我國集成光學(xué)芯片最新進(jìn)展情況

　　集成光學(xué)是在光通信、光計(jì)算機(jī)及光信息處理等新興技術(shù)需求的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的。集成光學(xué)的概念在1969年被首次提出，它將光纖和以平面介質(zhì)光波導(dǎo)為基礎(chǔ)的集成光路相結(jié)合，極大地促進(jìn)了光通信的長足發(fā)展。集成光路通常是利用光波導(dǎo)將發(fā)光元件、透鏡、光傳輸、光調(diào)制、光耦合以及光接收等器件連接在一起，集成在襯底上，構(gòu)成具有一定獨(dú)立功能的微型光學(xué)體系。

　　集成光學(xué)建立在光電子學(xué)、光波導(dǎo)理論、激光技術(shù)和微電子學(xué)的微細(xì)加工工藝發(fā)展的基礎(chǔ)之上，是光電子學(xué)的一個(gè)重要分支。集成光學(xué)的任務(wù)是將傳統(tǒng)的光學(xué)元器件和系統(tǒng)微型化，并按照新的物理觀點(diǎn)將這些元器件或系統(tǒng)“集成”，以形成具有多種功能的集成光學(xué)體系。

　　超窄譜鎖模激光器實(shí)驗(yàn)裝置

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，納米量子線、光子晶體以及微諧振腔的研究進(jìn)展，使得微腔激光器、納米光波導(dǎo)、納米光探測器等都可能成為現(xiàn)實(shí)，這將不斷地影響集成光學(xué)發(fā)展歷程，并可能實(shí)現(xiàn)更小尺寸的光集成。

　　目前，集成光學(xué)已經(jīng)成為當(dāng)今光子學(xué)領(lǐng)域最為前沿技術(shù)之一，是光學(xué)發(fā)展的必由之路和高階階段。據(jù)OFweek激光網(wǎng)編輯了解，隨著技術(shù)發(fā)展，集成光學(xué)正在經(jīng)歷著集成電子學(xué)發(fā)展軌跡，即更小的單個(gè)器件、更緊密的集成、更低成本的加工工藝。具體而言，集成光學(xué)正從分立元件向集成光學(xué)芯片發(fā)展，未來也將邁向納米集成光學(xué)芯片。

　　我國在集成光學(xué)方面也進(jìn)行了大量投入，近期也取得了系列進(jìn)展。通過設(shè)計(jì)不同激光器參數(shù)，利用激光腔內(nèi)光場增益、非線性和色散的相互作用，產(chǎn)生的各類脈沖激光源已經(jīng)在學(xué)術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域中取得豐碩的成果。而面對超高速光學(xué)時(shí)鐘、高速光通信技術(shù)、微波光子學(xué)、光譜測量及天文光頻梳等領(lǐng)域?qū)す饷}沖源的重頻提出了更高的需求。西安光機(jī)所利用自家研制的片上微環(huán)諧振腔，基于耗散四波混頻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了基頻為49GHz的穩(wěn)定激光脈沖輸出，相比于超短腔脈沖激光器，有效降低了由Schawlow and Townes限制帶來的高相位噪聲。同時(shí)利用片上激光模式選擇機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了49~735GHz的多倍速率的激光脈沖，突破了激光腔自由光譜范圍對重復(fù)頻率的限制。

　　2016年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任希鋒研究組與浙江大學(xué)科學(xué)家合作，首次研制成功硅基導(dǎo)模量子集成芯片，實(shí)現(xiàn)單光子態(tài)和量子糾纏態(tài)在偏振、路徑、波導(dǎo)模式等不同自由度之間的相干轉(zhuǎn)換，其干涉可見度均超過90%，為集成量子光學(xué)芯片上光子多個(gè)自由度的操縱和轉(zhuǎn)換提供重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

　　與自由空間光學(xué)、光纖光學(xué)相比，集成光學(xué)的器件及系統(tǒng)具有尺寸小、可擴(kuò)展、功耗低、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。在過去集成量子光學(xué)芯片研究中，人們通常采用偏振自由度或路徑自由度，即利用不同偏振或不同路徑來實(shí)現(xiàn)量子信息編碼。其中，偏振編碼僅能實(shí)現(xiàn)二維量子信息過程，無法實(shí)現(xiàn)高維編碼，因而在信息容量和安全性方面存在明顯不足;路徑編碼雖然可實(shí)現(xiàn)高維量子信息過程，但為了防止不同路徑信息之間的串?dāng)_，其路徑間距通常較大，極大地制約了量子光學(xué)芯片集成度的提升和功能擴(kuò)展。

　　任希鋒研究組與合作者在硅光子集成芯片研制上，首次利用硅納米光波導(dǎo)本征模式作為量子信息編碼的新維度，利用一條支持多個(gè)波導(dǎo)模式的多模波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)量子信息高維編碼，有效避免了信息串?dāng)_問題，同時(shí)利用光子的多個(gè)自由度顯著提升信息容量。他們還利用新型硅基片上模式轉(zhuǎn)化器和模式復(fù)用器，成功實(shí)現(xiàn)偏振、路徑和波導(dǎo)模式自由度之間的任意相干轉(zhuǎn)換，單光子和雙光子的干涉可見度均超過90%，充分展示了在集成量子光學(xué)芯片中同時(shí)操縱多個(gè)自由度的可能性，為實(shí)現(xiàn)集成量子光學(xué)芯片中高維量子信息過程奠定重要基礎(chǔ)。