“向光而行 科技報國”，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所以強烈的創(chuàng)新責(zé)任在使命驅(qū)動的建制化基礎(chǔ)研究中持續(xù)彰顯西光力量。其中，2024年就在光子集成芯片領(lǐng)域取得一系列顯著性創(chuàng)新進(jìn)展或成果，相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）、《物理評論通訊》（Physical Review Letters）、《自然通訊》（Nature Communications）以及全球光通信大會OFC等。

西安光機所主樓。西安光機所供圖

在集成光學(xué)頻率梳領(lǐng)域，中國科學(xué)院西安光機所超快光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室張文富研究員團(tuán)隊、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息重點實驗室郭光燦院士團(tuán)隊陳巍研究員與國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院楊俊教授團(tuán)隊三個團(tuán)隊合作，在集成微腔光學(xué)頻率梳領(lǐng)域取得進(jìn)展。該合作團(tuán)隊基于微波注入、光頻參考、熱微擾頻率調(diào)諧等技術(shù)，實現(xiàn)了兩套獨立泵浦的“全同”微腔孤子光學(xué)頻率梳，基于此，實驗驗證了滿足ITU頻率間隔標(biāo)準(zhǔn)（50GHz）的50通道梳齒對之間的高可見度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)用思路實現(xiàn)大規(guī)模并行量子通信的可行性，為基于集成光學(xué)構(gòu)建更高效、可擴展的量子通信系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

該項研究成果發(fā)表在Science Advances，并被編輯推薦為本期精選（featured）。

                                           Science advance本期精選。

在硅基光互連芯片研發(fā)方面，中國科學(xué)院西安光機所王斌浩研究員、張文富研究員團(tuán)隊成功研制出國際首款單端口（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道，標(biāo)志著互連能力上的大幅提升，為人工智能、高性能計算、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場景提供了國產(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器、光電協(xié)同設(shè)計與混合集成等技術(shù)，成功攻克高帶寬、低功耗、高可靠性等共性難題。相關(guān)成果報道于光通信頂會OFC等，其中2篇論文2024年發(fā)表于OFC和ECOC會議，2篇論文被2025年3月召開的OFC會議錄用。

                   2Tbps(8λ×256Gbps)硅光微環(huán)發(fā)射芯片。論文作者提供圖片

該團(tuán)隊介紹，在光互連芯片的研發(fā)過程中，他們結(jié)合光電協(xié)同設(shè)計與混合集成技術(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)計方法，將硅基微環(huán)調(diào)制器、雪崩光電探測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，從而實現(xiàn)高速光電信號完整性的全局優(yōu)化。通過迭代優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計，不僅大幅提升了器件性能，還在光電芯片集成過程中實現(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，為人工智能算力的提升和擴展提供了有效技術(shù)支撐。

                       混合集成硅基光互連芯片。論文作者提供圖片

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。

超表面是指由亞波長間隔的光學(xué)散射體組成的平面光學(xué)器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對光場偏振、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，為微型化光學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了重要的解決方案。

目前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、顯微成像、量子態(tài)測量等領(lǐng)域。

中國科學(xué)院西安光機所超快光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室張文富研究員、王國璽研究員團(tuán)隊與南京大學(xué)李濤教授團(tuán)隊合作，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，可以實現(xiàn)多通道任意偏振態(tài)相位的獨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。

            超表面廣義相位調(diào)控框架概念示意圖。論文作者提供圖片

此外，在該理論基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊還設(shè)計制作了可對量子態(tài)進(jìn)行廣義測量的光學(xué)超表面，提出并實現(xiàn)了一種基于廣義測量的自學(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驗復(fù)雜度、采樣復(fù)雜度和后處理復(fù)雜度。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications上。

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

團(tuán)隊還提出了一種自學(xué)習(xí)陰影層析技術(shù)（SLST），結(jié)合同步擾動隨機逼近算法（SPSA），用陰影層析對弗羅貝尼烏斯范數(shù)進(jìn)行無偏估計并作為損失函數(shù)，再用SPSA對描述量子態(tài)的參數(shù)做全局優(yōu)化進(jìn)行量子態(tài)重構(gòu)。其實驗結(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。

文章相關(guān)信息：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq8982

                   https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10527042

                    https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10531655

                   https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10480542

      https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.023  803.

                        https://www.nature.com/articles/s41467-024- 48213-4