2024年，中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張文富研究員團(tuán)隊(duì)在光子集成芯片領(lǐng)域取得系列進(jìn)展。
 

　　在集成光學(xué)頻率梳方面，研制出獨(dú)立泵浦的“全同”集成微腔雙光學(xué)頻率梳，實(shí)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(diào)制光IO芯片，是目前OIO光互連單纖速率最高的報(bào)道。
 

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

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

　　A 獨(dú)立產(chǎn)生的“全同”集成微腔雙光學(xué)頻率梳
 

　　近日，西安光機(jī)所超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張文富研究員、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭光燦院士團(tuán)隊(duì)陳巍研究員與國(guó)防科技大學(xué)量子信息與量子物理卓越中心楊俊教授三個(gè)團(tuán)隊(duì)合作，在集成微腔光學(xué)頻率梳領(lǐng)域取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)基于微波注入、光頻參考、熱微擾頻率調(diào)諧等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩套獨(dú)立泵浦的“全同”微腔孤子光學(xué)頻率梳，基于此，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了滿足ITU頻率間隔標(biāo)準(zhǔn)(50GHz)的50通道梳齒對(duì)之間的高可見度Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉，證明了利用經(jīng)典波分復(fù)用光通信的復(fù)用思路實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行量子通信的可行性。
 

　　相關(guān)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(jī)所博士研究生黃龍、副研究員王偉強(qiáng)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員王紡翔為論文的共同第一作者，西安光機(jī)所博士研究生王陽(yáng)、唐林涵參與了主要實(shí)驗(yàn)工作，張文富、陳巍和國(guó)防科技大學(xué)王國(guó)超為共同通訊作者，西安光機(jī)所趙衛(wèi)研究員對(duì)工作進(jìn)行了悉心指導(dǎo)。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目等支持。
 

圖A1 Science advance 期刊本期精選
 

　　研究團(tuán)隊(duì)提出利用集成微腔雙光頻梳解決非經(jīng)典光子干涉對(duì)獨(dú)立產(chǎn)生的光子在頻率、時(shí)空模式、偏振態(tài)等方面的嚴(yán)格匹配問(wèn)題，突破傳統(tǒng)原子躍遷頻率參考激光器在波長(zhǎng)數(shù)量和波長(zhǎng)間隔等方面的限制。為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了集成微腔光頻梳長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定與頻率對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了50通道 的“全同”梳齒對(duì)(光子對(duì))的產(chǎn)生。
 

　　在集成微腔光頻梳長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定方面，主要涉及泵浦光頻和重復(fù)頻率鎖定。針對(duì)光頻鎖定，團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)制轉(zhuǎn)移譜技術(shù)將泵浦激光頻率鎖定到銣原子躍遷頻率上，實(shí)現(xiàn)泵浦激光頻率穩(wěn)定性2個(gè)數(shù)量級(jí)的提升(如圖A2(a)所示)；針對(duì)重復(fù)頻率鎖定，采用高階邊帶微波注入鎖定技術(shù)，使重復(fù)頻率抖動(dòng)從kHz量級(jí)降低到Hz量級(jí)(如圖A2(b)所示)。光頻與重復(fù)頻率全鎖定確保了腔內(nèi)光場(chǎng)的恒定，保證了集成微腔光頻梳的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，如圖A2(c)所示，該全鎖定方案成功實(shí)現(xiàn)了耗散型光孤子在微腔中的持續(xù)穩(wěn)定存在超過(guò)120小時(shí)(受限于實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng))，相比于自由運(yùn)轉(zhuǎn)的微腔光頻梳，梳齒頻率穩(wěn)定性提升約3個(gè)數(shù)量級(jí)。
 

圖A2 集成微腔光頻梳全鎖定
 

　　在獨(dú)立產(chǎn)生的雙集成微腔光頻梳頻率對(duì)準(zhǔn)方面，主要涉及在鎖模的前提下實(shí)現(xiàn)頻率的精細(xì)調(diào)諧。由于微納加工過(guò)程中不可避免的材料和結(jié)構(gòu)誤差，導(dǎo)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(dú)立產(chǎn)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(yán)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(chǔ)上，需要進(jìn)一步通過(guò)物理手段實(shí)現(xiàn)孤子微梳的重復(fù)頻率調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)異地不同微腔產(chǎn)生的獨(dú)立微腔光頻梳的頻率對(duì)齊。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)聲光移頻的輔助光熱平衡方案實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)熱效應(yīng)管理，擴(kuò)展了孤子臺(tái)階長(zhǎng)度超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)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(jìn)而通過(guò)對(duì)泵浦功率、泵浦與輔助激光間的拍頻和微腔溫度三個(gè)物理量的微調(diào)控，實(shí)現(xiàn)超過(guò)100kHz頻率范圍的微腔光頻梳重復(fù)頻率的精細(xì)調(diào)諧，達(dá)到異地獨(dú)立產(chǎn)生的兩個(gè)微腔光頻梳多梳齒之間的頻率對(duì)準(zhǔn)(如圖A3(b)所示)。
 

