| 編者按 |

1969年，Stewart E. Miller發表了“Integrated optics: an introduction”，概述了對微型激光束電路形式的構想，標志著第一篇集成光子學研究論文的誕生。半個世紀以來，集成光子學從局限于集成有限數量的器件和功能，逐漸向多功能、工業化的光子集成電路發展壯大。

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的過去，現在和未來的見解。

陳險峰，上海交通大學物理與天文學院特聘教授。2011年獲國家杰出青年科學基金資助，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、集成光學、微納米光子學、量子光學和生物光子學，尤其是在光學物理學的基礎理論及其在國家需求中的應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等國際權威期刊上發表了300多篇期刊論文，論文被引用次數超過5000次。陳險峰教授曾擔任40多個學術會議的協辦人、會議主席、分會主席和委員會成員。2010年，由于其在準相位匹配非線性光學和光與納米結構材料相互作用方面的貢獻獲得亞太物理協會聯合會楊振寧獎（AAPPS，C. N. Yang Award）。

| 問與答（Q&A）|

采訪嘉賓：陳險峰（上海交通大學）

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院青年創新促進會會員項目[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：集成光子學給光電領域帶來了那些變化？目前集成光子學的主要挑戰和機遇有哪些？

A：集成光子學將光子器件的規模壓縮到電子器件的規模，使二者具有CMOS兼容、相互集成、大規模集成的特點，使得光電子集成芯片成為可能。目前，集成光子學的應用已經非常廣泛，包括光通信、傳感、信息處理、計算和光存儲。此外，還有其他領域，比如材料科學研究、光學儀器、光譜學研究等。目前這些應用基本上實現了對強度、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，主要的挑戰包括高質量的異質集成以及低成本、低耦合損耗。

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

A：硅基光子集成平臺受到了極大的關注，因為它在電子和光子的單片集成方面具有強大的潛力，同時，它依賴于目前成熟的低成本、大規模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族半導體），它具有易于制造光源的天然優勢。然而，它的單片集成工藝復雜而昂貴，為了實現單片集成，需要依靠選區生長、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。然而，由于摻雜波導限制光線的能力有限，無法實現大規模集成。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具有優良的光學性能，尤其是大的光學窗口、超低的吸收損耗、非常強的電光效應和非線性效應。目前已經實現在電光調制器和非線性頻率轉換方面的應用。

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Q：您的團隊在基于LiNbO?的芯片級光電器件方面處于領先地位，晶圓級、高質量絕緣體上鈮酸鋰薄膜材料（LNOI）實現商業化后，一些鈮酸鋰薄膜器件的性能已經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等挑戰也伴隨著鈮酸鋰材料而出現。您能否談談LNOI光電器件的主要挑戰和解決方案？

A：我們的團隊專注于鈮酸鋰和LNOI的光子學及其應用已經超過25年。我們是中國最早進入這一領域的研究小組之一。在成功實現LN蝕刻后不久，LNOI通過利用LN的非線性、電光、聲光效應，證明了其在光學操縱方面的優勢。LN本身無法用于光發射或探測。LNOI光電子學的主要挑戰是片上激光源和探測器的完全集成。最近已經報道了通過離子摻雜和異質集成解決相應問題的可行方案。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者資助在哈佛大學訪問

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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制器、非線性光頻率轉換和光頻梳成為可能。非線性動力學（尤其是LNOI中的非線性動力學）給集成光子學帶來或將帶來哪些變化？以及目前需要克服的主要障礙有哪些？

A： LNOI同時具有強非線性與強約束的優勢。這使得LNOI器件的效率遠優于其他傳統的同類器件。最近，已經實現了基于LNOI的高性能電光調制器、頻率轉換器和頻率梳產生器，它們將在通信、微波光子學、量子光學和其他領域發揮重要作用。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更強的光與物質相互作用，這將為實現各種光學處理和計算提供新的方法。然而，這也意味著該系統對缺陷非常敏感。未來，通過成熟的大規模制造，結合鈮酸鋰的強二階、三階非線性和納米結構特性，我們相信LNOI可以實現更復雜的非線性系統。因此，光纖與納米波導的耦合以及波導的功率處理能力是影響非線性器件應用的主要障礙。

