西安光機所2024年在光子集成芯片領域取得系列進展

　　2024年，中國科學院西安光機所超快光科學與技術全國重點實驗室張文富研究員團隊在光子集成芯片領域取得系列進展。
 

　　在集成光學頻率梳方面，研制出獨立泵浦的“全同”集成微腔雙光學頻率梳，實現(xiàn)50通道HOM干涉。
 

　　在硅基光互連方面，研制出單端口(單纖)速率2Tbps的硅基微環(huán)調制光IO芯片，是目前OIO光互連單纖速率最高的報道。
 

　　在超表面芯片方面，提出了廣義的超表面偏振光學相位調控理論，拓展了偏振調控的理論邊界，研制出量子態(tài)層析偏振復用超表面芯片。
 

　　相關成果發(fā)表在Science Advances、Physical Review Letters、Nature Communications以及光通信頂會OFC等。
 

　　A 獨立產生的“全同”集成微腔雙光學頻率梳
 

　　近日，西安光機所超快光科學與技術全國重點實驗室張文富研究員、中國科學技術大學中國科學院量子信息重點實驗室郭光燦院士團隊陳巍研究員與國防科技大學量子信息與量子物理卓越中心楊俊教授三個團隊合作，在集成微腔光學頻率梳領域取得進展。團隊基于微波注入、光頻參考、熱微擾頻率調諧等技術，實現(xiàn)了兩套獨立泵浦的“全同”微腔孤子光學頻率梳，基于此，實驗驗證了滿足ITU頻率間隔標準(50GHz)的50通道梳齒對之間的高可見度Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉，證明了利用經典波分復用光通信的復用思路實現(xiàn)大規(guī)模并行量子通信的可行性。
 

　　相關研究成果以“Massively parallel Hong-Ou-Mandel interference based on independent soliton microcombs”為題發(fā)表在Science Advances期刊，并被編輯推薦為本期精選(featured)，如圖A1所示。西安光機所博士研究生黃龍、副研究員王偉強和中國科學技術大學副研究員王紡翔為論文的共同第一作者，西安光機所博士研究生王陽、唐林涵參與了主要實驗工作，張文富、陳巍和國防科技大學王國超為共同通訊作者，西安光機所趙衛(wèi)研究員對工作進行了悉心指導。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和科技創(chuàng)新2030重大項目等支持。
 

圖A1 Science advance 期刊本期精選
 

　　研究團隊提出利用集成微腔雙光頻梳解決非經典光子干涉對獨立產生的光子在頻率、時空模式、偏振態(tài)等方面的嚴格匹配問題，突破傳統(tǒng)原子躍遷頻率參考激光器在波長數(shù)量和波長間隔等方面的限制。為實現(xiàn)上述設想，團隊發(fā)展了集成微腔光頻梳長時間穩(wěn)定與頻率對準技術，實現(xiàn)了50通道 的“全同”梳齒對(光子對)的產生。
 

　　在集成微腔光頻梳長時間穩(wěn)定方面，主要涉及泵浦光頻和重復頻率鎖定。針對光頻鎖定，團隊通過調制轉移譜技術將泵浦激光頻率鎖定到銣原子躍遷頻率上，實現(xiàn)泵浦激光頻率穩(wěn)定性2個數(shù)量級的提升(如圖A2(a)所示)；針對重復頻率鎖定，采用高階邊帶微波注入鎖定技術，使重復頻率抖動從kHz量級降低到Hz量級(如圖A2(b)所示)。光頻與重復頻率全鎖定確保了腔內光場的恒定，保證了集成微腔光頻梳的長時間穩(wěn)定運行，如圖A2(c)所示，該全鎖定方案成功實現(xiàn)了耗散型光孤子在微腔中的持續(xù)穩(wěn)定存在超過120小時(受限于實驗時長)，相比于自由運轉的微腔光頻梳，梳齒頻率穩(wěn)定性提升約3個數(shù)量級。
 

