引言：光子系统的演进
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光子技术在计算和通信平台领域展现出显著优势，与传统电子系统相比具有更快的运行速度、更小的体积和更高的能效。然而，目前光子系统的集成规模仍落后于电子系统。这主要是由于传统设计方法导致线路体积庞大、效率低下，且对制造和环境变化高度敏感。此外，许多新兴应用（特别是量子系统）需要超越硅材料的新型材料，以及创新的异质集成制造工艺[1]。5 K) `$ H' _9 N* A3 r: `
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) c( c7 |" ~& v( V5 P创新方法：光子技术反向设计
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光子设计方法的革新带来了器件性能的显著提升。反向设计方法运用计算机软件系统地搜索所有可能的几何结构，采用考虑制造约束的优化方案。这一过程结合了基于GPU的高速电磁求解器和梯度下降优化算法，实现了性能远超传统设计的新型光电器件和系统。) S& t v6 W+ Z5 Q
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图1：在硅绝缘体上制造的反向设计波长解复用器，展示了仅2.8微米线性尺寸的紧凑设计。
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反向设计方法在创建波长解复用器方面表现出色，这是光通信系统的核心组件。这些器件在保持与传统设计相同效率的同时，占用空间显著减少，并在温度变化下保持稳定性能。; b8 S, z6 L3 m5 ^! A4 g
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* g* P! O2 \8 r图2：在硅绝缘体上制造的反向设计模式解复用器，线性尺寸为6微米，展示了高效的模式分离能力。) Q, R9 W3 o1 w+ t0 t
经典光子技术的突破性进展3 ~: K3 b) s4 i
A; _2 V4 T: _ X: a7 C. R3 Q" M反向设计组件的实施带来了经典光子系统的突破。其中一个显著成果是开发出用于片上和片间光互连的无差错TB/s通信系统。1 i+ O9 A( _4 ^0 N# Z
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图3：用于Global Foundries 45 CLO流片的光互连线路布局，包含反向设计元件，相比传统PDK组件展现出优越性能。 Y; A l4 w" x* x
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激光器技术的一个重要进展是将钛宝石激光器微型化，这是光学实验室的基础工具。这一成就在保持与商用台式系统相当性能的同时，大幅减小了尺寸。2 q: F- e/ v0 a
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! D2 u, d* d" Y) H' h+ t图4：在氮化硅中实现的统一激光器稳定器线路，在简单、无源、CMOS兼容的设计中同时提供激光器稳定和隔离功能。: z- g9 A+ J$ P$ q! ~, q, {" k
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图5：紧凑的绝缘体上钛宝石芯片，集成了激光器和放大器，展示其置于钛宝石晶体块上的样子。
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图6：在绝缘体上实现的可调谐激光器、微盘激光器和波导的详细视图。; Q9 j; l* b; S
光量子技术的发展
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光量子技术领域取得了显著进展，特别是在金刚石和碳化硅色心的开发方面。近期成就包括在1.7K温度下实现电子自旋态的高保真度微波控制，以及精确的单次光学读取能力。+ x' x. W& c- V; D. C- I
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图7：上图：金刚石中的反向设计光子结构；下图：金刚石光子器件与铌酸锂薄膜光子器件的集成。0 r: q$ g2 c, H7 Q7 b8 ?. i
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碳化硅已成为量子技术的理想平台。其CMOS兼容性和强光学非线性使其特别适合产生压缩光等量子态光，可应用于量子计量和连续变量量子计算。5 | V2 H+ T, @8 z+ c
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2 o5 U& F& V/ H* H" f' C7 `; ~/ m图8：上图：在绝缘体上碳化硅制造的高品质可调谐谐振器，用于克尔梳和压缩光生成；下图：在绝缘体上碳化硅中的反向设计光子结构。
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/ T. q! m# I5 D. M: F7 _( `近期研究展示了在单个碳化硅谐振器内多个量子发射器之间的相干受控相互作用，确立了这些系统作为量子模拟和潜在量子计算应用的可行性。量子发射器与光子线路的集成是实现可扩展量子技术的关键步骤，支持量子网络、量子模拟和量子计算等应用。
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) q0 e$ t, a$ O; M) D# p经典和量子光子技术的融合，在先进设计方法和制造技术的推动下，正在推进新一代集成光子系统的发展。这些进步将推动经典通信系统和量子技术的创新，提供信息处理和通信能力的显著提升。* ]' m- _/ d5 T! {, R% \9 r
参考文献
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[1] J. Vuckovic et al., "Scalable classical and quantum photonics," in 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2024.
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