内容来源：量子前哨（ID：Qforepost）
文丨浪味仙 排版丨浪味仙
行业动向：5500字丨13分钟阅读
集成电路曾以摩尔定律为帆，一路高歌猛进，不仅推动了电子信息技术的飞速发展，更促进了全球经济的爆炸式增长，然而这艘巨轮如今却前路遇阻。晶体管的微型化已逼近物理极限，热管理和功耗难题日益凸显，伴随传统集成电路技术的力竭，全球电子信息技术驱动下的经济增速也逐渐放缓。
幸而一场全新的技术革命正在孕育：光子技术逐步走向舞台中央，且当前正处于类似 1967 年大规模集成电路发展初期的关键节点，下一轮由科技突破带动经济再次腾飞的机遇，极大可能在集成电路向集成光路的范式转移中孕育而生。
上海交通大学物理与天文学院的陈险峰教授，就是这场全新技术革命中的一位亲历者和参与者：凭借对光学研究的热爱，陈险峰教授自 1997 年起就扎根在光科学领域，多年来聚焦集成光子学领域的基础研究和应用，已通过多个研究突破赋能高速光通信、光计算、光量子技术等前沿科学。
当谈及集成光子学的未来，陈险峰教授信心满怀。
集成光子学
需要自己的“硅材料”
作为光子学领域的重要分支，集成光子学涉及在单一芯片上集成大量光学元件，以提升光学系统的性能、成本效益和可扩展性，它的未来发展趋势将深刻影响通信、计算、感知等多个领域。
光子学应用：图源网络
1997 年，陈险峰教授作为访问学者，先后前往意大利国家电磁波研究所、美国哈佛大学物理系（2002-2003 年）等国际顶尖研究机构访学，期间初次接触到铌酸锂晶体材料，并参与了一些项目研究。彼时，正值美国硅谷光电子产业迅猛发展阶段，面对诸多企业的高薪诱惑，陈险峰教授选择回国继续以铌酸锂为主的研究。
为何是铌酸锂？众所周知，硅在微电子领域里已经是不可替代的材料。陈险峰教授提到，作为目前研究最为透彻的半导体材料，硅材料因其易于获得、成本低廉且工艺成熟，在微电子领域取得了压倒性成功，但在光电子学应用领域，硅并未延续其统治地位，主要原因在于以下两点：
1、间接带隙限制了发光能力：硅是一种间接带隙半导体材料，其导带和价带的极值不在同一波矢处，因此电子从导带跃迁到价带时，需要借助声子（晶格振动的量子）来满足动量守恒，这种间接跃迁机制导致硅的发光效率较低，因此无法通过常规手段制造高效率的光源，如激光器。在光通信等领域，当需要高效发光的光源时，硅材料的这一特性则成为阻碍其应用的瓶颈。
2、缺乏直接电光效应：硅的晶体结构具有中心反演对称性，这种对称性使得硅不具有直接电光效应（Pockels 效应），因而无法利用这一效应制作高速光调制器件，限制了其在光信号调制方面的应用。目前，硅光子技术可以通过载流子效应和热光效应实现光调制，但速度和效率远逊于直接电光效应。硅光调制器速度已达到 100 GHz [Changhao Han et al., Sci. Adv. 9, eadi5339 (2023)]，但线性度仍不够理想，还无法在相干通信中实现高阶调制格式。
因此，集成光子学领域需要自己的“硅材料”，而铌酸锂素被称为“光学硅”，在光子学领域比传统硅材料更具潜力，主要体现在以下几个方面：
1、低光传输损耗
铌酸锂在通信波段（1.2–1.6 μm）的光学损耗极低，尤其是基于薄膜铌酸锂（TFLN）或绝缘体上铌酸锂（LNOI）技术的波导，光损耗可低至0.027 dB/cm [Zhu et al., Optica, 2021]，比传统硅光波导的典型损耗（约 1dB/cm）低得多，更适合高效光信号传输。
2、禁带宽从而适用于宽波长范围
铌酸锂具有约 3.9eV 的宽禁带，允许其在 0.35–5μm 范围内工作，从紫外到中红外均表现出优异的光学透明性，具有宽的光学透明窗口。相比之下，硅的光学透明范围为 1.1–8μm，在紫外和可见光波段无法使用。
3、电光调制性能突出
铌酸锂的 Pockels 效应系数为 r33≈30.8pm/V，基于铌酸锂的调制器具备超高速能力，有报道高达 500GHz 的调制速度[Opt. Express 26, 14810 (2018)]，实验上也大都可以实现 >100GHz 的调制频率（Wang et al., Nature, 2018）。
4、强非线性效应
铌酸锂的二阶非线性光学系数也很大（如 d33≈27pm/V），这使得铌酸锂在光频率转换、光学相位调制等非线性光学应用中具有优势。例如，基于铌酸锂薄膜的光频梳实验已展示出宽达 140nm 的连续谱范围（Lu et al., Science, 2020）。此外，铌酸锂的三阶非线性效应也较为明显，这使其在实现克尔光频梳、光学开关、光学限幅等应用中同样具备潜力。