圖A2 集成微腔光頻梳全鎖定
 

　　在獨立產生的雙集成微腔光頻梳頻率對準方面，主要涉及在鎖模的前提下實現(xiàn)頻率的精細調諧。由于微納加工過程中不可避免的材料和結構誤差，導致不同微環(huán)諧振腔之間的自由光譜范圍(FSR)和諧振頻率存在微小差異，致使異地獨立產生的微腔光頻梳間梳齒頻率存在頻差并隨模式階數(shù)正比積累，嚴重影響雙微腔光頻梳間光子的全同性。因此，在全鎖定微腔光頻梳梳齒頻率穩(wěn)定的基礎上，需要進一步通過物理手段實現(xiàn)孤子微梳的重復頻率調節(jié)，進而實現(xiàn)異地不同微腔產生的獨立微腔光頻梳的頻率對齊。實驗中，通過聲光移頻的輔助光熱平衡方案實現(xiàn)腔內熱效應管理，擴展了孤子臺階長度超過一個數(shù)量級，達到3GHz(如圖A3(a)所示)，有效保證了微擾下孤子鎖模的穩(wěn)定性；進而通過對泵浦功率、泵浦與輔助激光間的拍頻和微腔溫度三個物理量的微調控，實現(xiàn)超過100kHz頻率范圍的微腔光頻梳重復頻率的精細調諧，達到異地獨立產生的兩個微腔光頻梳多梳齒之間的頻率對準(如圖A3(b)所示)。
 

圖A3 兩套集成微腔光頻梳頻率的精細調諧與梳齒對準
 

　　最后，基于兩套獨立產生的頻率嚴格對準的全鎖定集成微腔光頻梳實現(xiàn)了50通道梳齒對之間的HOM干涉，平均干涉可見度超過46%(如圖A4(a)所示)證明了利用經典波分復用光通信的復用思路實現(xiàn)大規(guī)模并行量子通信的可行性(如圖A4(b)所示)，為基于集成光學構建更高效、可擴展的量子通信系統(tǒng)奠定了技術基礎。
 

圖A4 基于獨立產生的微腔光頻梳50通道HOM干涉
 

　　B 2Tbps硅基光互連芯片
 

　　西安光機所超快光科學與技術全國重點實驗室王斌浩研究員、張文富研究員團隊成功研制出國際首款單端口(單纖)速率為2Tbps的硅基OIO光互連芯片，岸線帶寬密度達4Tbps/mm，是目前OIO光互連單纖速率最高的報道，標志著互連能力上的大幅提升，為人工智能、高性能計算、數(shù)據中心等應用場景提供了國產化光互連解決方案。
 

　　該芯片融合高性能微環(huán)調制器、高增益雪崩光電探測器、光電協(xié)同設計與混合集成等技術，成功攻克高帶寬、低功耗、高可靠性等共性難題。相關成果報道于光通信頂會OFC等，其中2篇論文2024年發(fā)表于OFC和ECOC會議，2篇論文被2025年3月召開的OFC會議錄用。西安光機所博士研究生薛錦濤、程超、鮑慎雷參與了主要工作，特別研究助理任洋明博士、于志遠博士參與了項目推進，研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目支持。
 

圖B1 2Tbps(8λ×256Gbps)硅光微環(huán)發(fā)射芯片
 

　　在光發(fā)射端，研究團隊采用如圖B1所示的多通道硅光微環(huán)調制器作為核心器件，通過優(yōu)化更細分的梯度摻雜結構與橫向電場分布，解決了波導損耗、調制效率和電光帶寬之間的制衡矛盾，并由光電等效電路模型精準反映出微環(huán)調制器的非線性效應，顯著提升了其調制性能，最終實現(xiàn)了>67GHz電光帶寬與33pm/V的高調制效率(如圖B1(c、e)所示)?；谠摳咝阅苷{制器，團隊研制的波分復用光發(fā)射芯片單纖速率達2Tbps(8λ×256Gbps眼圖如圖B1(f)所示)，其岸線帶寬密度高達4Tbps/mm。為了應對微環(huán)調制器因工藝偏差和溫度波動導致的波長失諧問題，研究團隊創(chuàng)新性地引入了光電閉環(huán)反饋控制方案(如圖B2所示)。該系統(tǒng)通過檢測微環(huán)光電流，無需犧牲總線光功率即可實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行。通過實時監(jiān)測諧振波長并動態(tài)調節(jié)驅動電壓，在毫秒級響應下將波長穩(wěn)定性控制在±0.1nm以內，確保了光學調制幅度(OMA)變化范圍在1dB以內(如圖B2(g)所示)，有效克服了復雜環(huán)境下的光互連芯片部署障礙。
 