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展狀況怎么樣？

A：光纖到芯片的耦合一直是密集集成光子學應用的主要問題之一。這個問題對于硅光電子學也是類似的。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換結構，主要采用雙層波導錐形結構，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，并在實驗中展示了一個15個用戶的量子安全直接通信（QSDC）網絡，通過這個網絡，任何兩個用戶都可以通過長達40千米的光纖進行通信，且糾纏態的保真度大于95%。這項工作會帶來哪些改變？您能否預測一下不久的將來QSDC網絡的通信距離和傳輸速率？QSDC網絡中還有哪些主要問題待解決？

A：量子安全直接通信（QSDC）具有更簡單的協議、更少的潛在安全漏洞和更高的安全保證，整體上增強了量子通信的安全性和價值取向。構建量子網絡對于QSDC的廣泛應用非常重要。在我們的網絡方案中，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。為了構建網絡結構，總共有30個波長通道的糾纏光子分發給15個用戶。在利用和頻過程進行貝爾態測量后，兩兩用戶間會產生相應的符合事件。這使得四組編碼的糾纏態能同時被識別，而無需后續選擇。此外，在采用高性能探測器以及高速調制器的情況下，信息傳輸率有望提升至大于100kbps?；诩m纏網絡的QSDC也可用于多個網絡的互連。通過在網絡結構中設置量子中繼器，可以實現不同區域的多個網絡互接。同時，這種方案也可以應用于量子隱形傳態等實驗。

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Q：您能否分享一些關于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）的優越性能及其密集光子學集成的適用性。幾十年來，LN是許多應用的最佳平臺之一，以光子學和量子光學為主。然而，高密度集成在塊體LN中仍然沒有得到很好的解決。在強大的光約束下，光與物質的相互作用已經達到了前所未有的效率水平。LNOI的應用前景還未到盡頭。對于基礎光物理，納米尺度下光與物質的強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想之中。

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Q：摩爾定律很好地預測了過去數十年集成電路的發展，在集成光子學中是否有類似這種公認的規律？

A：在過去的半個世紀中，集成電路，即硅基電子的發展趨勢很好地遵循著摩爾定律。然而，在計算能力方面，集成光子學很難與成熟的微電子集成技術相比擬。因為集成光子學技術仍處于起步階段。目前，硅基電子技術的發展已經接近了物理極限，晶體管的尺寸已經縮小到納米尺寸，即接近幾個原子常數的尺寸。而且隨著晶體管的密度越來越大，功耗也越來越嚴重。從這些物理阻礙來看，在芯片方面，"光纖超過銅纜"已經成為共識。這一趨勢將經歷從電子、光電到光子芯片的三個階段。集成光子學將逐漸占據主導地位。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：您一直在領導一個研究興趣多樣的大團隊，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動力的年輕學生和研究人員。每個人都有自己的優勢。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，從而產生更高的生產力。這是一個正反饋循環。這也是我工作和生活中的準則，這確實有助于我實現自己的工作和生活平衡。我享受我正從事的科學研究。我的兒子也非常喜歡科學。盡管他只有五歲，但他知道很多關于數學、天文學、光學甚至是量子物理學的基本知識?？茖W對他來說似乎很自然。對我來說，工作和生活之間的傳統劃分正在逐漸消失。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隊成員

| Light科學編輯 |

郭宸孜，現為中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（長春光機所）員工，任長春光機所 Light學術出版中心副總編、卓越計劃高起點新刊 eLight編輯部主任、卓越計劃領軍期刊 Light: Science & Applications（Light）責任編輯，中科院青促會會員，兼任中國科技期刊編輯學會國際交流與合作工作委員會委員、中國科技期刊編輯學會青委會委員。曾獲第三屆全國科技期刊青年編輯大賽一等獎、中國科協優秀科技論文處理編輯表彰、中科院科技出版先進個人獎、長春光機所先進個人、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會基金課題、吉林省科協科普項目多個國家、省部級項目，作為共作者出版譯著《光學與光子學：美國不可或缺的關鍵技術》（科學出版社），在 Nano Today, Nanomaterials, Science China Materials, Applied Optics，Applied Sciences, Nanotechnology, Japan Science and Technology Agency（日本科技振興機構），編輯學報等發表文章20余篇。曾代表Light出席聯合國國際光日籌備委員會，在國際學術會議作邀請報告30次。

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