| 編者按 |

1969年，Stewart E. Miller發(fā)表了“Integrated optics: an introduction”，概述了對微型激光束電路形式的構(gòu)想，標(biāo)志著第一篇集成光子學(xué)研究論文的誕生。半個世紀(jì)以來，集成光子學(xué)從局限于集成有限數(shù)量的器件和功能，逐漸向多功能、工業(yè)化的光子集成電路發(fā)展壯大。

本次訪談，Light: Science & Applications邀請了陳險峰教授分享他對于集成光子學(xué)的過去，現(xiàn)在和未來的見解。

陳險峰，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院特聘教授。2011年獲國家杰出青年科學(xué)基金資助，2015年獲國家高層次人才專項支持計劃資助，2014年獲政府特殊津貼。目前擔(dān)任Journal of Nonlinear Optical Physics & Material（World Scientific）的主編。

在過去的三十年中，他的主要研究方向為非線性光學(xué)、集成光學(xué)、微納米光子學(xué)、量子光學(xué)和生物光子學(xué)，尤其是在光學(xué)物理學(xué)的基礎(chǔ)理論及其在國家需求中的應(yīng)用方面取得了一些成果。陳險峰教授在Nature，Nature Photonics，Physics Review Letters，Light: Science & Applications等國際權(quán)威期刊上發(fā)表了300多篇期刊論文，論文被引用次數(shù)超過5000次。陳險峰教授曾擔(dān)任40多個學(xué)術(shù)會議的協(xié)辦人、會議主席、分會主席和委員會成員。2010年，由于其在準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)和光與納米結(jié)構(gòu)材料相互作用方面的貢獻(xiàn)獲得亞太物理協(xié)會聯(lián)合會楊振寧獎（AAPPS，C. N. Yang Award）。

| 問與答（Q&A）|

采訪嘉賓：陳險峰（上海交通大學(xué)）

采訪人：郭宸孜

翻譯：林裕財、郭宸孜

致謝：郭宸孜致謝中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會會員項目[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：集成光子學(xué)給光電領(lǐng)域帶來了那些變化？目前集成光子學(xué)的主要挑戰(zhàn)和機(jī)遇有哪些？

A：集成光子學(xué)將光子器件的規(guī)模壓縮到電子器件的規(guī)模，使二者具有CMOS兼容、相互集成、大規(guī)模集成的特點，使得光電子集成芯片成為可能。目前，集成光子學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，包括光通信、傳感、信息處理、計算和光存儲。此外，還有其他領(lǐng)域，比如材料科學(xué)研究、光學(xué)儀器、光譜學(xué)研究等。目前這些應(yīng)用基本上實現(xiàn)了對強(qiáng)度、相位、偏振和光譜的操縱或探測。通過更高密度的光子器件集成和電子集成，我相信光電子芯片在未來會有更大的發(fā)展空間。目前，沒有一種完美的材料能夠涵蓋集成光子器件的所有功能。因此，主要的挑戰(zhàn)包括高質(zhì)量的異質(zhì)集成以及低成本、低耦合損耗。

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Q：長期以來，硅一直是集成光子學(xué)的成熟材料，但材料技術(shù)的進(jìn)步帶來了許多新的選擇。您能否介紹幾種較有應(yīng)用前景的集成光子學(xué)材料及其主要優(yōu)缺點？

A：硅基光子集成平臺受到了極大的關(guān)注，因為它在電子和光子的單片集成方面具有強(qiáng)大的潛力，同時，它依賴于目前成熟的低成本、大規(guī)模CMOS集成電路制造工藝。另一個良好的光子集成平臺是磷化銦材料體系（III-V族半導(dǎo)體），它具有易于制造光源的天然優(yōu)勢。然而，它的單片集成工藝復(fù)雜而昂貴，為了實現(xiàn)單片集成，需要依靠選區(qū)生長、對接耦合生長或量子阱雜化等工藝。由于鈮酸鋰和二氧化硅波導(dǎo)具有非常低的光纖插入損耗，所以它們被廣泛用于光通信行業(yè)。然而，由于摻雜波導(dǎo)限制光線的能力有限，無法實現(xiàn)大規(guī)模集成。目前絕緣體上鈮酸鋰薄膜材料（LNOI）是一種熱門的新型薄膜材料。LNOI具有優(yōu)良的光學(xué)性能，尤其是大的光學(xué)窗口、超低的吸收損耗、非常強(qiáng)的電光效應(yīng)和非線性效應(yīng)。目前已經(jīng)實現(xiàn)在電光調(diào)制器和非線性頻率轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用。

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Q：您的團(tuán)隊在基于LiNbO?的芯片級光電器件方面處于領(lǐng)先地位，晶圓級、高質(zhì)量絕緣體上鈮酸鋰薄膜材料（LNOI）實現(xiàn)商業(yè)化后，一些鈮酸鋰薄膜器件的性能已經(jīng)超越塊體鈮酸鋰晶體制備的同類器件。然而，諸如電荷載流子效應(yīng)等挑戰(zhàn)也伴隨著鈮酸鋰材料而出現(xiàn)。您能否談?wù)凩NOI光電器件的主要挑戰(zhàn)和解決方案？