圖B2 多通道微環(huán)調制器光電閉環(huán)波長控制方案
 

　　在光接收端，團隊設計了偏振不敏感的光柵耦合器，結合低串擾解波分復用方案，有效抑制了多波長信號之間的串擾。同時，研制了高增益雪崩光電探測器(APD)，進一步顯著提升了接收機靈敏度。采用圖B3(a)所示的 APD作為接收機的關鍵器件，并通過橫向PIPN型摻雜的分離吸收-電荷-倍增(SACM)結構有效抑制暗電流，借助尾部布拉格光柵的反射，成功提升35%的響應度。進一步基于光電器件等效電路建模解析APD雪崩增益特性，優(yōu)化其探測性能，在-24dBm低光功率條件下，實現(xiàn)了7078GHz增益帶寬積的國際最高紀錄(如圖B3(c)所示)。最終成功驗證了單通道200Gbps信號的高效接收(如圖B3(i)所示)。
 

圖B3 高增益帶寬積雪崩光電探測器及其性能表征
 

　　在光互連芯片的研發(fā)過程中，研究團隊結合光電協(xié)同設計與混合集成技術，構建了一條從理論建模到芯片集成的完整技術鏈。開發(fā)了基于光電器件等效電路模型的協(xié)同設計方法，將硅基微環(huán)調制器、雪崩光電探測器等核心器件的光學響應(包括光子壽命、自熱效應、雪崩增益效應)轉化為等效電路參數(shù)，并與CMOS驅動電路、跨阻放大器的阻抗及寄生效應進行聯(lián)合仿真，從而實現(xiàn)高速光電信號完整性的全局優(yōu)化。通過迭代優(yōu)化器件結構與電路設計，不僅大幅提升了器件性能，還在光電芯片集成過程中實現(xiàn)了協(xié)同優(yōu)化，最終成功研制出高帶寬密度、低功耗的混合集成光互連芯片(如圖B4所示)，為人工智能算力的提升和擴展提供了有效技術支撐。
 

圖B4 混合集成硅基光互連芯片
 

　　C 廣義超表面偏振調控理論及量子態(tài)探測
 

　　超表面是由亞波長間隔的光學散射體組成的平面光學器件，能夠實現(xiàn)對光場偏振、振幅、相位和傳播模式的精確調控。相比傳統(tǒng)光學元件，具備輕薄和多功能集成等優(yōu)勢，為微型化光學系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了重要的解決方案。基于超表面的偏振調控及復用研究受到了廣泛關注，已被應用于偏振探測、顯微成像、量子態(tài)測量等領域。目前，超表面偏振調控理論主要集中在完全偏振轉化條件下，即假定入射光被超表面全部轉化成其正交復共軛態(tài)，這樣導致偏振復用通道數(shù)受限，且實際中未被偏振轉化的能量會被浪費掉。針對該問題，研究者最近提出了多原子耦合、多層耦合模型以實現(xiàn)更多通道的偏振復用，但是這些方法存在空間采樣率減小導致編碼信息的劣化，以及超表面層數(shù)增加導致調控效率降低等問題。另外，目前的超表面偏振調控方法也未能實現(xiàn)不同偏振通道間能量的任意分配。
 

