近日，合肥工業大學儀器科學與光電工程學院夏豪杰教授團隊與皇家墨爾本理工大學、蘭州大學合作，在光子集成芯片領域取得重要進展。相關研究成果以“Breaking dense integration limits: inverse-designed lithium niobate multimode photonic circuits”為題發表于《Nature Communications》。儀器科學與光電工程學院青年教師韓旭、博士研究生姜湖為論文共同第一作者，我校夏豪杰教授、蘭州大學田永輝教授和皇家墨爾本理工大學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、聲光和光學非線性特性，被譽為光子學領域的“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準CMOS工藝不兼容的波導刻蝕技術，集成密度始終難以媲美成熟的硅基光子芯片，這一技術瓶頸嚴重制約了該材料在下一代高密度光子集成系統中的大規模應用。
 

　　針對這一難題，研究團隊采用氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質集成方法，借助氮化硅材料低光學損耗、各向同性和成熟工藝優勢，將光子學逆向設計理念成功引入薄膜鈮酸鋰器件研發。該方法通過智能算法在設定區域內自由“搜尋”最優結構，從而打破傳統波導設計的物理直覺限制，實現微觀尺度上對光場的精準操控。憑借這一強大工具，研究團隊成功設計并制備出一系列超緊湊、高性能的基礎光子器件：模式復用/解復用器尺寸僅為19×25 μm²，多模波導交叉尺寸低至15×15 μm²，多模波導彎曲半徑縮減至30 μm。這些器件尺寸均顯著超越了傳統設計方法的極限，有望將薄膜鈮酸鋰無源器件的面內集成密度提升一個數量級，并極大地優化光路設計自由度。研究團隊將這些“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個波導元件，構建出復雜的多模光子電路并應用于大容量數據通信演示，展現出高密度集成的巨大潛力。
 

逆向設計薄膜鈮酸鋰多模光子電路示意圖
 

　　為進一步驗證系統級綜合性能，團隊在同一芯片上集成了高速電光調制器。實驗結果表明，該集成系統在實現多模信號傳輸的同時，單個通道的數據調制速率高達120 Gbps。這充分證明了該技術方案不僅能實現器件高密度集成，還能保持鈮酸鋰材料本身的高速電光調制優勢，標志著薄膜鈮酸鋰光子集成技術向“更高密度、更小尺寸、更強功能”邁出了關鍵一步，為未來研制超大容量、超高速率的光通信與光計算芯片奠定了核心技術基礎。
 

芯片級高速電光調制及多模信號傳輸眼圖
 

　　近年來，研究團隊持續開展光子器件及其集成技術的基礎與應用研究，目前已在Nature Communications, Laser & Photonics Reviews, Optica等頂級期刊上發表論文30余篇，多篇論文當選期刊封面故事，研究成果得到中國科學報、科學網等學術媒體的詳細解讀，相關研究工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的支持。