近日，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院夏豪杰教授团队与皇家墨尔本理工大学、兰州大学合作，在光子集成芯片领域取得重要进展。相关研究成果以“Breaking dense integration limits: inverse-designed lithium niobate multimode photonic circuits”为题发表于《Nature Communications》。仪器科学与光电工程学院青年教师韩旭、博士研究生姜湖为论文共同第一作者，我校夏豪杰教授、兰州大学田永辉教授和皇家墨尔本理工大学任光辉研究员为论文共同通讯作者。
铌酸锂晶体因其卓越的电光、声光和光学非线性特性，被誉为光子学领域的“硅”材料。然而，薄膜铌酸锂光子集成芯片受限于材料的中等折射率、固有各向异性以及与标准CMOS工艺不兼容的波导刻蚀技术，集成密度始终难以媲美成熟的硅基光子芯片，这一技术瓶颈严重制约了该材料在下一代高密度光子集成系统中的大规模应用。
针对这一难题，研究团队采用氮化硅-薄膜铌酸锂异质集成方法，借助氮化硅材料低光学损耗、各向同性和成熟工艺优势，将光子学逆向设计理念成功引入薄膜铌酸锂器件研发。该方法通过智能算法在设定区域内自由“搜寻”最优结构，从而打破传统波导设计的物理直觉限制，实现微观尺度上对光场的精准操控。凭借这一强大工具，研究团队成功设计并制备出一系列超紧凑、高性能的基础光子器件：模式复用/解复用器尺寸仅为19×25 μm²，多模波导交叉尺寸低至15×15 μm²，多模波导弯曲半径缩减至30 μm。这些器件尺寸均显著超越了传统设计方法的极限，有望将薄膜铌酸锂无源器件的面内集成密度提升一个数量级，并极大地优化光路设计自由度。研究团队将这些“微纳积木”高效组合，在一片仅0.06 mm2的微型芯片上集成了超过10个波导元件，构建出复杂的多模光子电路并应用于大容量数据通信演示，展现出高密度集成的巨大潜力。
逆向设计薄膜铌酸锂多模光子电路示意图
为进一步验证系统级综合性能，团队在同一芯片上集成了高速电光调制器。实验结果表明，该集成系统在实现多模信号传输的同时，单个通道的数据调制速率高达120 Gbps。这充分证明了该技术方案不仅能实现器件高密度集成，还能保持铌酸锂材料本身的高速电光调制优势，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”迈出了关键一步，为未来研制超大容量、超高速率的光通信与光计算芯片奠定了核心技术基础。
芯片级高速电光调制及多模信号传输眼图
近年来，研究团队持续开展光子器件及其集成技术的基础与应用研究，目前已在Nature Communications, Laser & Photonics Reviews, Optica等顶级期刊上发表论文30余篇，多篇论文当选期刊封面故事，研究成果得到中国科学报、科学网等学术媒体的详细解读，相关研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的支持。