A：我們的團(tuán)隊專注于鈮酸鋰和LNOI的光子學(xué)及其應(yīng)用已經(jīng)超過25年。我們是中國最早進(jìn)入這一領(lǐng)域的研究小組之一。在成功實現(xiàn)LN蝕刻后不久，LNOI通過利用LN的非線性、電光、聲光效應(yīng)，證明了其在光學(xué)操縱方面的優(yōu)勢。LN本身無法用于光發(fā)射或探測。LNOI光電子學(xué)的主要挑戰(zhàn)是片上激光源和探測器的完全集成。最近已經(jīng)報道了通過離子摻雜和異質(zhì)集成解決相應(yīng)問題的可行方案。但仍有大量的工作待完成。

陳險峰教授在辦公室

陳險峰教授獲國家公派高級訪問學(xué)者資助在哈佛大學(xué)訪問

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Q：鈮酸鋰因其較大的二階、三階非線性極化率張量而為人所知，這使得高效的電光調(diào)制器、非線性光頻率轉(zhuǎn)換和光頻梳成為可能。非線性動力學(xué)（尤其是LNOI中的非線性動力學(xué)）給集成光子學(xué)帶來或?qū)砟男┳兓?？以及目前需要克服的主要障礙有哪些？

A： LNOI同時具有強(qiáng)非線性與強(qiáng)約束的優(yōu)勢。這使得LNOI器件的效率遠(yuǎn)優(yōu)于其他傳統(tǒng)的同類器件。最近，已經(jīng)實現(xiàn)了基于LNOI的高性能電光調(diào)制器、頻率轉(zhuǎn)換器和頻率梳產(chǎn)生器，它們將在通信、微波光子學(xué)、量子光學(xué)和其他領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。對于非線性來說，這也意味著使用相同的輸入功率可以觸發(fā)更強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用，這將為實現(xiàn)各種光學(xué)處理和計算提供新的方法。然而，這也意味著該系統(tǒng)對缺陷非常敏感。未來，通過成熟的大規(guī)模制造，結(jié)合鈮酸鋰的強(qiáng)二階、三階非線性和納米結(jié)構(gòu)特性，我們相信LNOI可以實現(xiàn)更復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。因此，光纖與納米波導(dǎo)的耦合以及波導(dǎo)的功率處理能力是影響非線性器件應(yīng)用的主要障礙。

陳險峰教授作報告

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Q：光纖到LNOI芯片的耦合研究目前發(fā)展?fàn)顩r怎么樣？

A：光纖到芯片的耦合一直是密集集成光子學(xué)應(yīng)用的主要問題之一。這個問題對于硅光電子學(xué)也是類似的。硅基集成的幾種耦合方案已被直接采用到LNOI平臺上。目前LNOI芯片耦合的方案包括模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，主要采用雙層波導(dǎo)錐形結(jié)構(gòu)，耦合損耗可以降低到<1dB。另一個較受青睞的方案是光柵耦合器。光柵耦合技術(shù)的制造工藝相對簡單，但一般來說耦合效率不是很高。

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Q：您最近發(fā)表在Light: Science & Applications的文章中介紹了一種周期性極化的鈮酸鋰波導(dǎo)，并在實驗中展示了一個15個用戶的量子安全直接通信（QSDC）網(wǎng)絡(luò)，通過這個網(wǎng)絡(luò)，任何兩個用戶都可以通過長達(dá)40千米的光纖進(jìn)行通信，且糾纏態(tài)的保真度大于95%。這項工作會帶來哪些改變？您能否預(yù)測一下不久的將來QSDC網(wǎng)絡(luò)的通信距離和傳輸速率？QSDC網(wǎng)絡(luò)中還有哪些主要問題待解決？

A：量子安全直接通信（QSDC）具有更簡單的協(xié)議、更少的潛在安全漏洞和更高的安全保證，整體上增強(qiáng)了量子通信的安全性和價值取向。構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)對于QSDC的廣泛應(yīng)用非常重要。在我們的網(wǎng)絡(luò)方案中，每個用戶通過共享不同波長的糾纏光子對與其他用戶互連。為了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，總共有30個波長通道的糾纏光子分發(fā)給15個用戶。在利用和頻過程進(jìn)行貝爾態(tài)測量后，兩兩用戶間會產(chǎn)生相應(yīng)的符合事件。這使得四組編碼的糾纏態(tài)能同時被識別，而無需后續(xù)選擇。此外，在采用高性能探測器以及高速調(diào)制器的情況下，信息傳輸率有望提升至大于100kbps。基于糾纏網(wǎng)絡(luò)的QSDC也可用于多個網(wǎng)絡(luò)的互連。通過在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中設(shè)置量子中繼器，可以實現(xiàn)不同區(qū)域的多個網(wǎng)絡(luò)互接。同時，這種方案也可以應(yīng)用于量子隱形傳態(tài)等實驗。

