集成光子技术引领未来之光
集成光子技术引领未来之光
集成光子技术作为未来光学系统发展的核心力量，正通过不断推进材料创新、异质集成和系统架构的突破，为高速通信、光传感、光神经网络和量子信息处理等领域提供前所未有的解决方案。
在过去的半个世纪里，受益于集成电路（Integrated Circuits, IC）的批量生产和芯片级集成能力，电子器件和系统深刻改变了我们的生活和工作方式。而光子集成电路（Photonic Integrated Circuits, PIC）通过在单一光子芯片上集成大量光学元件，有望在未来几十年内革新我们的计算、感知和通信方式，大幅提升未来光学系统的性能、成本效益和可扩展性。凭借光子的高速、大带宽和大规模并行处理能力，集成光子学在高通量和数据密集型应用中扮演着关键角色。在过去的几十年里，随着科研成果向商业应用的成功转化，集成光子学已经成为电信网络和数据中心高速通信的标准技术。展望未来，集成光子学的发展方向不仅包括开发更高速的通信网络，还需探索各种新材料平台及其异质集成技术，并进一步拓展新的巅峰性应用，如光传感、光神经网络和光量子信息处理等。
宾夕法尼亚大学冯亮教授、深圳国际量子研究院刘骏秋研究员和香港城市大学王骋教授共同组织了Advancing Integrated Photonics: From Device Innovation to System Integration专题，在此向广大读者介绍专题中的七篇关于新兴集成光子学在不同材料平台上的研究论文，涵盖了从设备创新到系统集成与封装的最新研究和技术进展。
图1 虚拟专题封面图
随着以大语言模型为代表的新一代人工智能技术的崛起，未来计算中心迫切需要更加紧凑、节能、快速的芯片间光互连解决方案。利用集成硅光子学的强大功能，美国加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）John E. Bowers教授团队展示了未来光互连解决方案的前景。他们采用量子点锁模激光器作为20通道光梳光源，结合300 mm硅光子加工平台及先进的光电子集成和封装技术，提出了一种新型超高速通信系统架构，有望实现1 Tbit/s的数据传输速率和每比特能耗小于皮焦耳（< pJ/bit）的高能效运行。
图2 300 mm硅光子晶片和单个光子集成电路图像（）
可编程性是未来集成光子学的重要发展方向，是实现可重构光子信息处理以应对数据密集型应用的基础。实现可编程性的关键在于设计、制造和集成各种光子调谐组件。在众多方法中，基于金属加热器的热光调谐器被广泛使用。中山大学余思远教授团队基于CMOS兼容的氮化硅平台展示了包括循环变换和任意酉矩阵在内的可重构六维线性变换，相较于传统方案实现了一个数量级的能效提升。
图3 六模光子处理器示意图及六模干涉仪显微镜图像）
值得注意的是，氮化硅平台还具有强大的光学非线性，有望通过非线性光学处理为集成光子学提供新的信息操控和分析自由度。沿着这一方向，英国南安普顿大学与意大利帕维亚大学的Valerio Vitali研究员等人合作开发了一种富硅的氮化硅平台，并展示了基于布拉格散射模间四波混频的波长转换。他们研究了在宽光谱范围内不同空间模式之间的相位匹配，实现了不同通信波段间（相距60 nm）的模式转换、复用和解复用。
图4 氮化硅平台布局示意图（）
异质集成技术通过在单片基底上集成基于不同材料平台的有源和无源器件，将不同材料的独特优势无缝融合，有望实现远超单纯硅材料的性能指标和丰富功能。比利时根特大学的Bart Kuyken教授团队展示了一种III-V族材料与氮化硅异质集成的锁模激光器，将半导体光放大器通过微转印（Micro-transfer Printing）技术集成到无源氮化硅腔上。通过对增益电压、可饱和吸收器电流和增益区域模式重叠的全面研究，这类异质集成电驱动激光器能够稳定地在锁模状态下运行，输出重复频率3 GHz的光脉冲，其光谱范围在通信频段内宽达23 nm。
