Light人物：专访集成光子学先驱陈险峰教授

| 编者按 |

1969年，Stewart E. Miller发表了“Integrated optics: an introduction”，概述了对微型激光束电路形式的构想，标志着第一篇集成光子学研究论文的诞生。半个世纪以来，集成光子学从局限于集成有限数量的器件和功能，逐渐向多功能、工业化的光子集成电路发展壮大。

本次访谈，Light: Science & Applications邀请了陈险峰教授分享他对于集成光子学的过去，现在和未来的见解。

陈险峰，上海交通大学物理与天文学院特聘教授。2011年获国家杰出青年科学基金资助，2015年获国家高层次人才专项支持计划资助，2014年获政府特殊津贴。目前担任 Journal of Nonlinear Optical Physics & Material（World Scientific）的主编。 在过去的三十年中，他的主要研究方向为非线性光学、集成光学、微纳米光子学、量子光学和生物光子学，尤其是在光学物理学的基础理论及其在国家需求中的应用方面取得了一些成果。陈险峰教授在 Nature，Nature Photonics，Physics Review Letters，Light: Science & Applications等国际权威期刊上发表了300多篇期刊论文，论文被引用次数超过5000次。陈险峰教授曾担任40多个学术会议的协办人、会议主席、分会主席和委员会成员。2010年，由于其在准相位匹配非线性光学和光与纳米结构材料相互作用方面的贡献获得亚太物理协会联合会杨振宁奖（AAPPS，C. N. Yang Award）。

| 问与答（Q&A）|

采访嘉宾：陈险峰（上海交通大学）

采访人：郭宸孜

翻译：林裕财、郭宸孜

致谢：郭宸孜致谢中国科学院青年创新促进会会员项目[No. 20211214].

原文信息：Guo, C. Light People: Professor Xianfeng Chen spoke about integrated photonics. Light Sci Appl 11, 218 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00910-9

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Q：集成光子学给光电领域带来了那些变化？目前集成光子学的主要挑战和机遇有哪些？

A：集成光子学将光子器件的规模压缩到电子器件的规模，使二者具有CMOS兼容、相互集成、大规模集成的特点，使得光电子集成芯片成为可能。目前，集成光子学的应用已经非常广泛，包括光通信、传感、信息处理、计算和光存储。此外，还有其他领域，比如材料科学研究、光学仪器、光谱学研究等。目前这些应用基本上实现了对强度、相位、偏振和光谱的操纵或探测。通过更高密度的光子器件集成和电子集成，我相信光电子芯片在未来会有更大的发展空间。目前，没有一种完美的材料能够涵盖集成光子器件的所有功能。因此，主要的挑战包括高质量的异质集成以及低成本、低耦合损耗。

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Q：长期以来，硅一直是集成光子学的成熟材料，但材料技术的进步带来了许多新的选择。您能否介绍几种较有应用前景的集成光子学材料及其主要优缺点？

A：硅基光子集成平台受到了极大的关注，因为它在电子和光子的单片集成方面具有强大的潜力，同时，它依赖于目前成熟的低成本、大规模CMOS集成电路制造工艺。另一个良好的光子集成平台是磷化铟材料体系（III-V族半导体），它具有易于制造光源的天然优势。然而，它的单片集成工艺复杂而昂贵，为了实现单片集成，需要依靠选区生长、对接耦合生长或量子阱杂化等工艺。由于铌酸锂和二氧化硅波导具有非常低的光纤插入损耗，所以它们被广泛用于光通信行业。然而，由于掺杂波导限制光线的能力有限，无法实现大规模集成。目前绝缘体上铌酸锂薄膜材料（LNOI）是一种热门的新型薄膜材料。LNOI具有优良的光学性能，尤其是大的光学窗口、超低的吸收损耗、非常强的电光效应和非线性效应。目前已经实现在电光调制器和非线性频率转换方面的应用。

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Q：您的团队在基于LiNbO₃的芯片级光电器件方面处于领先地位，晶圆级、高质量绝缘体上铌酸锂薄膜材料（LNOI）实现商业化后，一些铌酸锂薄膜器件的性能已经超越块体铌酸锂晶体制备的同类器件。然而，诸如电荷载流子效应等挑战也伴随着铌酸锂材料而出现。您能否谈谈LNOI光电器件的主要挑战和解决方案？

A：我们的团队专注于铌酸锂和LNOI的光子学及其应用已经超过25年。我们是中国最早进入这一领域的研究小组之一。在成功实现LN蚀刻后不久，LNOI通过利用LN的非线性、电光、声光效应，证明了其在光学操纵方面的优势。LN本身无法用于光发射或探测。LNOI光电子学的主要挑战是片上激光源和探测器的完全集成。最近已经报道了通过离子掺杂和异质集成解决相应问题的可行方案。但仍有大量的工作待完成。

陈险峰教授在办公室

陈险峰教授获国家公派高级访问学者资助在哈佛大学访问

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Q：铌酸锂因其较大的二阶、三阶非线性极化率张量而为人所知，这使得高效的电光调制器、非线性光频率转换和光频梳成为可能。非线性动力学（尤其是LNOI中的非线性动力学）给集成光子学带来或将带来哪些变化？以及目前需要克服的主要障碍有哪些？

A： LNOI同时具有强非线性与强约束的优势。这使得LNOI器件的效率远优于其他传统的同类器件。最近，已经实现了基于LNOI的高性能电光调制器、频率转换器和频率梳产生器，它们将在通信、微波光子学、量子光学和其他领域发挥重要作用。对于非线性来说，这也意味着使用相同的输入功率可以触发更强的光与物质相互作用，这将为实现各种光学处理和计算提供新的方法。然而，这也意味着该系统对缺陷非常敏感。未来，通过成熟的大规模制造，结合铌酸锂的强二阶、三阶非线性和纳米结构特性，我们相信LNOI可以实现更复杂的非线性系统。因此，光纤与纳米波导的耦合以及波导的功率处理能力是影响非线性器件应用的主要障碍。

陈险峰教授作报告

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Q：光纤到LNOI芯片的耦合研究目前发展状况怎么样？

A：光纤到芯片的耦合一直是密集集成光子学应用的主要问题之一。这个问题对于硅光电子学也是类似的。硅基集成的几种耦合方案已被直接采用到LNOI平台上。目前LNOI芯片耦合的方案包括模式转换结构，主要采用双层波导锥形结构，耦合损耗可以降低到