重大突破！单芯片微波光子技术革新通信与传感领域

在当今科技飞速发展的时代，通信网络和微波传感技术的进步对于推动社会发展至关重要。2025 年，根特大学 imec 的两个研究小组 —— 光子学研究组和 IDlab，以及世界领先的纳米电子和数字技术领域研究和创新中心imec，发布了完全集成的单芯片微波光子学系统的演示，该系统在单个硅芯片上结合了光学和微波信号处理。

该芯片集成了高速调制器、光学滤波器、光电探测器以及转印激光器，使其成为一种紧凑、独立且可编程的高频信号处理解决方案。这一突破性技术可以取代体积庞大且耗电的组件，从而实现更快的无线网络、低成本的微波传感，并在5G/6G、卫星通信和雷达系统等应用中实现可扩展部署。该系统在单个硅芯片上巧妙地结合了光学和微波信号处理，相关研究结果已发表在《自然通讯》杂志上。

现代通信网络高度依赖高速光纤链路和无线射频微波传输。然而，随着社会对更高数据速率和更高频率操作的需求持续增长，新系统面临着诸多挑战，如信号处理复杂性增加、高传输损耗以及耗电电子设备的问题。为了克服这些难题，新系统需要实现两种通信模式之间更紧密的集成。

图1：高速：封装的微波光子芯片，具有两个输入和两个输出

微波光子学利用光学技术处理高频信号，具有更低的损耗、更高的带宽和更高的能效，是一种颇具前景的解决方案。但大多数微波光子系统依赖庞大的光纤架构，限制了其可扩展性。而将微波光子集成到芯片上虽能实现更具可扩展性和更节能的系统，但早期实验演示要么缺乏关键功能，要么需外部元件才能实现全部性能。

此次，imec 和根特大学演示的硅光子引擎，可在单芯片上处理和转换光信号和微波信号。该新系统的关键创新在于可重构调制器和可编程光滤波器的全新组合，能够高效调制和滤波微波信号，同时显著减少信号损耗。这种组合提升了整体性能，使系统能以更大的灵活性和效率处理复杂信号处理任务。

图2：制造的微波光子芯片的显微镜图像

该芯片集成了高速调制器、光学滤波器、光电探测器以及转印激光器，是一种紧凑、独立且可编程的高频信号处理解决方案。它基于 imec 的标准 “iSiPP50G” 硅光子学平台构建，该平台包含低损耗波导、无源元件、高速调制器和探测器，以及用于调节光响应的热光移相器。为提供集成光源，研究人员利用微转印技术在芯片上集成了磷化铟（InP）光放大器，结合片上可调滤波器电路，该光放大器可作宽调谐激光器，进一步增强了系统的多功能性。

这一突破性技术可取代体积庞大且耗电的组件，实现更快的无线网络、低成本的微波传感，并在 5G/6G、卫星通信和雷达系统等应用中实现可扩展部署。根特大学和 imec 光子学研究组教授 Wim Bogaerts 表示：“将所有必要的微波光子学元件集成到单个芯片上，是朝着可扩展且节能的高频信号处理迈出的重要一步，为下一代无线网络和先进传感系统中更紧凑、更经济高效的解决方案铺平了道路。” 未来，单芯片微波光子学系统有望在通信和传感领域发挥重要作用，推动相关行业的进一步发展。