突破密集集成极限：逆向设计铌酸锂多模光子回路实现超紧凑高速数据传输

《Nature Communications》：Breaking dense integration limits: inverse-designed lithium niobate multimode photonic circuits

为突破薄膜铌酸锂(TFLN)光子集成回路(PIC)在密集集成方面的限制，研究人员开展了基于逆向设计方法的铌酸锂多模光子回路研究。他们成功研制出超紧凑模分(解)复用器(19×25μm2)、多模波导交叉(15×15μm2)和波导弯曲(30μm弯曲半径)等核心组件，并在0.06mm2芯片面积内实现了包含10余个元件的多模光子回路。该电路支持120Gbps单通道高速数据调制与多模信号传输，为高容量数据通信提供了新方案。

　　

在当今大数据时代，光子集成电路(PIC)正经历着向密集集成的范式转变，这对于扩展带宽、降低每比特能耗以及支持多种光学功能的片上融合至关重要。然而，传统硅基、氮化硅和III-V族平台虽然具有成熟的CMOS兼容工艺，但在非线性性能、电光响应或材料透明度方面存在固有局限。薄膜铌酸锂(TFLN)因其宽光学透明窗口、强非线性光学性能和高速度电光调制等优异特性而崭露头角，但其适中的折射率对比度限制了模式约束能力，导致器件尺寸（如波导弯曲半径）面临限制，制约了芯片集成密度。

为解决这一难题，来自合肥工业大学、RMIT大学等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们创新性地采用光子逆向设计方法，在硅氮化物-铌酸锂混合平台上实现了超紧凑多模光子回路，突破了铌酸锂光子器件的密集集成极限。

研究团队主要采用了三项关键技术方法：首先建立了硅氮化物-TFLN(X-cut)混合波导平台，通过逆向设计优化各向同性硅氮化物加载层结构；其次采用基于伴随法的梯度优化进行拓扑优化，通过材料分布迭代更新实现器件设计；最后通过反应溅射沉积硅氮化物薄膜、电子束光刻和电感耦合等离子体刻蚀等微纳加工工艺制备器件。

模式(解)复用器

研究人员设计并制备了有效尺寸仅19×25μm²的三模(解)复用器。该器件在1550nm波长处，TE0、TE1和TE2模式的插入损耗分别为1.05dB、1.42dB和2.50dB，模间串扰低于-15.9dB，相比传统定向耦合器结构实现了超过十倍的尺寸缩减。

多模波导交叉

设计的波导交叉器件尺寸为15×15μm²，在1550nm波长处，TE0、TE1和TE2模式的插入损耗分别为0.16dB、0.33dB和0.55dB，模间串扰低于-17.7dB、-15.0dB和-16.1dB，表现出优异的交叉传输性能。

多模波导弯曲

团队实现了有效弯曲半径仅30μm的多模波导弯曲器件，这是目前X-cut TFLN平台上报道的最紧凑的多模弯曲结构。该器件在1550nm波长处，TE0、TE1和TE2模式的插入损耗分别为1.02dB、1.96dB和2.17dB，模间串扰低于-16.2dB、-15.1dB和-15.9dB。

多模光子回路

通过集成上述组件，研究人员在仅0.06mm²的芯片面积内构建了两种多模光子回路。第一种包含两个独立电路的路径交叉，第二种为同一电路的多路径交叉。测试结果表明，尽管波导元件数量显著增加，器件仍保持良好的性能，插入损耗与单个器件损耗之和接近，偏差小于2.13dB，展示了良好的系统可扩展性和密集集成能力。

高速数据调制传输

为展示密集集成能力与优异材料特性的结合，团队在同一芯片上集成了基于微环谐振器的电光调制器，实现了高速数据调制传输系统。实验测得开关键控信号的单通道数据调制传输速率达到120Gbps，信噪比大于5.4dB，眼图清晰开阔，表明系统性能优良。

研究结论表明，这种基于逆向设计的硅氮化物-铌酸锂混合平台成功结合了硅氮化物的优异加工特性和铌酸锂的强电光、非线性光学响应，实现了超紧凑多模组件和光子回路。与先前报道的器件相比，该工作在不牺牲性能的前提下，将器件尺寸缩减了一个数量级，同时保持了高电光调制效率。这种方法可扩展到各种无源组件，有望成为TFLN平台上实现密集集成和大规模PIC的重要构建模块，为未来高容量数据通信、光学计算和量子光子处理器等应用开辟了新途径。