西安光机所在光子集成芯片领域取得新进展

“向光而行 科技报国”，中国科学院西安光学精密机械研究所以强烈的创新责任在使命驱动的建制化基础研究中持续彰显西光力量。其中，2024年就在光子集成芯片领域取得一系列显著性创新进展或成果，相关成果发表在《科学进展》（Science Advances）、《物理评论通讯》（Physical Review Letters）、《自然通讯》（Nature Communications）以及全球光通信大会OFC等。

西安光机所主楼。西安光机所供图

在集成光学频率梳领域，中国科学院西安光机所超快光科学与技术全国重点实验室张文富研究员团队、中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室郭光灿院士团队陈巍研究员与国防科技大学智能科学学院杨俊教授团队三个团队合作，在集成微腔光学频率梳领域取得进展。该合作团队基于微波注入、光频参考、热微扰频率调谐等技术，实现了两套独立泵浦的“全同”微腔孤子光学频率梳，基于此，实验验证了满足ITU频率间隔标准（50GHz）的50通道梳齿对之间的高可见度Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉，证明了利用经典波分复用光通信的复用思路实现大规模并行量子通信的可行性，为基于集成光学构建更高效、可扩展的量子通信系统奠定了技术基础。

该项研究成果发表在Science Advances，并被编辑推荐为本期精选（featured）。

                                           Science advance本期精选。

在硅基光互连芯片研发方面，中国科学院西安光机所王斌浩研究员、张文富研究员团队成功研制出国际首款单端口（单纤）速率为2Tbps的硅基OIO光互连芯片，岸线带宽密度达4Tbps/mm，是目前OIO光互连单纤速率最高的报道，标志着互连能力上的大幅提升，为人工智能、高性能计算、数据中心等应用场景提供了国产化光互连解决方案。

该芯片融合高性能微环调制器、高增益雪崩光电探测器、光电协同设计与混合集成等技术，成功攻克高带宽、低功耗、高可靠性等共性难题。相关成果报道于光通信顶会OFC等，其中2篇论文2024年发表于OFC和ECOC会议，2篇论文被2025年3月召开的OFC会议录用。

                   2Tbps(8λ×256Gbps)硅光微环发射芯片。论文作者提供图片

该团队介绍，在光互连芯片的研发过程中，他们结合光电协同设计与混合集成技术，构建了一条从理论建模到芯片集成的完整技术链。开发了基于光电器件等效电路模型的协同设计方法，将硅基微环调制器、雪崩光电探测器等核心器件的光学响应（包括光子寿命、自热效应、雪崩增益效应）转化为等效电路参数，并与CMOS驱动电路、跨阻放大器的阻抗及寄生效应进行联合仿真，从而实现高速光电信号完整性的全局优化。通过迭代优化器件结构与电路设计，不仅大幅提升了器件性能，还在光电芯片集成过程中实现了协同优化，最终成功研制出高带宽密度、低功耗的混合集成光互连芯片，为人工智能算力的提升和扩展提供了有效技术支撑。

                       混合集成硅基光互连芯片。论文作者提供图片

在超表面芯片方面，提出了广义的超表面偏振光学相位调控理论，拓展了偏振调控的理论边界，研制出量子态层析偏振复用超表面芯片。

超表面是指由亚波长间隔的光学散射体组成的平面光学器件，能够实现对光场偏振、振幅、相位和传播模式的精确调控。相比传统光学元件，具备轻薄和多功能集成等优势，为微型化光学系统的实现提供了重要的解决方案。

目前基于超表面的偏振调控及复用研究受到了广泛关注，已被应用于偏振探测、显微成像、量子态测量等领域。

中国科学院西安光机所超快光科学与技术全国重点实验室张文富研究员、王国玺研究员团队与南京大学李涛教授团队合作，提出了一种超表面偏振光学相位调控的广义框架理论，可以实现多通道任意偏振态相位的独立控制和不同通道间能量的任意分配，拓展了超表面在偏振光学中的应用范围，为多功能超表面光子器件研制开辟了新途径。

            超表面广义相位调控框架概念示意图。论文作者提供图片

此外，在该理论基础上，研究团队还设计制作了可对量子态进行广义测量的光学超表面，提出并实现了一种基于广义测量的自学习量子态重构方法，有效降低了多光子纠缠度量的实验复杂度、采样复杂度和后处理复杂度。相关研究成果发表在Nature Communications上。

团队设计的可对量子态进行广义测量的光学超表面，可以同时将光子偏振状态展开到信息完备测量基矢上，并将六束光分解到不同的空间通道进行探测。利用此超表面的八面体广义测量进行了阴影层析实验，仅需要几百毫秒就可以实现偏振态投影算符的期望值估计。

团队还提出了一种自学习阴影层析技术（SLST），结合同步扰动随机逼近算法（SPSA），用阴影层析对弗罗贝尼乌斯范数进行无偏估计并作为损失函数，再用SPSA对描述量子态的参数做全局优化进行量子态重构。其实验结果表明，在同样的采样数目下，SLST以较小的经典迭代次数达到更高的精度，可以有效降低重构量子态所需要的样本复杂度的后处理复杂度，并且具有抗噪声的优点。