光电集成器件

进入21世纪后，人类社会信息化程度不断提高，为应对不断增大的信息流量，需要发展极高速率的信息处理和传输技术。光波具有光速传播、并行处理和低损耗传输的特点，非常适合承载信息和处理信息。一方面，光子作为信息的载体具有电子无与伦比的优点，这些优点在极短距离互连中表现出了巨大的潜力；另一方面，基于光波/光子采用非冯-诺依曼架构的新型计算方式，有望高速和高能效地完成识别任务以及求解优化问题。基于硅衬底的光电子器件有望在同一芯片上同时实现光子器件与电子器件的集成，为在芯片上实现高速、大容量、低功耗的信息传输和处理以及新型计算功能提供了可能。

目前，本研究组立足于微纳结构光电子器件，针对光电集成芯片中所需的光源、传输、调控等功能器件以及集成方式开展研究工作，以期利用新材料、新结构、新工艺、新机理方面的突破，实现高集成度、低功耗和新功能的光电集成芯片，并探索其在光互连、光信号处理和新型光计算等领域的应用。

研究内容

- 高维通用光学线性变换及光计算应用

- 集成光学轨道角动量器件

- 新型光电集成器件和集成回路

   

集成轨道角动量发射器      硅基超表面分束器     光子“算盘”计算架构 

代表性成果

高维通用光学线性变换及光计算应用

(1) 非级联高维通用光学线性变换: 为了克服Reck结构中的级联结构，提出了物理可实现的有限维“准OAM态”和“准角态”概念 (Physical Review A 95, 033827 (2017) ，并进一步扩展到离散相干空间模式，实验上实现了24维的任意矩阵变换（J. Opt. 21, 104003, (2019), special issue of “Twisted Waves and Fields”）；基于可预报单光子源实现了15维的量子傅里叶变换（QFT）和基于对称信息完全正定算符值度量值（SIC POVM）的量子态层析（QST）（Physical Review Applied, 14(2), 024027, (2020)）。

(2) 新型光计算架构：将基于离散相干空间模式的矩阵运算用于新型光计算，实现了基于“图片空间采样—复矩阵变换—平方检波”的单层全光神经网络(Optics Express, 29 (17): 26474-26485 (2021))；提出了基于离散空间相干模式相位编码和强度探测的并行光伊辛机新架构——PEIDIA（Phase Encoding and Intensity Detection Ising Annealer），通过模拟退火算法和全光矩阵运算实现了30维的任意可编程光伊辛机（Communications Physics, 7, 168, (2024)）以及可编程的X-Y模型求解器(Physical Review Applied, 22, L021001 (2024))；进一步，我们还基于硅光芯片的PEIDIA计算构架，成功展示了16维的集成光电混合伊辛机（Chip, 4(1), 100117, (2025)），光芯片算力达到~1.66 TFLOP/s。

(3) 分层时分复用的集成光“水库”计算：利用硅基微环谐振腔的延时和滤波特性，构成了分层时分复用结构的光“水库”计算，通过模拟计算结果表明，相比之前的延时反馈型光“水库”计算系统在错误率可比拟的情况下（信号分类错误率0.5%，混沌序列预测错误率2.7%），处理速度可以达到1.3Gbps (Optics Express 22(25): 31356-31370, (2014))。

 集成光学轨道角动量器件

(1) 集成光学轨道角动量器件：分别实现了纯态轨道角动量模式在-4~4阶和叠加态轨道角动量-5~5阶的动态调控（Scientific Reports 6: 22512, (2016)，Scientific Reports 5:10958, (2015)），均为已有报道中调节范围最宽的结果；进一步实现了国际上首个硅基集成、室温工作、阶次动态可调的轨道角动量(OAM)模式可预报单光子源（Laser Photonics Rev., 2200388, (2022)）。

(2) 集成型近场光学轨道角动量器件：提出了一种利用Laguerre Gaussian（LG）模式在传播过程引入的射径向相位梯度，来调控等离子体涡旋光携带OAM阶数的新方法 (Scientific Reports 6: 36269, (2016))；提出了利用金属表面的多边形结构来提出了产生多种图案的二维光学晶格的方法 (Optics Letters 41 (7), 1478-1481, (2016))；在角动量接收器方面，提出并实现了一种带有相位调制的复合光学角动量分束器 (ACS Photonics, 2020, 7(1): 212-220)。

新型光电集成器件和集成回路

 (1) 全硅光子集成回路: 提出了基于利用金属-介质周期结构中表面等离子激元（SPP）的Purcell增强的硅光源和硅基狭缝波导，构成全硅光互连集成回路的新方案。制备出发光波长与金波导匹配的富硅氮化硅材料（波长530nm），获得了最高为3倍的增强效应（入选2013 年度“中国光学重要成果”，现更名为“中国光学十大进展”）；低损耗狭缝波导的传输损耗仅为0.6~0.8dB/mm@1064nm，弯曲损耗为4.1~4.6dB/180^o（IEEE Photonics Technology Letters 28(1): 19-22, (2016), Optics Communications 359: 129–134, (2016)，Optics Communications , 306, pp131–134, (2013), Optics Communications, 306: 131–134, (2013) (2016)），为新型全硅互连提供了新的解决方案。

(2) 硅基高集成度、高性能的光互连和信息处理器件: 研制出硅基集成型光分插复用器、波分复用器和调制器等多种新型器件，其中通过微环阵列辅助的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型调制器表征调制效率的参数Vπ×L比已有报道MZI型硅基电光调制器提高2~3个数量级，比慢光增强型的MZI调制器提高约1个数量级 (Optics Express, 22 (9):10550-10558,(2014))；提出了利用纳米结构光学微腔实现可集成微波光子滤波器的新思路，关于带通滤波器的工作(IEEE Photonics Technology Letters, 24(17): 1502, (2012))是国际上第一个基于硅基芯片（SOI）的集成型可调谐、可重构微波光子滤波器的实验报道。

(3) 新型超表面光束调控器件: 在国际上首次实现了基于超表面的任意功率分束器芯片，在保持输入与输出光频率、偏振、横向空间模式不变的条件下，对入射光以任意预定义的功率比分配到多个输出通道（Advanced Optical Materials,11(20), 202300664, (2023)）；进一步基于新型的偏振解耦多端口分束（PD-MPBS）超表面，提出了一种全新小型化MOT冷却光束传输系统，为便携式冷原子技术在精密测量、量子计算等领域的应用提供了重要技术支持(Advanced Science, e06289, (2025))；基于结合超表面光偏振分束器和液晶控制器提出了一种利用N层偏振相关超表面结合偏振控制器的级联架构，将偏振相关超表面的可调通道数由2个提升至2^N个（Nature Communications, 15:8370, (2024)）。