圖A3 兩套集成微腔光頻梳頻率的精細(xì)調(diào)諧與梳齒對(duì)準(zhǔn)
 

　　最后，基于兩套獨(dú)立產(chǎn)生的頻率嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)的全鎖定集成微腔光頻梳實(shí)現(xiàn)了50通道梳齒對(duì)之間的HOM干涉，平均干涉可見度超過(guò)46%(如圖A4(a)所示)證明了利用經(jīng)典波分復(fù)用光通信的復(fù)用思路實(shí)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(xué)構(gòu)建更高效、可擴(kuò)展的量子通信系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
 

圖A4 基于獨(dú)立產(chǎn)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(jī)所超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王斌浩研究員、張文富研究員團(tuán)隊(duì)成功研制出國(guó)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(dá)4Tbps/mm，是目前OIO光互連單纖速率最高的報(bào)道，標(biāo)志著互連能力上的大幅提升，為人工智能、高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場(chǎng)景提供了國(guó)產(chǎn)化光互連解決方案。
 

　　該芯片融合高性能微環(huán)調(diào)制器、高增益雪崩光電探測(cè)器、光電協(xié)同設(shè)計(jì)與混合集成等技術(shù)，成功攻克高帶寬、低功耗、高可靠性等共性難題。相關(guān)成果報(bào)道于光通信頂會(huì)OFC等，其中2篇論文2024年發(fā)表于OFC和ECOC會(huì)議，2篇論文被2025年3月召開的OFC會(huì)議錄用。西安光機(jī)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(yuǎn)博士參與了項(xiàng)目推進(jìn)，研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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(tuán)隊(duì)采用如圖B1所示的多通道硅光微環(huán)調(diào)制器作為核心器件，通過(guò)優(yōu)化更細(xì)分的梯度摻雜結(jié)構(gòu)與橫向電場(chǎng)分布，解決了波導(dǎo)損耗、調(diào)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(zhǔn)反映出微環(huán)調(diào)制器的非線性效應(yīng)，顯著提升了其調(diào)制性能，最終實(shí)現(xiàn)了>67GHz電光帶寬與33pm/V的高調(diào)制效率(如圖B1(c、e)所示)。基于該高性能調(diào)制器，團(tuán)隊(duì)研制的波分復(fù)用光發(fā)射芯片單纖速率達(dá)2Tbps(8λ×256Gbps眼圖如圖B1(f)所示)，其岸線帶寬密度高達(dá)4Tbps/mm。為了應(yīng)對(duì)微環(huán)調(diào)制器因工藝偏差和溫度波動(dòng)導(dǎo)致的波長(zhǎng)失諧問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)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(guò)檢測(cè)微環(huán)光電流，無(wú)需犧牲總線光功率即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)諧振波長(zhǎng)并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓，在毫秒級(jí)響應(yīng)下將波長(zhǎng)穩(wěn)定性控制在±0.1nm以內(nèi)，確保了光學(xué)調(diào)制幅度(OMA)變化范圍在1dB以內(nèi)(如圖B2(g)所示)，有效克服了復(fù)雜環(huán)境下的光互連芯片部署障礙。
 

圖B2 多通道微環(huán)調(diào)制器光電閉環(huán)波長(zhǎng)控制方案
 

　　在光接收端，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了偏振不敏感的光柵耦合器，結(jié)合低串?dāng)_解波分復(fù)用方案，有效抑制了多波長(zhǎng)信號(hào)之間的串?dāng)_。同時(shí)，研制了高增益雪崩光電探測(cè)器(APD)，進(jìn)一步顯著提升了接收機(jī)靈敏度。采用圖B3(a)所示的 APD作為接收機(jī)的關(guān)鍵器件，并通過(guò)橫向PIPN型摻雜的分離吸收-電荷-倍增(SACM)結(jié)構(gòu)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(yīng)度。進(jìn)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(cè)性能，在-24dBm低光功率條件下，實(shí)現(xiàn)了7078GHz增益帶寬積的國(guó)際最高紀(jì)錄(如圖B3(c)所示)。最終成功驗(yàn)證了單通道200Gbps信號(hào)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(cè)器及其性能表征
 

　　在光互連芯片的研發(fā)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合光電協(xié)同設(shè)計(jì)與混合集成技術(shù)，構(gòu)建了一條從理論建模到芯片集成的完整技術(shù)鏈。開發(fā)了基于光電器件等效電路模型的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，將硅基微環(huán)調(diào)制器、雪崩光電探測(cè)器等核心器件的光學(xué)響應(yīng)(包括光子壽命、自熱效應(yīng)、雪崩增益效應(yīng))轉(zhuǎn)化為等效電路參數(shù)，并與CMOS驅(qū)動(dòng)電路、跨阻放大器的阻抗及寄生效應(yīng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，從而實(shí)現(xiàn)高速光電信號(hào)完整性的全局優(yōu)化。通過(guò)迭代優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計(jì)，不僅大幅提升了器件性能，還在光電芯片集成過(guò)程中實(shí)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(kuò)展提供了有效技術(shù)支撐。
 

