【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院夏豪杰教授團(tuán)隊(duì)與皇家墨爾本理工大學(xué)、蘭州大學(xué)合作，在光子集成芯片領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Breaking dense integration limits: inverse-designed lithium niobate multimode photonic circuits”為題發(fā)表于《Nature Communications》。儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院青年教師韓旭、博士研究生姜湖為論文共同第一作者，我校夏豪杰教授、蘭州大學(xué)田永輝教授和皇家墨爾本理工大學(xué)任光輝研究員為論文共同通訊作者。
 

　　鈮酸鋰晶體因其卓越的電光、聲光和光學(xué)非線性特性，被譽(yù)為光子學(xué)領(lǐng)域的“硅”材料。然而，薄膜鈮酸鋰光子集成芯片受限于材料的中等折射率、固有各向異性以及與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容的波導(dǎo)刻蝕技術(shù)，集成密度始終難以媲美成熟的硅基光子芯片，這一技術(shù)瓶頸嚴(yán)重制約了該材料在下一代高密度光子集成系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用。
 

　　針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)采用氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成方法，借助氮化硅材料低光學(xué)損耗、各向同性和成熟工藝優(yōu)勢(shì)，將光子學(xué)逆向設(shè)計(jì)理念成功引入薄膜鈮酸鋰器件研發(fā)。該方法通過智能算法在設(shè)定區(qū)域內(nèi)自由“搜尋”最優(yōu)結(jié)構(gòu)，從而打破傳統(tǒng)波導(dǎo)設(shè)計(jì)的物理直覺限制，實(shí)現(xiàn)微觀尺度上對(duì)光場(chǎng)的精準(zhǔn)操控。憑借這一強(qiáng)大工具，研究團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)并制備出一系列超緊湊、高性能的基礎(chǔ)光子器件：模式復(fù)用/解復(fù)用器尺寸僅為19×25 μm²，多模波導(dǎo)交叉尺寸低至15×15 μm²，多模波導(dǎo)彎曲半徑縮減至30 μm。這些器件尺寸均顯著超越了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的極限，有望將薄膜鈮酸鋰無源器件的面內(nèi)集成密度提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，并極大地優(yōu)化光路設(shè)計(jì)自由度。研究團(tuán)隊(duì)將這些“微納積木”高效組合，在一片僅0.06 mm2的微型芯片上集成了超過10個(gè)波導(dǎo)元件，構(gòu)建出復(fù)雜的多模光子電路并應(yīng)用于大容量數(shù)據(jù)通信演示，展現(xiàn)出高密度集成的巨大潛力。
 

逆向設(shè)計(jì)薄膜鈮酸鋰多模光子電路示意圖
 

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)級(jí)綜合性能，團(tuán)隊(duì)在同一芯片上集成了高速電光調(diào)制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該集成系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)多模信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，單個(gè)通道的數(shù)據(jù)調(diào)制速率高達(dá)120 Gbps。這充分證明了該技術(shù)方案不僅能實(shí)現(xiàn)器件高密度集成，還能保持鈮酸鋰材料本身的高速電光調(diào)制優(yōu)勢(shì)，標(biāo)志著薄膜鈮酸鋰光子集成技術(shù)向“更高密度、更小尺寸、更強(qiáng)功能”邁出了關(guān)鍵一步，為未來研制超大容量、超高速率的光通信與光計(jì)算芯片奠定了核心技術(shù)基礎(chǔ)。
 

芯片級(jí)高速電光調(diào)制及多模信號(hào)傳輸眼圖
 

　　近年來，研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)開展光子器件及其集成技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，目前已在Nature Communications, Laser & Photonics Reviews, Optica等頂級(jí)期刊上發(fā)表論文30余篇，多篇論文當(dāng)選期刊封面故事，研究成果得到中國(guó)科學(xué)報(bào)、科學(xué)網(wǎng)等學(xué)術(shù)媒體的詳細(xì)解讀，相關(guān)研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的支持。