图5 集成锁模激光器腔体示意图（）
针对此前微腔自注入锁定激光器依赖随机瑞利散射且难以控制的问题，北京大学王兴军教授团队提出了一种利用激光增益与外部高Q微腔之间的超快速相互作用实现可靠反射的实用方法。通过将一个Sagnac回路添加到外部微腔中，将反向传播模式强耦合在一起，从而在整个宽带内实现每个共振的稳定反射，对于未来应用场景具有很高的实用价值。
图6 含Sagnac回路的自注入激光器（）
另一方面，发展超越传统半导体的新材料平台始终是提升集成光子学各方面性能的关键主题。美国哈佛大学Marko Lončar教授团队开发了新一代薄膜铌酸锂纳米加工技术，实现了Q值达2900万、创造新纪录的微谐振器。薄膜铌酸锂平台具有独特的电光和非线性光学特性，是包括硅基在内的许多其他材料平台所不具备的。这项工作展示了1.3 dB/m的超低传输损耗，有望应用于微波光子学、量子计算和非线性光学等领域。
图7 具有光滑侧壁的薄膜铌酸锂微谐振器（）
最后，随着集成光子学扩展到越来越多各自具备独特优势的材料平台，如何高效地连接不同光子芯片也成为一个重要课题。玻璃波导是这种接口芯片的理想候选材料，因为它的波导几何形状可以灵活控制和渐变，从而在三维空间中对齐不同的平台。俄罗斯莫斯科国立大学的Ilya Kondratyev研究员等人基于飞秒激光直写的玻璃波导开发了一种可编程的八端口干涉仪，展示了在920–980 nm波长窗口内的容错操作能力，具有应用于量子和经典信息处理领域的潜力。
图8 以可编程八端口干涉仪为核心的实验装置图（）
集成光子技术作为未来光学系统发展的核心力量，正通过不断推进材料创新、异质集成和系统架构的突破，为高速通信、光传感、光神经网络和量子信息处理等领域提供前所未有的解决方案。展望未来，通过跨学科的协同创新和工业界与学术界的紧密合作，集成光子技术有望成为引领智能时代的重要引擎，照亮未来之光。
专题编辑简介
冯亮
美国宾夕法尼亚大学
冯亮，美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程系和电子与系统工程系教授、博导。分别于2002年和2005年获得南京大学物理学学士和硕士学位，2010年获得美国加州大学圣迭戈分校电子工程博士学位，其后在加州理工学院和加州大学伯克利分校进行博士后研究，目前就职于美国宾夕法尼亚大学。主要从事集成光电子学、量子光学物理及器件方面的研究。因其在非厄米和拓扑光子学方面的原创性贡献，冯亮教授于2018年当选美国光学学会会士，并荣获2020年意大利科学奖章、斯隆研究奖及2024年摩尔基金会实验物理学家奖等。
刘骏秋
深圳国际量子研究院
刘骏秋，深圳国际量子研究院研究员，合肥国家实验室研究员，美国物理学会Physical Review Applied 副主编。他2020年获瑞士洛桑联邦理工大学博士学位，博士论文被授予年度博士论文奖，以表彰他“在片上集成光频率梳技术上的突破性实验工作和卓越的成果”；2016年获德国埃尔朗根纽伦堡大学硕士学位并获最高毕业荣誉；2012年获中国科学技术大学学士学位。主要研究领域为集成光学、非线性光学、量子光学、微机电系统和微波光子学等。截至2024年，已发表文章超过80篇，研究成果三次入选美国光学学会Optica评选年度亮点工作（2024，2022，2021）。由他带领研发的技术已经成功孵化多家国内外初创公司。
王骋
香港城市大学
王骋，香港城市大学副教授，主要研究方向为集成铌酸锂光子器件和芯片的设计、微纳加工，及其在光通信、非线性光学、毫米波与微波光子学、量子光学方面的应用。在Nature、Nature Photonics、Advanced Materials 等国际期刊发表论文五十余篇，主持基金委优秀青年科学基金（港澳）、香港研究资助局等研究项目，并获裘槎基金会前瞻科研大奖、MIT Technology Review科技创新35人（中国区）等奖项。