电光功能在单硅芯片上的无缝集成仍是研究热点，这主要得益于其广泛的潜在应用和硅基技术的显著优势。为实现这一目标，比利时根特大学和 imec（全球领先的研究与创新中心）的研究团队联合展示了一款全集成微波光子系统 —— 它在单硅芯片上实现了模拟光学与微波信号处理的结合。
这款硅光子引擎芯片集成了高速调制器、光学滤波器、光电探测器以及转移印刷激光器，成为高频信号处理的紧凑、独立且可编程解决方案。该系统的核心创新是将可重构调制器与可编程光学滤波器相结合，既能高效调制和滤波微波信号，又能显著降低信号损耗。
微波光子系统的柔性引擎
最终成品具备现场可编程阵列的特性，可作为柔性引擎构建不同的微波光子系统。内部信号流的完全可编程性，意味着该芯片可适配光学与微波输入输出信号的任意组合，如下图，既能实现两种域间信号转换，也能对信号进行处理。
研究人员表示，这是首个全黑箱式微波 / 光子处理引擎的演示成果。
为实现光学与微波信号的灵活使用，他们在系统中与光纤对接的各个模块之间设置了光开关。由此，用户可在信号流的每个阶段注入或提取光信号，甚至构建基于光纤的反馈环路。
配备光学连接和配套设备后，这款光子芯片可实现多种用途：既能承担可调光源、光电探测器等简单功能，也能作为高速发射器 / 接收器、可调光学 / 微波滤波器、频率转换器，或可调光电振荡器（OEO）。
芯片的可编程性保证了其稳健的性能，以及整个芯片的控制和校准，都可以通过在芯片内战略性布置的光学监视器，完全在电气领域实现。
制造与重构细节
这款单芯片信号处理引擎的尺寸仅为 5×1.3 毫米（不含光栅耦合器阵列），可对光学和射频（RF）信号提供完全可编程的滤波响应，并能生成和检测电信号与光信号。它基于 imec 的标准硅光子平台制造，该平台包含低损耗波导和无源元件、高速调制器和探测器，以及用于调谐光学响应的热光移相器。
为集成光源，研究人员利用根特大学开发的微转移印刷技术，在芯片上集成了磷化铟（InP）光放大器，并通过该技术将两个可调激光器整合到光子引擎中。
这些可调激光器的波长范围为 1507 至 1575 纳米，最大输出功率为 – 3 dBm（在输出光纤处测量），本征线宽为 45 千赫兹。结合片上可调滤波器电路，该光放大器可作为宽调谐激光器使用，进一步提升了系统的多功能性。
如硅光子芯片及其对应的框图所示，信号流水线从可调谐激光器经过调制器（射频信号进入处），经过滤波器组，再到光电探测器，再到射频输出键垫。
芯片上的所有元件都可以通过片上的热光学相位移器实现完全可调。为了实现光和微波信号的任意使用，他们引入了系统中各个模块之间的光学开关，这些开关与光纤接口。因此，用户可以在流动的每个阶段注入或提取光，甚至创建基于光纤的反馈回路。
为了测试该设备并评估其性能，他们测量了最高至26 GHz的多种配置性能，包括：
光学线性滤波器
电光（E/O）滤波器
光电（O/E）滤波器
电 – 电（E/E）滤波器
射频倍频器与二倍频器
射频信号生成
光电振荡器
基于双边带调制的微波光子滤波
他们在 Nature Communications 发表的论文 “Single-chip silicon photonic engine for analog optical and microwave signals processing“中详细且易读，内容涵盖了原理、制造、设计、测试及结果的见解，并附有频率倍增图。论文也坦诚指出了不可避免的不足。
例如，研究人员提到，光子引擎的射频封装串扰相对较高，约为 – 60 dB；光路反射导致的光学串扰也是潜在问题，但系统的可调性使其能够补偿大部分此类干扰。此外，论文还讨论了功耗、热学考量、热串扰、封装等项目相关的多个方面。
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