研究内容

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

代表性成果

高维通用光学线性变换及光计算应用

(1)为了克服Reck结构中的级联结构，我们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，提出了更具普遍性的离散相干空间模式的概念，由此提出和实现了基于离散空间相干模式的光学线性变换新方案。在实验上实现了24维的任意矩阵变换，矩阵维度是此前记录的4倍，变换保真度达到95.1%~82.1%，相关工作已经发表在Journal of Optics 杂志和 Journal of Physics B 杂志的联合特刊“Twisted Waves and Fields”上（J. Opt. 21, 104003, (2019)）；

(2)进一步，我们又开展了基于可预报单光子源的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）。实验结果中，QFT的矩阵保真度为85%，而SIC POVM的保真度和QST的保真度分别为~97%和高达85.3%；还进一步给出了将该方法与参量下转换光源相结合用于光量子计算的系统构架，可实现量子计算中的典型算法-Shor因式分解算法（Physical Review Applied, 14(2), 024027, (2020)）。

 

集成型光学轨道角动量器件

(1)轨道角动量（OAM）动态编/解码器：利用硅基光学微环构成高速轨道角动量（OAM）动态编码器，并且给出了利用光学OAM在集成芯片上通过OAM编码实现高速无线光通信的解决方案。利用我们提出的结构，可以产生阶数为-3～4的OAM光束，我们使用0～3阶的光束编码和解码数据，数据密度增大了一倍（Optics Express, 20(24), pp. 26986-26995, (2012)）；

(2)“蛛网”型（Cobweb）和“齿轮”型（cogwheel）轨道角动量光束动态发射器：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，比已有其它结果可调范围增加近一倍(-4~4 vs.-2~2)；

(3)集成型近场光学轨道角动量器件：作为光与物质的相互作用的一个基本工具，等离子体涡旋光（Plasmonic vortex）因其独特的近场特性而非常有吸引力。我们提出了一种利用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，不仅能够获得从整数阶的OAM，同时也可以连续地获得分数阶OAM (Scientific Reports 6: 36269, (2016))；同时，我们还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，可将入射光根据所携带自旋角动量耦合到器件两侧，消光比大于10；根据携带的轨道角动量耦合到不同的偏转角度，阶次间隔为2的OAM入射光耦合为局域余弦高斯高斯光束(LCGB)并传输30μm后的分束间隔大于1.1μm(ACS Photonics, 2020, 7(1): 212-220)。

 

新型光电集成器件

(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。其中，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/180o（IEEE Photonics Technology Letters 28(1): 19-22, (2016)），为新型全硅互连提供了新的解决方案；

(2)硅基高集成度、高性能的光互连功能器件: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))。

(3)利用硅基光子集成回路处理微波信号: 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，实现了工作频率可达40 GHz的可调谐、可重构的带通和带阻型集成微波光子滤波器。其中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；

(4)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)）；