我国集成光学芯片最新进展情况

小鱼时代2017-08-02 15:40

集成光学是在光通信、光计算机及光信息处理等新兴技术需求的基础上应运而生的。集成光学的概念在1969年被首次提出,它将光纤和以平面介质光波导为基础的集成光路相结合,极大地促进了光通信的长足发展。集成光路通常是利用光波导将发光元件、透镜、光传输、光调制、光耦合以及光接收等器件连接在一起,集成在衬底上,构成具有一定独立功能的微型光学体系。

集成光学建立在光电子学、光波导理论、激光技术和微电子学的微细加工工艺发展的基础之上,是光电子学的一个重要分支。集成光学的任务是将传统的光学元器件和系统微型化,并按照新的物理观点将这些元器件或系统“集成”,以形成具有多种功能的集成光学体系。

超窄谱锁模激光器实验装置

随着科学技术的不断发展,纳米量子线、光子晶体以及微谐振腔的研究进展,使得微腔激光器、纳米光波导、纳米光探测器等都可能成为现实,这将不断地影响集成光学发展历程,并可能实现更小尺寸的光集成。

目前,集成光学已经成为当今光子学领域最为前沿技术之一,是光学发展的必由之路和高阶阶段。据OFweek激光网编辑了解,随着技术发展,集成光学正在经历着集成电子学发展轨迹,即更小的单个器件、更紧密的集成、更低成本的加工工艺。具体而言,集成光学正从分立元件向集成光学芯片发展,未来也将迈向纳米集成光学芯片。

我国在集成光学方面也进行了大量投入,近期也取得了系列进展。通过设计不同激光器参数,利用激光腔内光场增益、非线性和色散的相互作用,产生的各类脉冲激光源已经在学术和商业领域中取得丰硕的成果。而面对超高速光学时钟、高速光通信技术、微波光子学、光谱测量及天文光频梳等领域对激光脉冲源的重频提出了更高的需求。西安光机所利用自家研制的片上微环谐振腔,基于耗散四波混频效应,实现了基频为49GHz的稳定激光脉冲输出,相比于超短腔脉冲激光器,有效降低了由Schawlow and Townes限制带来的高相位噪声。同时利用片上激光模式选择机制,实现了49~735GHz的多倍速率的激光脉冲,突破了激光腔自由光谱范围对重复频率的限制。

2016年,中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室任希锋研究组与浙江大学科学家合作,首次研制成功硅基导模量子集成芯片,实现单光子态和量子纠缠态在偏振、路径、波导模式等不同自由度之间的相干转换,其干涉可见度均超过90%,为集成量子光学芯片上光子多个自由度的操纵和转换提供重要实验依据。

与自由空间光学、光纤光学相比,集成光学的器件及系统具有尺寸小、可扩展、功耗低、稳定性高等诸多优点。在过去集成量子光学芯片研究中,人们通常采用偏振自由度或路径自由度,即利用不同偏振或不同路径来实现量子信息编码。其中,偏振编码仅能实现二维量子信息过程,无法实现高维编码,因而在信息容量和安全性方面存在明显不足;路径编码虽然可实现高维量子信息过程,但为了防止不同路径信息之间的串扰,其路径间距通常较大,极大地制约了量子光学芯片集成度的提升和功能扩展。

任希锋研究组与合作者在硅光子集成芯片研制上,首次利用硅纳米光波导本征模式作为量子信息编码的新维度,利用一条支持多个波导模式的多模波导实现量子信息高维编码,有效避免了信息串扰问题,同时利用光子的多个自由度显著提升信息容量。他们还利用新型硅基片上模式转化器和模式复用器,成功实现偏振、路径和波导模式自由度之间的任意相干转换,单光子和双光子的干涉可见度均超过90%,充分展示了在集成量子光学芯片中同时操纵多个自由度的可能性,为实现集成量子光学芯片中高维量子信息过程奠定重要基础。

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