圖B4 混合集成硅基光互連芯片
 

　　C 廣義超表面偏振調(diào)控理論及量子態(tài)探測(cè)
 

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

　　西安光機(jī)所超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張文富研究員、王國(guó)璽研究員團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)李濤教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種超表面偏振光學(xué)相位調(diào)控的廣義框架理論，可以實(shí)現(xiàn)多通道任意偏振態(tài)相位的獨(dú)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(xué)中的應(yīng)用范圍，為多功能超表面光子器件研制開辟了新途徑。相關(guān)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(jī)所李思奇副研究員和南京大學(xué)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(dǎo)。
 

　　團(tuán)隊(duì)在揭示偏振光與介質(zhì)納米柱作用過(guò)程中自旋軌道耦合機(jī)制的基礎(chǔ)上，引入新的偏振轉(zhuǎn)化因子項(xiàng)，構(gòu)建了超表面廣義相位調(diào)控框架，可以實(shí)現(xiàn)多通道任意偏振態(tài)相位的獨(dú)立控制和不同通道間能量的任意分配。框架原理示意圖如圖C1所示，任一偏振態(tài)的光可以被超表面轉(zhuǎn)化成復(fù)共軛態(tài)和正交復(fù)共軛態(tài)兩部分，這兩部分光場(chǎng)的相位和能量可以進(jìn)行獨(dú)立的控制。
 

圖C1 超表面廣義相位調(diào)控框架概念示意圖
 

　　基于上述框架理論，團(tuán)隊(duì)首先對(duì)最一般的偏振態(tài)調(diào)控情形即橢偏態(tài)相位的獨(dú)立控制進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)提出的相位約束方程，設(shè)定每個(gè)通道的能量相當(dāng)，在超表面的三個(gè)橢偏復(fù)用通道上編碼不同的全息圖，如圖C2所示。可以看出不同橢偏通道可精準(zhǔn)地加載不同的相位信息從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度分布。
 

圖C2 橢圓偏振態(tài)相位調(diào)控結(jié)果
 

　　團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列不同偏振轉(zhuǎn)化因子的超表面，不同偏振通道編碼信息對(duì)應(yīng)同一個(gè)圓周上不同位置的聚焦點(diǎn)，通過(guò)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(jié)果顯示隨著轉(zhuǎn)化因子的變化，不同通道的能量也相應(yīng)發(fā)生改變。因此，通過(guò)改變偏振轉(zhuǎn)化因子實(shí)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(dú)立控制和不同偏振通道間能量的任意分配。
 

圖C3 偏振復(fù)用通道間能量操控結(jié)果
 

　　此外，在該理論基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作了可對(duì)量子態(tài)進(jìn)行廣義測(cè)量的光學(xué)超表面，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于廣義測(cè)量的自學(xué)習(xí)量子態(tài)重構(gòu)方法，有效降低了多光子糾纏度量的實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度、采樣復(fù)雜度和后處理復(fù)雜度。相關(guān)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(xué)逯鶴教授和中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所王國(guó)璽研究員為論文共同通訊作者。
 

　　團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了可對(duì)量子態(tài)進(jìn)行廣義測(cè)量的光學(xué)超表面，可以同時(shí)將光子偏振狀態(tài)展開到信息完備測(cè)量基矢上，并將六束光分解到不同的空間通道進(jìn)行探測(cè)。利用此超表面的八面體廣義測(cè)量進(jìn)行了陰影層析實(shí)驗(yàn)，僅需要幾百毫秒就可以實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)投影算符的期望值估計(jì)(如圖C4所示)。
 

圖C4 超表面偏振態(tài)層析結(jié)果
 

　　團(tuán)隊(duì)還提出了一種自學(xué)習(xí)陰影層析技術(shù)(SLST)，結(jié)合同步擾動(dòng)隨機(jī)逼近算法(SPSA)，用陰影層析對(duì)弗羅貝尼烏斯范數(shù)進(jìn)行無(wú)偏估計(jì)并作為損失函數(shù)，再用SPSA對(duì)描述量子態(tài)的參數(shù)做全局優(yōu)化進(jìn)行量子態(tài)重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同樣的采樣數(shù)目下，SLST以較小的經(jīng)典迭代次數(shù)達(dá)到更高的精度，可以有效降低重構(gòu)量子態(tài)所需要的樣本復(fù)雜度的后處理復(fù)雜度，并且具有抗噪聲的優(yōu)點(diǎn)(如圖C5所示)。
 

圖C5 不同算法下雙光子態(tài)保真度重建結(jié)果
 

　　上述研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)等項(xiàng)目的支持。