可重构的硅光子引擎芯片

在单硅芯片上无缝集成电光功能仍是当前研究热点，这主要因为硅基技术的诸多潜在应用和显著优势。为达成这一目标，由比利时根特大学和 imec研究人员组成的团队，成功演示了一款全集成微波光子系统。该系统在单硅芯片上实现了模拟光信号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型、独立式可编程解决方案。该新系统的核心创新在于可重构调制器与可编程光学滤波器的结合，既能高效实现微波信号的调制与滤波，又能显著降低信号损耗。

微波光子系统的灵活引擎

最终制成的器件具备现场可编程阵列的特性，可作为灵活引擎用于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，该芯片可适配光信号与微波信号输入输出的任意组合，既能实现两类信号的域间转换，也能对其进行处理。

研究人员表示，这是首个全黑盒式微 /光子处理引擎的演示成果。为实现光信号与微波信号的任意使用，他们在系统中各个与光纤接口的模块之间加入了光开关。由此，用户可在信号流的每个阶段注入或提取光，甚至能构建基于光纤的反馈环路。

配备光连接部件及辅助设备后，这款光子芯片可实现多种用途。它既能完成可调光源、光电探测器等简单功能，也可作为高速发射器或接收器、可调光学/微波滤波器、频率转换器，或是可调光电子振荡器（OEO）使用。

芯片的可编程性确保其稳定性能，而整个芯片的控制与校准可通过遍布芯片的光监测器，完全在电域内完成。

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），可对光信号和射频（RF）信号提供全可编程滤波响应，并能实现电信号与光信号的产生和探测。它基于 imec 的标准硅光子平台制造，该平台包含低损耗波导与无源器件、高速调制器与探测器，以及用于调节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。他们通过该技术将两个可调激光器集成到光子引擎中。

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 KHz。结合片上可调滤波电路，该光放大器可作为宽可调激光器使用，进一步提升了系统的通用性。

信号传输路径为：可调激光器→调制器（射频信号在此输入）→滤波器组→光电探测器→射频输出焊盘。

芯片上的所有元件均可通过片上热光移相器实现完全可调。为支持光信号与微波信号的任意使用，他们在系统中各个与光纤接口的模块之间引入了光开关，让用户能在信号流的每个阶段注入或提取光，甚至构建基于光纤的反馈环路。

为测试评估该器件的性能，研究人员在高达 26 GHz的频率下，对多种配置进行了性能测量，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

• 射频信号发生器

• 光电子振荡器

• 基于双边带调制的微波光子滤波

部分配置及结果如上图所示。至于该研究目前存在的局限性，研究人员指出，光子引擎的射频封装存在约 - 60 dB 的较高串扰。光路径中的反射可能导致光学串扰问题，但补充说明系统的可调性使其能够补偿大部分此类干扰。此外，在功耗、热学考量、热串扰、封装等多个项目相关方面也有所讨论。