5、铁电性与高居里温度
铌酸锂是一种铁电材料，其居里温度约为 1210°C，这意味着铌酸锂在高温环境中仍然能够保持其铁电性，是高可靠性光子器件的理想选择。
6、多物理响应特性与稳定性
铌酸锂不仅具有出色的光学性能，还表现出声光耦合、高温稳定性和优异的物理化学性质，在常温下对大多数化学试剂具有良好的稳定性，不易被腐蚀或氧化。与电子相比，光子在传输信息方面具有独特的优势：并行处理能力强、运算速度快、能耗低。而为了能够更好地利用光子，科学家们往往需要在光通过材料时对其“一举一动”进行控制，其中一种基础且重要的技术手段就是如何在铌酸锂晶体中形成光波导。
图源网络
自 1998 年回国后，陈险峰教授就开始了铌酸锂基光子学的漫漫研究之路，其团队也是中国最早进入这一领域的研究小组之一。彼时，铌酸锂光波导作为铌酸锂集成光学的核心器件，主要方法是质子交换和钛扩散，当时陈险峰教授团队也从事相关研究，质子交换法到今天业界还都在使用，目前产业化也已经较为完善。
此外，铌酸锂当时还有两个重要应用：声表面波滤波器和电光调制器。陈险峰教授团队针对电光调制器下了很大的研究功夫。
电光调制器是高速、大容量光通信网络中的关键元器件，其主要功能是将电信号调制为光信号，以充分利用光通信的高带宽、低损耗和抗干扰特性。通过将信号从电域转换到光域进行传输和处理，光通信网络就能大幅提升数据传输速率和容量，从而满足爆炸式增长的数据需求。所以说，电光调制器的广泛应用，是支撑全球通信网络快速发展的关键元器件之一。
陈险峰教授团队基于频率转换展开了一系列的基础研究，同时面向通讯开展波分复用等相关研究，还跟华为等公司展开了相关合作。
一切看似稳步向好，但出人意料的是，基于体块铌酸锂材料的基础研究和应用逐渐饱和，且始终无法实现高密度器件集成，全球范围内的研究逐渐呈现停滞局面。
直到 2014 年转机出现：这一年，薄膜铌酸锂出现了。
铌酸锂单晶薄膜：图源网络
得益于制备工艺的突破，薄膜化成为铌酸锂材料的一大重要发展方向。值得一提的是，此前铌酸锂材料和量子计算行业是两条平行线，而薄膜工艺出现之后，两条线开始产生交集。“一代材料，一代器件，一代产业，一个时代。”在包含光量子技术在内的多个领域中，降低损耗都至关重要。薄膜铌酸锂凭借其超低光学损耗、高非线性效应以及出色的光电调制能力，在量子光学和光量子计算领域表现出显著优势。要知道，现代基于铌酸锂薄膜的调制器已经能够达到超过 100GHz 的调制频率，成为高速光通信和下一代光子技术的核心材料之一。基于薄膜铌酸锂集成平台，陈险峰教授团队实现了高性能电光调制器和非线性频率转换器件，以及片上人工合成维度构建和时变哈密顿量系统模拟，对高速光通信、光计算以及光量子技术等前沿科学起到了重要的推动作用。铌酸锂被认为是“后摩尔时代”理想的光子学材料，也是目前综合性能最好的光学材料之一。基于薄膜铌酸锂的技术突破，不但提高了其在光子芯片制造中的集成能力，还使得光子芯片能够与传统硅基半导体芯片紧密结合，为未来光电融合、乃至全光的实现提供了物理可行性。从材料性能到技术实现，铌酸锂将是引领光子革命的“六边形战士”。尤其是对于未来产业之一的量子计算行业来说，薄膜铌酸锂已经成为推动光量子计算发展中无可替代的解决方案之一。请回答“1967”
1967 年，大规模集成电路技术成熟，并推动了基于该技术的大规模集成电路计算机的研发。
草蛇灰线，伏脉千里。从 1959 年美国德州仪器宣布建成世界首条集成电路生产线，到 1962 年首块集成电路产品问世，集成电路技术的发展逐步铺就了通向“大规模”的道路：1960 年代初，每块芯片上的晶体管元件数量仅约 100 个，尚属于小规模集成电路（SSI），但到了 1967 年，这一数字已突破 1000，标志着集成电路正式迈入大规模阶段（LSI）。
大规模集成电路：图源网络
自 1967 年起，集成电路的规模迅速升级，晶体管密度的提升使计算机的体积和价格在下降的同时，功能性和可靠性得到显著增强。如今，我们眼见集成电路的技术进步已经触及摩尔定律的“天花板”，但与此同时，光子技术正迎来类似 1967 年大规模集成电路发展初期的关键节点，有望开启新机遇，为新一轮技术革命和产业升级铺平道路。
