合肥工业大学在光子集成芯片领域实现技术突破
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院夏豪杰教授团队联合皇家墨尔本理工大学及兰州大学，近期在光子集成芯片领域取得重要成果。相关研究以“Breaking dense integration limits: inverse-designed lithium niobate multimode photonic circuits”为题，在《Nature Communications》上发表。论文第一作者包括仪器科学与光电工程学院韩旭老师和博士生姜湖，通讯作者则由夏豪杰教授、兰州大学田永辉教授以及皇家墨尔本理工大学任光辉研究员共同担任。
材料特性与集成挑战
铌酸锂晶体由于其优异的电光、声光及光学非线性性能，被广泛认为是光子学领域的关键材料之一。然而，基于薄膜铌酸锂的光子集成芯片在集成密度方面长期受限。材料的中等折射率、各向异性特性以及与标准CMOS工艺不兼容的波导加工技术，使得其集成能力难以与硅基芯片相提并论。这一瓶颈严重制约了其在下一代高密度光子系统中的广泛应用。
异质集成与逆向设计策略
为解决上述问题，研究团队提出一种基于氮化硅与薄膜铌酸锂的异质集成方案。借助氮化硅材料的低损耗、各向同性及成熟的制造工艺，团队将逆向设计理念引入器件开发。该方法利用智能算法，在指定区域内自动搜索最优结构，从而突破传统波导设计所依赖的物理直觉限制，实现对微观光场的精确控制。
通过该方法，团队设计并制备了多种高性能、超紧凑的无源光子器件。例如，模式复用/解复用器的尺寸仅为19×25 μm²，多模波导交叉结构达到15×15 μm²，弯曲半径缩小至30 μm。这些器件的尺寸均显著优于传统设计方法的极限。研究团队进一步将这些“微纳积木”高效组合，成功在0.06 mm²的微型芯片上集成超过10个波导元件，构建出复杂多模光子电路，并用于大容量数据通信演示，显示出高密度集成的巨大潜力。
系统级验证与性能提升
为评估该技术的系统级性能，研究团队在同一芯片上集成了高速电光调制器。实验结果表明，系统在实现多模信号传输的同时，单通道数据调制速率达到120 Gbps。这一成果不仅验证了器件高密度集成的可行性，也保留了铌酸锂材料在高速电光调制方面的优势。这标志着薄膜铌酸锂光子集成技术向“更高密度、更小尺寸、更强功能”的方向迈出了关键一步，为未来超大容量、超高速率的光通信与光计算芯片的开发奠定了坚实基础。
研究团队与成果积累
近年来，该研究团队持续致力于光子器件及其集成技术的基础与应用研究，已在Nature Communications、Laser & Photonics Reviews、Optica等国际顶级期刊发表论文30余篇，其中多篇被选为封面故事。相关研究受到中国科学报、科学网等学术媒体的重点报道，研究工作也获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金以及中央高校基本科研业务费等项目的支持。