB。

射频频率倍增

通过调制器偏置优化，二次谐波(2f)与基波(1f)信号比达40 dB（外接PD测试）。

光电振荡器(OEO)

结合光纤延迟线，系统生成3.3-11.6 GHz可调信号，相位噪声-84 dBc/Hz@100 kHz，优于商用射频源。

结论与意义

该研究首次在单一硅光子芯片上集成了光-微波信号处理的全套功能组件，突破了传统MWP系统的体积和性能限制。其创新性体现在：

1. 架构革新：通过可重构调制器和双环滤波设计，避免了单边带调制的固有损耗；
2. 工艺突破：微转移印刷实现InP/Si异质集成，解决了硅基光源缺失难题；
3. 应用扩展：支持从基础光收发器到复杂OEO的多种功能，适应无线通信、传感等场景。

尽管当前版本存在射频串扰和功耗问题（最大1.1 W），但通过集成跨阻放大器(TIA)和优化封装，性能仍有显著提升空间。这项成果标志着微波光子技术向芯片级系统迈出了关键一步，为6G通信和智能传感提供了颠覆性硬件平台。