Nature Comm. 报道 | 面向光-微波多域处理的可编程、单芯片硅光子信号处理引擎

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2025年6月1日，比利时根特大学–IMEC Wim Bogaerts 教授、邓弘团队联合IMEC-IDLab 与Nokia - III-V Lab 研究小组，在面向高频宽、低功耗、高集成度的下一代光电融合通信方向取得重要进展，设计并实现了一款全可编程、单芯片硅光子信号处理引擎。

该研究团队成功演示了模拟信号在“电-光-电”多域之间的灵活调制与转换，芯片集成激光器、调制器、滤波器与探测器等多个核心功能模块，具备高带宽、宽频率调谐范围等性能优势，在系统紧凑性与可配置性方面刷新了微波光子集成领域多项指标。这一重要研究成果发表于 Nature Communications 。

图1 （a）单芯片硅光子信号处理引擎原理框架图；（b）该芯片的显微镜图像；（c）封装后芯片实物图

本研究所提出的信号处理引擎由Luceda IPKISS 设计，基于 IMEC 的 iSiPP50G 硅光平台构建，采用高度集成的模块化设计架构，将可调谐 InP 激光器、可重构Mach-Zehnder调制器、可编程光滤波器、高速光电探测器及光开关网络等核心功能单元集成于一枚面积仅为 5 × 1.3 mm² 的芯片上。通过52个热调制相位器实现全链路调控，系统在光域、微波域实现多功能切换。该引擎采用双边带调制方案，相较于传统的单边带（SSB）调制，减少了至少3 dB的固有损耗，并简化了滤波器设计。芯片支持以下六种功能：

• 光学到光学（O/O）滤波： 芯片通过四环加载的MZI实现光学线性滤波，环形谐振器的耦合状态通过抽头监测器校准，展示了单通带、双通带及二阶 Chebyshev Type II 滤波器配置，带宽低至35 pm，通带平坦度为-0.5 dB，阻带抑制达30 dB。
• 电学到光学（E/O）转换：利用可调谐激光器和调制器将射频信号调制到光学载波上，支持强度或相位可调，消光比大于 20 dB，带宽可达 26 GHz（经片上滤波器均衡）。
• 光学到电学（O/E）转换：通过两个片上光电探测器将光学信号转换回射频域，带宽可达25 GHz。
• 电学到电学（E/E）滤波：芯片作为模拟微波处理器，通过双边带调制和可调谐光学滤波器实现任意射频滤波（如单通带、双通带、低通、高通等），最窄带宽约 3 GHz，射频增益 -35 dB，噪声系数 53 dB。
• RF倍频器：通过偏置Mach-Zehnder调制器到其零点，实现射频频率倍增（如二倍频），第二谐波与线性响应的消光比达 40 dB。
• 光电振荡器（OEO）：结合外部光纤和射频放大器，芯片可作为可调谐OEO，生成 4-24 GHz的射频信号，相位噪声为 -114 dBc/Hz（100 kHz偏移），优于商用产品。
  

图2 光电振荡器响应的表征

该光子引擎是硅光子平台上首次实现所有关键组件一体化集成的示范，提供了光学和射频信号处理的全面功能。其双边带调制方案降低了损耗并简化了滤波器设计，优于传统单边带方案。芯片尺寸小、功耗低（最大约1112 mW），通过光学开关和监测器实现高灵活性和可编程性。尽管存在射频串扰（约60 dB）和光反射问题，系统通过片上调谐器展现了高稳定性和可重复性。相比其他集成微波光子系统，该引擎在功能多样性、带宽（34 GHz）和调谐范围（激光90 nm，OEO 24 GHz）等方面表现优异。
该硅光子引擎支持高频操作和光学-微波信号转换，为构建更高效、紧凑的高速无线和光纤通信网络奠定了基础，满足5G及未来6G系统的需求。其低成本和小型化设计使其成为雷达、遥感和成像等低成本微波传感应用的理想选择。