　　西安光機所超快光科學與技術全國重點實驗室張文富研究員、王國璽研究員團隊與南京大學李濤教授團隊合作，提出了一種超表面偏振光學相位調控的廣義框架理論，可以實現(xiàn)多通道任意偏振態(tài)相位的獨立控制和不同通道間能量的任意分配，拓展了超表面在偏振光學中的應用范圍，為多功能超表面光子器件研制開辟了新途徑。相關研究成果以“Metasurface Polarization Optics: Phase Manipulation for Arbitrary Polarization Conversion Condition”為題發(fā)表在Physical Review Letters上。西安光機所李思奇副研究員和南京大學陳晨副研究員為論文的共同第一作者，張文富、李濤為共同通訊作者，該工作得到了趙衛(wèi)研究員的悉心指導。
 

　　團隊在揭示偏振光與介質納米柱作用過程中自旋軌道耦合機制的基礎上，引入新的偏振轉化因子項，構建了超表面廣義相位調控框架，可以實現(xiàn)多通道任意偏振態(tài)相位的獨立控制和不同通道間能量的任意分配?？蚣茉硎疽鈭D如圖C1所示，任一偏振態(tài)的光可以被超表面轉化成復共軛態(tài)和正交復共軛態(tài)兩部分，這兩部分光場的相位和能量可以進行獨立的控制。
 

圖C1 超表面廣義相位調控框架概念示意圖
 

　　基于上述框架理論，團隊首先對最一般的偏振態(tài)調控情形即橢偏態(tài)相位的獨立控制進行了驗證。根據提出的相位約束方程，設定每個通道的能量相當，在超表面的三個橢偏復用通道上編碼不同的全息圖，如圖C2所示?？梢钥闯霾煌瑱E偏通道可精準地加載不同的相位信息從而產生對應的強度分布。
 

圖C2 橢圓偏振態(tài)相位調控結果
 

　　團隊設計了一系列不同偏振轉化因子的超表面，不同偏振通道編碼信息對應同一個圓周上不同位置的聚焦點，通過偏振態(tài)的選擇可以將能量聚焦到不同位置，如圖C3所示。結果顯示隨著轉化因子的變化，不同通道的能量也相應發(fā)生改變。因此，通過改變偏振轉化因子實現(xiàn)了不同通道間能量的精確控制。綜上，該理論適用于任意偏振態(tài)相位的獨立控制和不同偏振通道間能量的任意分配。
 

圖C3 偏振復用通道間能量操控結果
 

　　此外，在該理論基礎上，團隊設計制作了可對量子態(tài)進行廣義測量的光學超表面，提出并實現(xiàn)了一種基于廣義測量的自學習量子態(tài)重構方法，有效降低了多光子糾纏度量的實驗復雜度、采樣復雜度和后處理復雜度。相關研究成果以“Efficient characterizations of multiphoton states with an ultra-thin optical device”為題發(fā)表在Nature Communications上。山東大學逯鶴教授和中國科學院西安光機所王國璽研究員為論文共同通訊作者。
 

　　團隊設計了可對量子態(tài)進行廣義測量的光學超表面，可以同時將光子偏振狀態(tài)展開到信息完備測量基矢上，并將六束光分解到不同的空間通道進行探測。利用此超表面的八面體廣義測量進行了陰影層析實驗，僅需要幾百毫秒就可以實現(xiàn)偏振態(tài)投影算符的期望值估計(如圖C4所示)。
 

圖C4 超表面偏振態(tài)層析結果
 

　　團隊還提出了一種自學習陰影層析技術(SLST)，結合同步擾動隨機逼近算法(SPSA)，用陰影層析對弗羅貝尼烏斯范數(shù)進行無偏估計并作為損失函數(shù)，再用SPSA對描述量子態(tài)的參數(shù)做全局優(yōu)化進行量子態(tài)重構。實驗結果表明，在同樣的采樣數(shù)目下，SLST以較小的經典迭代次數(shù)達到更高的精度，可以有效降低重構量子態(tài)所需要的樣本復雜度的后處理復雜度，并且具有抗噪聲的優(yōu)點(如圖C5所示)。
 

圖C5 不同算法下雙光子態(tài)保真度重建結果
 

　　上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院青促會等項目的支持。