当下业界已普遍认可，光子学具有类似于电子学的发展模式——由光子器件向光子集成、再向光子系统方向发展。因此我们可以认为，眼下正是光子学的“1967”时刻。
客观来说，尽管铌酸锂因其优异的光学性能被认为是“后摩尔时代”理想的光子学材料，但其在产业化和技术实现方面尚面临诸多挑战。目前，铌酸锂仍是作为硅光技术的重要补充而非完全替代，陈险峰教授提到了两点主要原因：
1、铌酸锂的微纳刻蚀工艺复杂性较高。尽管薄膜铌酸锂的发展显著提高了加工可行性，但加工效率和成本仍是当前技术瓶颈之一。此外，铌酸锂是一种双折射材料，其折射率在不同方向上存在不同，这种特性在某些应用中可能会导致光信号的偏振态发生变化，在高性能光子芯片应用上还需突破挑战。
2、相比硅光技术，铌酸锂平台上的大规模或超大规模器件集成仍面临较大技术难度和复杂度。薄膜铌酸锂晶圆的参数稳定性尚未达到硅光平台的工业化要求，还无法充分支撑大规模光子芯片的量产化。近年来，虽然在晶圆尺寸等方面取得了一些进展，但在材料制备和器件工艺成熟度等方面，仍需更多的技术突破。
凡墙皆是门，尽管当下铌酸锂技术还面临一定挑战，却也难掩其巨大的发展潜力。一个客观事实是，仅仅经过十年发展，铌酸锂基光子学的研究和应用就已呈指数级快速增长态势，侧面印证了科研和产业界对薄膜铌酸锂基集成光子学的重视程度，尤其是在低损耗、高速调制、量子计算等领域的应用前景。
随着光电融合的趋势日盛，不少科学家将电子学与光子学相结合，推动了高速光通信、量子计算等领域的发展。与此同时，基于铌酸锂在电光调制、非线性效应和低损耗等方面展现出的更优特性，大量硅基光子学研究者开始转向铌酸锂基光子学，这一变化在促使光电融合和全光技术协同发展的同时，更推动了铌酸锂基光子学的快速发展。
陈险峰教授提到，预计未来几年，铌酸锂基集成光子学的研究和应用将迎来重要的发展阶段，成为光子学领域的重要突破。
21世纪将“御光而行”
进入 21 世纪后，光电子技术既继承了电子技术在信息处理和传输中的优势，也在信息传输速度、带宽和能效等方面展现出了微电子技术无法比拟的优越性。当前，光电子技术已经在全球范围内的互联网骨干网、数据传输网络和 5G 基础设施中得到了规模化应用，为高速、高效的信息通信提供了强大支撑。
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节有所缺失，打造具有核心竞争力的自研技术与产品，在适当弥补当下集成电路不足的同时，占领集成光路时代的技术高地。
近些年来，集成光子学已经成为业界研究的热点，集成光子学、光计算、光模拟、光量子都是其中值得关注的进展。眼下，信息技术产业正迎来“从电到光”的转换契机，回望历史，刚好也契合科技革命五十年的更迭周期。
陈险峰教授表示，得益于光天然的高速、并行、低能耗特性，理论上来说，光子学的下限就已超过电子学的上限。尽管目前集成光子学尚处于发展初期，面临许多技术挑战，但芯片层面的“光进铜退”趋势已经显现，在高速数据传输、低延迟通信等领域，光电子技术逐步替代了传统铜线传输，而随着量子计算和全光通信的进步，21 世纪也将成为光子技术迅猛发展的时代，在通信、计算和量子技术等多个领域展示出巨大应用潜力。
在 5G、物联网和人工智能等技术融合的场景下，人们需要大量的传感器来实时收集上下游数据，更有数十亿个终端设备需要安全高速、低延迟的无线网络连接，计算能力则需要更高性能的处理单元以满足机器学习、计算机视觉和自然语言理解能力等等。在诸多实际场景和需求的催化下，未来伴随光子芯片技术的不断进步，我们这代人有望看到个人光子芯片如电脑一样常见，普通个人设备也能拥有小型超算中心的算力，以及通过光量子接口实现量子比特之间的信息传输和量子态操控，最终构建起全球量子计算网络。
生命曾追着光进化出眼睛，技术革命现正追着光孕育“消费光子时代”。
新一轮科技革命，欢迎“光”临。
陈险峰教授简介
陈险峰，上海交通大学特聘教授，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”领军人才，科技部中青年科技创新领军人才，上海市优秀学术带头人，享受政府特殊津贴。在 Nature、Nature Photonics、Science Advances、Physical Review Letters 等国际 SCI 学术刊物上发表论文 400 余篇。