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Q：您能否分享一些關(guān)于LNOI用于高度集成量子器件的展望？

A：LNOI最具吸引力的特點是鈮酸鋰（LN）的優(yōu)越性能及其密集光子學(xué)集成的適用性。幾十年來，LN是許多應(yīng)用的最佳平臺之一，以光子學(xué)和量子光學(xué)為主。然而，高密度集成在塊體LN中仍然沒有得到很好的解決。在強(qiáng)大的光約束下，光與物質(zhì)的相互作用已經(jīng)達(dá)到了前所未有的效率水平。LNOI的應(yīng)用前景還未到盡頭。對于基礎(chǔ)光物理，納米尺度下光與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用將催生許多實用器件。包括單光子操縱器、邏輯門和量子計算電路等高度集成的量子器件都在設(shè)想之中。

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Q：摩爾定律很好地預(yù)測了過去數(shù)十年集成電路的發(fā)展，在集成光子學(xué)中是否有類似這種公認(rèn)的規(guī)律？

A：在過去的半個世紀(jì)中，集成電路，即硅基電子的發(fā)展趨勢很好地遵循著摩爾定律。然而，在計算能力方面，集成光子學(xué)很難與成熟的微電子集成技術(shù)相比擬。因為集成光子學(xué)技術(shù)仍處于起步階段。目前，硅基電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)接近了物理極限，晶體管的尺寸已經(jīng)縮小到納米尺寸，即接近幾個原子常數(shù)的尺寸。而且隨著晶體管的密度越來越大，功耗也越來越嚴(yán)重。從這些物理阻礙來看，在芯片方面，"光纖超過銅纜"已經(jīng)成為共識。這一趨勢將經(jīng)歷從電子、光電到光子芯片的三個階段。集成光子學(xué)將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。我們完全有理由期待，用于通用計算的光子芯片將在年輕一代中盛行，就像硅基電子在我們這一代盛行一樣。

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Q：您一直在領(lǐng)導(dǎo)一個研究興趣多樣的大團(tuán)隊，我知道您有一個非常聰明可愛的小孩，您能分享一下如何處理工作與生活平衡的經(jīng)驗嗎？

A：是的，我們的研究興趣和我們的小組成員一樣多樣化。在我的實驗室，我們有一群具有極高自我驅(qū)動力的年輕學(xué)生和研究人員。每個人都有自己的優(yōu)勢。我們鼓勵每個人去從事那些既重要又適合自己背景的科學(xué)課題。我常告訴他們，"做你喜歡的事，喜歡你做的事"。有了這樣的理念，你就會有足夠的激情來面對任何困難。這有助于提高你的積極性和參與度，從而產(chǎn)生更高的生產(chǎn)力。這是一個正反饋循環(huán)。這也是我工作和生活中的準(zhǔn)則，這確實有助于我實現(xiàn)自己的工作和生活平衡。我享受我正從事的科學(xué)研究。我的兒子也非常喜歡科學(xué)。盡管他只有五歲，但他知道很多關(guān)于數(shù)學(xué)、天文學(xué)、光學(xué)甚至是量子物理學(xué)的基本知識?？茖W(xué)對他來說似乎很自然。對我來說，工作和生活之間的傳統(tǒng)劃分正在逐漸消失。即使和家人在一起的時候，我也不會完全離開工作。

陳險峰教授與他的團(tuán)隊成員

| Light科學(xué)編輯 |

郭宸孜，現(xiàn)為中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（長春光機(jī)所）員工，任長春光機(jī)所 Light學(xué)術(shù)出版中心副總編、卓越計劃高起點新刊eLight編輯部主任、卓越計劃領(lǐng)軍期刊Light: Science & Applications（Light）責(zé)任編輯，中科院青促會會員，兼任中國科技期刊編輯學(xué)會國際交流與合作工作委員會委員、中國科技期刊編輯學(xué)會青委會委員。曾獲第三屆全國科技期刊青年編輯大賽一等獎、中國科協(xié)優(yōu)秀科技論文處理編輯表彰、中科院科技出版先進(jìn)個人獎、長春光機(jī)所先進(jìn)個人、中科院長春分院“青年先鋒”等重要獎項，主持了卓越計劃高起點新刊、中國科技期刊編輯學(xué)會基金課題、吉林省科協(xié)科普項目多個國家、省部級項目，作為共作者出版譯著《光學(xué)與光子學(xué)：美國不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)》（科學(xué)出版社），在 Nano Today, Nanomaterials, Science China Materials, Applied Optics，Applied Sciences, Nanotechnology, Japan Science and Technology Agency（日本科技振興機(jī)構(gòu)），編輯學(xué)報等發(fā)表文章20余篇。曾代表Light出席聯(lián)合國國際光日籌備委員會，在國際學(xué)術(shù)會議作邀請報告30次。

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